不規(guī)則三角網(wǎng)法在土方量計算工程的應(yīng)用

劉夫曉

（山東金嶺鐵礦有限公司，山東 淄博255081）

1 前言

DTM法（不規(guī)則三角網(wǎng)法）利用實測地形碎部點、特征點進行三角構(gòu)網(wǎng)，對計算區(qū)域按三棱柱法計算土方。基于不規(guī)則三角形建模是直接利用野外實測的地形特征點（離散點）構(gòu)造出鄰接的三角形，組成不規(guī)則三角網(wǎng)結(jié)構(gòu)。相對于規(guī)則格網(wǎng)，不規(guī)則三角網(wǎng)具有以下優(yōu)點：三角網(wǎng)中的點和線的分布密度和結(jié)構(gòu)完全可以與地表的特征相協(xié)調(diào)，直接利用原始資料作為網(wǎng)格結(jié)點；不改變原始數(shù)據(jù)和精度；能夠插入地性線以保存原有關(guān)鍵的地形特征，以及能很好地適應(yīng)復(fù)雜、不規(guī)則地形，從而將地表的特征表現(xiàn)得淋漓盡致。因此在利用DTM法算出的土方量時就大大提高了計算的精度。傳統(tǒng)的取點方式包括全站儀與GPS，在大面積的作業(yè)空間中，傳統(tǒng)方法無論是在工作效率還是在測量精度上都會有所降低。三維激光掃描技術(shù)是近幾年來出現(xiàn)的新技術(shù)，它利用激光測距的原理，采用非接觸式高速激光測量方式，能夠快速地獲取測量對象表面的幾何特征[1-3]，三維掃描技術(shù)突破了傳統(tǒng)測量中由點到線、再由線到面的單點測量方法，目前應(yīng)用于多個測繪領(lǐng)域[4-7]。

結(jié)合工作實踐，測量部門選擇視野開闊，無大型建筑物、機械的阻擋，土方較規(guī)則的料堆作為研究對象。選用了Maptek三維激光掃描系統(tǒng)獲取點云數(shù)據(jù)，并利用Surpac軟件與Cass軟件分別對獲取的點云數(shù)據(jù)進行了處理，并在數(shù)據(jù)處理的速度及三維建模可視化方面進行了比較。

2 三維激光掃描系統(tǒng)優(yōu)勢

本次測量選用的Maptek I-site 8810三維激光掃描系統(tǒng)，具有如下優(yōu)勢：

1）非接觸測量，數(shù)據(jù)采樣率高。掃描方式為脈沖式激光掃描，掃描頻率為40 kHz。

2）高分辨率、高精度，主動發(fā)射掃描光源。掃描過程中主動發(fā)射掃描光源（激光），且獲得的點云數(shù)據(jù)均勻、細密、噪點少，保證了數(shù)據(jù)更加準確。

3）高度集成性。具有后視定向功能，數(shù)字化采集兼容性好，測量過程中可結(jié)合GPS進行測量，多站測量數(shù)據(jù)無需拼接，彌補了其他掃描儀采用標靶拼接降低了測量精度和增加了內(nèi)業(yè)處理時間的劣勢。I-site8810所采集的數(shù)據(jù)是直接獲取的數(shù)字信號，具有全數(shù)字特征，易于后期處理及輸出。

4）高度整合性。掃描過程中可通過平板電腦操作掃描儀，實時查看掃描數(shù)據(jù)，及時了解數(shù)據(jù)質(zhì)量，對掃描盲區(qū)進行及時補測，后期配有強大的處理軟件I-site Studio，能輸出多種格式的數(shù)據(jù)，可與其他原始CAD等數(shù)據(jù)實現(xiàn)高度整合。

3 數(shù)據(jù)采集、處理過程

3.1 技術(shù)方案

工作的前期內(nèi)容是利用三維激光掃描技術(shù)對S8地區(qū)進行掃描，采集三維激光點云數(shù)據(jù)，在Maptek I-Site Studio中進行預(yù)處理，在topo模式下輸出*.csv格式，將所獲取的數(shù)據(jù)分別編輯生成Surpac軟件所需要的*.str格式和Cass軟件所需要的*.dat格式?？傮w技術(shù)路線如圖1所示。

3.2 試驗方法

根據(jù)Maptek I-site 8810的特點，在料堆頂部及周圍共設(shè)立測站6站，采用中等分辨率進行全景掃描[8-10]，同時，為了研究對象的一致性，采用GPS RTK技術(shù)獲取料堆的邊界范圍數(shù)據(jù)。

將獲取的多個測站的料堆點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Maptek I-Site Studio中，同時將RTK獲取的邊界范圍數(shù)據(jù)導(dǎo)入到survey中，保證測量數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性。刪除研究區(qū)域以外的點云數(shù)據(jù)，剔除非特征點的點云數(shù)據(jù)，在topo模式下，利用Despiking命令進一步刪除尖峰點，保存輸出為*.csv格式的數(shù)據(jù)。

3.3 Surpac軟件與Cass軟件對比

Surpac軟件是全球同類軟件中應(yīng)用最為廣泛的大型三維數(shù)字礦業(yè)軟件，是Gemcom公司最著名的軟件之一，具有功能強大、易操作等特點，是測量、地質(zhì)、采礦的信息共享平臺，能夠兼容多種數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)格式。呂寶雄等證實了利用點云數(shù)據(jù)在地形測量中的應(yīng)用，但鮮有學(xué)者利用點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Surpac軟件進行土方計算并與其他常規(guī)軟件處理結(jié)果進行對比。本試驗將從Maptek中輸出的*.csv數(shù)據(jù)格式，轉(zhuǎn)換成Surpac要求的*.Str格式，并將RTK獲取料堆的邊界范圍的數(shù)據(jù)一并導(dǎo)入到Surpac軟件中。因為本試驗應(yīng)用的是DTM法土方計算法，所以必須假定一個水平面作為初始平面，本試驗選定+5 m水平面為初始平面。在一定邊界內(nèi)進行DTM法土方運算，并能夠得到料堆的DTM的三維視圖，如圖2所示。

圖2 料堆的DTM三維視圖

Cass軟件是基于AutoCAD平臺技術(shù)的數(shù)字化和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于野外數(shù)字化地形成圖，進行大比例尺地形測繪。由于Maptek I-Site Studio軟件導(dǎo)出的數(shù)據(jù)為csv類型的數(shù)據(jù)文件，該數(shù)據(jù)類型的文件無法導(dǎo)入Cass軟件中使用，故導(dǎo)入前需要將csv類型的數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換為DAT類型的數(shù)據(jù)文件。將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Cass中，用Polyline命令標定料堆的邊界范圍線，如圖3所示。然后建立以高程為+5m的水平面為初始平面，保存輸出數(shù)據(jù)，運行DTM法土方運算。

結(jié)果對比分析。Surpac軟件與Cass軟件都能夠運用土方的DTM法土方計算求得試驗料堆的土方，結(jié)果對比如表1所示，雖然在平場面積與土方上略有差異，但是不影響此次試驗的對比，通過對以上試驗結(jié)果的比較分析，得出2種軟件的特性。

Surpac軟件在應(yīng)用Maptek I-Site Studio軟件導(dǎo)出的*.csv數(shù)據(jù)時，可以有效保存原點云數(shù)據(jù)的真實性，不需要內(nèi)插點。處理過程中不需要生成三角網(wǎng)，能夠直接調(diào)用RTK測得的料堆邊界范圍數(shù)據(jù)，可以很直觀地顯示出范圍線外多余的點云數(shù)據(jù)，能夠清晰地反映出未掃描區(qū)域的范圍，為下一步數(shù)據(jù)的重新獲取提供了依據(jù)?？梢詫ι傻腄TM進行放大和縮小及任意角度的旋轉(zhuǎn)，便于查看。

相比Surpac軟件，Cass軟件可以對三角網(wǎng)進行刪減和修整，在應(yīng)用Maptek I-Site Studio軟件導(dǎo)出的*.csv數(shù)據(jù)時，能夠內(nèi)插點數(shù)據(jù)，對原點云數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響，在使用料堆邊界范圍時，需對邊界進行重新的編輯閉合。在此過程中容易出錯，造成邊界的大小發(fā)生變化，從而對所求的土方產(chǎn)生影響，在使用DTM法求土方計算過程中，對點云數(shù)據(jù)在數(shù)量上有限制，所以在一定程度上對點云數(shù)據(jù)進行了精簡，在形成的三維模型的顯示效果上較差，顯示的細節(jié)較少，不夠直觀。

圖3 Cass中料堆的點云數(shù)據(jù)

表1 Surpac軟件與Cass軟件計算料堆土方數(shù)據(jù)

4 結(jié)語

通過試驗研究，Maptek點云數(shù)據(jù)較常規(guī)測量方法在提取地物特征方面更方便、快捷，證明了在Maptek點云數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用Surpac軟件與Cass軟件都能夠利用DTM法計算計算求出料堆的體積，并且求得的數(shù)據(jù)都是完全可靠的。但在應(yīng)用Maptek I-Site Studio軟件導(dǎo)出的*.csv數(shù)據(jù)時，Surpac軟件在數(shù)據(jù)的導(dǎo)入速率及處理的準確率上較Cass軟件有較大的提高，在生成DTM及顯示上，較Cass軟件有更好的可視化效果。

下一步如何更好的利用Maptek點云數(shù)據(jù)，開拓更廣闊的應(yīng)用平臺，使其更便捷地應(yīng)用于礦山的生產(chǎn)仍然是一個需要深入研究和解決的問題。