基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的露天礦坑特征線自動(dòng)生成方法的應(yīng)用

袁睿棟 楊新鋒 王 磊 李思齊

(1.長(zhǎng)沙迪邁數(shù)碼科技股份有限公司；2.剛果科米卡礦業(yè)簡(jiǎn)易股份有限公司)

三維激光掃描和無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)作為一項(xiàng)新興的測(cè)繪技術(shù)，是繼GPS技術(shù)之后在測(cè)繪領(lǐng)域的又一次技術(shù)革命[1]。由于具有安全系數(shù)高、功能多樣化、精度高、靈活性強(qiáng)、高度集成等特點(diǎn)，已經(jīng)被越來(lái)越多礦山關(guān)注和引進(jìn)。

無(wú)人機(jī)航測(cè)和三維激光掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)了露天礦精確地形信息數(shù)據(jù)快速采集，其成果通過(guò)相應(yīng)處理軟件(ContextCapture、PIX4D、Smart3D、photoscan、山維EPS等)將DOM正射影像和DEM鑲嵌生成高分辨率、高精度的DSM點(diǎn)云數(shù)據(jù)[2]。

目前露天礦DSM數(shù)據(jù)主要應(yīng)用于地形圖繪制、三維DEM建模、測(cè)量驗(yàn)收和邊坡變形監(jiān)測(cè)等方面，應(yīng)用于設(shè)計(jì)和生產(chǎn)管理較少。主要原因在于露天礦采礦設(shè)計(jì)、計(jì)劃編制、區(qū)塊設(shè)計(jì)、爆破設(shè)計(jì)、礦塊劃分等業(yè)務(wù)均以露天礦坑臺(tái)階和道路坡頂?shù)拙€等主要特征線為支撐。國(guó)內(nèi)外關(guān)于點(diǎn)云數(shù)據(jù)特征提取做了大量研究，有基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)分類插值自動(dòng)生成高程特征點(diǎn)[3]，有通過(guò)濾波和點(diǎn)云聚類法實(shí)現(xiàn)道路點(diǎn)云的提取[4]，有通過(guò)Canny邊緣檢測(cè)算法提取建筑物邊緣[5]，也有相應(yīng)軟件如polyworks、CASS等提供了多種提取幾何體特征方法，如線纜追蹤、顏色追蹤、邊緣追蹤和階梯邊緣追蹤等。關(guān)于露天礦坑主要特征線提取的研究比較少，目前提取手段主要是依據(jù)DSM模型手工繪制，存在時(shí)效性低、工作量大等問(wèn)題，制約了DSM數(shù)據(jù)在露天礦的深層次應(yīng)用。

本文提出基于露天礦坑點(diǎn)云數(shù)據(jù)的臺(tái)階和道路坡頂?shù)拙€自動(dòng)生成方法，為露天礦設(shè)計(jì)和生產(chǎn)管理提供高效、可靠的數(shù)據(jù)支撐。

1 露天礦坑點(diǎn)云DEM模型構(gòu)建

傳統(tǒng)上，露天礦現(xiàn)狀地表DEM模型構(gòu)建主要是利用全站儀、RTK等測(cè)量手段形成的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量素描記錄，手工描制形成臺(tái)階頂?shù)拙€和道路線等。以高程點(diǎn)、臺(tái)階頂?shù)拙€和道路線等數(shù)據(jù)進(jìn)行露天礦坑DEM建模。

基于無(wú)人機(jī)航測(cè)和三維激光掃描的DSM點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建露天礦坑DEM模型，通過(guò)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪、抽稀、均化等處理，進(jìn)行露天礦坑DEM模型生成，見(jiàn)圖1。

圖1 露天礦坑DEM模型

2 基于DSM點(diǎn)云自動(dòng)提取礦坑特征線

地形圖測(cè)量DSM數(shù)據(jù)主要提取等高線、高程點(diǎn)、道路和主要構(gòu)筑物，研究重點(diǎn)在于構(gòu)筑物特征線和特征點(diǎn)的提取[6]。而露天礦坑有其特有的構(gòu)成結(jié)構(gòu)，從幾何構(gòu)成來(lái)說(shuō)分成臺(tái)階面、平臺(tái)、道路面、道路坡面4類。根據(jù)露天礦現(xiàn)狀DEM中三角網(wǎng)的特點(diǎn)，道路坡面、臺(tái)階面的三角網(wǎng)傾角會(huì)有明顯的區(qū)分。DEM模型按三角網(wǎng)傾角著色，見(jiàn)圖2。

圖2 DEM模型按三角網(wǎng)傾角著色示意

結(jié)合巖石或巖體穩(wěn)定性條件，露天礦臺(tái)階設(shè)計(jì)坡面角一般取值范圍在50°～75°，實(shí)際臺(tái)階坡面角一般要小于設(shè)計(jì)值。通過(guò)對(duì)露天礦坑點(diǎn)云DEM模型三角網(wǎng)傾角分布規(guī)律分析，其整體分布特征均呈多峰分布，臺(tái)階坡面、道路和平臺(tái)面坡度分界的臨界值一般在30°，可以作為三角網(wǎng)過(guò)濾閾值，這也僅屬于露天礦坑和排土場(chǎng)獨(dú)有的特點(diǎn)。

針對(duì)露天礦坑DEM數(shù)據(jù)分類特點(diǎn)，提出根據(jù)傾角篩選三角網(wǎng)進(jìn)行臺(tái)階面和道路面分離的方法，見(jiàn)圖3。

圖3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取露天礦坑特征線流程

DEM模型三角網(wǎng)傾角計(jì)算原理見(jiàn)圖4，計(jì)算流程如下：

(1)建立DEM模型的三角網(wǎng)。

(2)提取各個(gè)三角網(wǎng)的3個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)。

(3)通過(guò)頂點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算出該三角網(wǎng)的法向量N→,由3個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)P1(x1、y1、z1)，P2(x2、y2、z2)，P3(x3、y3、z3)可以求出該平面的2個(gè)交叉向量A→(a,b,c),B→(d,e,f)，其中，a=x3-x1，b=y3-y1，c=z3-z1，d=x2-x3，e=y2-y3，f=z2-z3；由3個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)可以求出該平面的2個(gè)交叉向量A→(a,b,c),B→(d,e,f),由于法向量N→(x,y,z),與該平面的2個(gè)向量點(diǎn)乘為零，可列出方程

令z=1，可以解出x,y，進(jìn)而求出法向量N→。

(4)計(jì)算N→與Z軸的傾角，得到β。

(5)得到該面片的傾角γ(90°-β)，且β=α。

(6)設(shè)置給定的傾角閾值約束，應(yīng)用此法提取DEM模型中所有小于該傾角值的三角網(wǎng)。

(7)對(duì)篩選出的三角網(wǎng)，應(yīng)用輪廓線提取函數(shù)提取出坡頂?shù)拙€。

(8)由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的復(fù)雜性，僅依據(jù)傾角閾值自動(dòng)提取出露天坑特征線，會(huì)存在孤立閉合線、折角、過(guò)密等，通過(guò)對(duì)特征線過(guò)濾、抽稀、清理異常等處理，去除空間重疊，進(jìn)一步滿足工程要求。見(jiàn)圖5。

圖4 三角網(wǎng)傾角計(jì)算示意

圖5 自動(dòng)提取露天礦坑特征線優(yōu)化

3 工程應(yīng)用

3.1 測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)處理

目前許多測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)處理軟件(山維EPS)提供了基于DSM模型提取高程點(diǎn)和生成等高線功能[7]，為地形圖繪制提供了很大便利。大型露天礦或臺(tái)階多時(shí)則內(nèi)業(yè)作圖工作量非常大，而通過(guò)露天礦坑特征線自動(dòng)提取則可以大幅提升測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)處理效率。見(jiàn)圖6。

圖6 點(diǎn)云數(shù)據(jù)露天礦坑特征線自動(dòng)提取

3.2 采礦設(shè)計(jì)優(yōu)化

露天開(kāi)采境界三維設(shè)計(jì)已成為主流，礦山單位在只有境界設(shè)計(jì)模型情況下，要進(jìn)行設(shè)計(jì)修改或優(yōu)化，必須先提取出設(shè)計(jì)境界臺(tái)階和道路坡線。上述手段可自動(dòng)完成提取以支撐設(shè)計(jì)優(yōu)化。見(jiàn)圖7。

圖7 設(shè)計(jì)模型臺(tái)階坡頂?shù)拙€自動(dòng)提取

3.3 采剝進(jìn)度計(jì)劃編制

無(wú)論是采用傳統(tǒng)手工編制還是應(yīng)用三維礦業(yè)軟件編制露天礦采剝進(jìn)度計(jì)劃[8]，其核心是通過(guò)對(duì)計(jì)劃線(開(kāi)采范圍邊界線)、臺(tái)階坡頂?shù)拙€的操作完成采掘帶圈定、斜坡道設(shè)計(jì)等，結(jié)合礦塊模型，進(jìn)行礦巖量、品位、剝采比計(jì)算和調(diào)整。所以只有實(shí)現(xiàn)露天礦坑特征線自動(dòng)提取，才可以將DSM數(shù)據(jù)與采剝計(jì)劃編制、斜坡道設(shè)計(jì)工程應(yīng)用有效銜接。見(jiàn)圖8。

圖8 露天采掘帶圈定

3.4 爆破設(shè)計(jì)

自動(dòng)提取露天礦特征線可以定義爆區(qū)范圍，利用三維礦業(yè)軟件進(jìn)行臺(tái)階炮孔布置、預(yù)裂孔布置、起爆網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和爆破模擬分析等[9]。以露天礦點(diǎn)云DEM為約束進(jìn)行爆破設(shè)計(jì)，所布炮孔孔口均會(huì)落在DEM面上，孔口高程位置更精確，結(jié)合鉆機(jī)精確定位技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)孔深精確控制[10]，為露天礦山爆破質(zhì)量提升提供了技術(shù)支撐。見(jiàn)圖9。

圖9 露天爆破設(shè)計(jì)

4 結(jié) 論

本研究在對(duì)露天礦點(diǎn)云DSM數(shù)據(jù)特點(diǎn)分析基礎(chǔ)上，提出以三角網(wǎng)傾角閾值分離露天坑DEM與自動(dòng)提取露天坑主要特征線的方法，并在DIMINE軟件中開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)。露天礦臺(tái)階和道路坡頂?shù)拙€等主要特征線的自動(dòng)提取實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)云數(shù)據(jù)與三維礦業(yè)軟件在露天礦采礦設(shè)計(jì)、區(qū)塊劃分、計(jì)劃編制、爆破設(shè)計(jì)等工程應(yīng)用銜接，可大幅提升工作效率。鑒于無(wú)人機(jī)傾斜攝影、三維激光掃描技術(shù)先進(jìn)性以及礦山的廣泛需求，該技術(shù)的研究對(duì)于露天礦數(shù)字礦山建設(shè)與精細(xì)化管理具有重要現(xiàn)實(shí)意義。