基于三维激光扫描技术的西石门铁矿精矿盘库测量方法

石晓雨　崔　凯　庞长保　张文娟

(五矿邯邢矿业邯郸地质勘查有限公司)

三维激光扫描技术改变了以往数据采集方式，无需接触便可获得物体表面的形态特征，具有数据采集速度快、精度高、密度大、非接触和测量范围广等优点[1-2]。为提高精矿盘库测量精度，本研究以西石门铁矿为例，提出了一种基于三维激光扫描技术的精矿盘库测量方法。

1　三维激光扫描盘库测量原理

三维激光扫描系统主要由三维激光扫描仪主机、激光扫描镜、三脚架、球形标靶、平面标靶、三维激光数据处理软件以及其他附属设备构成[3-4](图1)。基于三维激光扫描技术的精矿盘库测量是基于激光测距原理，首先利用扫描仪发射的激光束，计算反射的时间差，推算出扫描中心与测量目标点的距离；然后通过扫描仪记录的水平角、垂直角等数据信息来解算物体表面扫描点的三维坐标[5-6]。扫描坐标系如图2所示，是以扫描中心为坐标原点，通过坐标原点且相互垂直的2个轴为X轴和Y轴，Z轴垂直于X、Y轴所成的平面，3个坐标轴组成右手坐标系，P点即为所需测量的点，P′点即为P点在XOY平面上的投影点[7-8]。

图1　三维激光扫描仪

图2　三维激光扫描测量原理

采用三维激光扫描仪进行盘库测量时，应首先根据现场情况，选择通视良好的地点进行分站扫描，不同测站之间用公共标靶球进行连接，利用GPS对标靶球中心进行测量，为后期数据拼接和坐标转换提供基础数据；然后对点云数据分别进行拼接、剔除噪声点、重采样、封装处理，构建精矿三维模型；最后根据构建的三维模型计算精矿量(图3)。

图3　三维激光扫描仪精矿盘库测量流程

2　工程应用

以西石门铁矿2017年6月30日精矿库存量为例(图4)，分别采用三维激光扫描仪和传统GPS测量方法进行盘库测量。

图4　西石门铁矿精矿仓分布

2.1　GPS测量方法

外业测量采用华测X91 GPS接收机，其水平精度为±(10+1×10-6D)mm(D为测量距离)，垂直精度为±(20+1×10-6D) mm。为保证测量精度，平坦区域每3～5 m采集1个坐标点，对凹凸不平或地形起伏较大区域进行加密测量。外业完成后，采用南方CASS 9.1软件的三角网法进行数据处理。三角网法是根据实测精矿表面点坐标(X，Y，Z)和平场标高，来生成一系列不规则三角形，通过计算每一个三角锥的精矿量，最后累加得到整个区域的精矿量。

2.2　三维激光扫描仪测量方法

本研究采用的三维激光扫描仪型号为Z+F IMAGER 5010，该型仪器换站测量时无需对中整平，测程为187.3 m，每秒可以获取百万点云数据。数据处理软件采用Z+F LaserControl和Geomagic Studio。本研究测量共分4个测站，不同测站之间用公共标靶球进行连接，采用GPS-RTK测量标靶球的实际坐标，将不同测站的点云数据进行拼接。

2.2.1数据采集

(1)分站扫描。根据现场实际情况，在精矿体的4个角点进行设站，分站对精矿进行三维激光扫描，不同测站之间用公共标靶球进行连接，相邻测站之间需有一定的重叠区域，避免数据遗漏。

(2)靶标球测量。为将各测站的扫描数据进行有效拼接，必须确保相邻两站之间至少有3个公共靶球，并用GPS-RTK测量每个靶球中心的绝对坐标。

2.2.2数据处理

2.2.2.1数据拼接

不同测站的扫描数据对应的坐标系各不相同，要得到精矿的整体信息需要对不同测站的原始点云数据进行拼接。本研究选择Z+F Laser Control软件“Register”拼接模块，分别打开每一站数据，查找到站内的球形标靶进行识别，将不同位置的标靶进行编号，并确保多站中同一个标靶的编号相同。所有测站的标靶标识完毕后，选择标靶拼接方式及拼接算法，利用Z+F Laser Control软件的最小二乘算法进行点云拼接，拼接后的点云数据如图5所示。

图5　拼接后的整体点云数据

2.2.2.2坐标转换

拼接后的点云数据采用的是相对坐标系，需要将其转换为绝对坐标。本研究将通过GPS-RTK获取的公共标靶球的绝对坐标数据导入Z+F Laser Control软件“管理已知标识”栏中，将扫描数据转换为绝对坐标(图6)。

图6　导入绝对坐标数据

2.2.2.3噪声点剔除

在数据获取过程中，由于仪器精度、地表反射及其他环境因素的影响，不可避免地会产生一些噪声数据，该类数据的存在会导致整个点云数据含有粗差，影响后期数据建模精度。本研究采用Z+F Laser Control软件的滤波功能对点云数据进行滤波处理，剔除噪声数据。

2.2.2.4数据重采样

三维激光扫描仪采集的原始点云数据量大，间距小，并且不同测站拼接会有重叠区域。若不经过精简，直接建模，将占用大量计算机内存，影响后期数据处理效率，因而有必要对噪声点剔除后的点云数据进行重采样处理，减少数据量。重采样主要有随机采样、等间距采样和整体采用3种方法[9-10]。本研究采用随机采样方法对点云数据进行处理，重采样后的点间距为10～30 cm。

2.2.2.5数据建模

首先对重采样后的点云数据利用Z+F Laser Control软件的“非连接项”和“体外孤点”等功能进一步优化；然后采用Geomagic Studio软件的封装功能进行封装建模，若部分数据缺失，则生成的模型无法完全闭合，此时可以用Geomagic Studio软件的“填充孔”功能进行修补，即可生成完整的精矿三维模型，模型生成后还可利用该软件的“网格医生”功能进行进一步优化，优化后的三维模型如图7所示。

图7　精矿三维模型

2.2.2.6精矿量计算

根据构建的精矿三维模型和设定的平场标高，本研究利用Geomagic Studio软件的体积计算功能计算精矿量。

2.3　对比分析

GPS测量和三维激光扫描测量得到的精矿量见表1。分析表1可知：三维激光扫描与GPS测量所得出的精矿量较接近，但前者获取的点云数据量远远多于后者，据此构建的精矿三维模型更贴合实际，因而计算出的精矿量可靠性较强；此外，三维激光扫描的作业时间仅为GPS测量的1/2，工作效率较高。

表1　精矿盘库测量结果对比

3　结　语

以西石门铁矿为例，提出了一种基于三维激光扫描技术的精矿盘库测量方法，并详细分析了方法原理及实施流程。研究表明：该方法获取的点云信息量大，构建出的精矿三维模型能够真实反映精矿堆存的实际情况，因而据此计算出的精矿量的可靠性优于GPS测量方法，并且该方法的作业效率相对于GPS测量方法而言也有明显优势。

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