论三维激光扫描仪在矿山露天爆破设计中的应用

陈 为，李建文

(中信大锰矿业有限责任公司，广西南宁 530028)

0 前言

三维激光扫描技术是一门新兴的测绘技术，是测绘领域继 GPS技术之后的又一次技术革命[1]。三维激光扫描技术又称“实景复制技术”，能够快速获得完整的原始测绘数据并高精度地重建扫描实物。该技术可以真正做到直接从实物中进行快速的逆向三维数据采集及模型重构，无需进行任何实物表面处理，其激光点云中的每个三维数据都是直接采集目标的真实数据，使得后期处理的数据完全真实可靠。由于在获取空间信息方面提供了一种全新的技术手段，传统的单点采集数据变为连续自动获取数据，从而提高了测量的效率[2]。

文章通过相关实例，介绍三维激光扫描仪的类型、原理和工作方式，分析ILRIS-HD扫描仪的特点和相关技术参数，并利用SURPAC软件对所获取的三维数据进行建模和露天爆破设计，进而讨论三维激光扫描资料后处理的问题及方法。

1 三维激光扫描仪的分类及数据获取方式

对空间信息进行可视化表达，即进行三维建模，通常有2类方法：基于图像的方法和基于几何的方法。基于图像的方法是通过照片或图片来建立模型，其数据来源是数码相机；而基于几何的方法是利用三维激光扫描仪获取深度数据来建立三维模型，这种方法含有被测场景比较精确的几何信息。文章介绍利用三维激光扫描仪建立三维模型的原理和实例[3]。

图1 ILRIS-HD三维激光扫描仪

ILRIS-HD系统简介如下：

ILRIS-HD三维激光扫描仪系统，如图1，由三维激光扫描仪扫描主机、电池、三角架、笔记本电脑、应用软件及其他附件组合组成。在工作时，由扫描仪内部激光脉冲二极管发射的激光脉冲，经过旋转棱镜，射向被测物体，然后通过探测器，接收并记录反射回来的激光脉冲。激光束的垂直偏转角(“线扫描”)，通过一个包含几个反射表面的多面体来控制。通过改变多棱镜的旋转速度可以用来调整扫描速度。此外，可选配备中的转台，能实现测量倾角的调整，使得其能够方便地进行俯视和仰视的测量，实现360(°) ×[-20(°)～90(°)]或者 360(°) ×[-90(°)～20(°)]范围内的自动扫描。而且，该设备采用的激光技术基于距离数字采集L IDAR(Light Distance and Ranging)光传输时间测量方法，符合(Class I，IEC608251)的激光标准，在任何环境下对人体、物体完全安全。

在软件的支持下，能进行快速精确、高效稳定的扫描，同时可以对三维数字模型进行纹理的精确迭加，其分辨率可高达毫米量级。利用 ILRIS-HD三维激光扫描仪能够在较短的时间内对感兴趣的区域，楼房，桥梁，室内等获取详尽的、高精度的三维立体影像图数据。利用强大的后期处理软件，如Poly-Works，将得到的数据根据用户的需要，制作出极为丰富的三维立体空间模型(CAD)，立体影像(MA YA)及三维定量分析。

2 ILRIS-HD主要技术参数

ILRIS-HD主要技术参数如表1所示。

表1 ILRIS-HD主要技术参数

3 ILRIS-HD数据采集

以广西下雷锰矿区西北采场为例进行数据扫描，共扫描西北采场共4层台阶。使用 ILRIS-HD为长距离高精度三维激光扫描仪，由三维扫描仪原理，扫描的内容和距离成正比，离台阶越远，扫描内容越多，因此架站扫描的时候可以距离台阶远一点，这样可以减少架站次数，节约时间。本次共架设并移动仪器2次，共扫得13个场景数据。

4 扫描数据处理

扫描获得的数据以图片格式存储，需要使用Optech公司配送的专用软件进行解压，该软件能够加上RGB色彩，让点云显示扫描拍照时的色彩。对于解压后的数据处理，需要用 Ployworks逆向建模软件。首先使用Ployworks中“开始对齐模块”进行扫描数据拼接，拼接时每幅数据之间最好要保证30%左右的公共部分，且拼接时最少要寻找3个以上特征点，拼接好的数据如图2。

图2 西北采场扫描数据

5 截取数据进行爆破设计

1)截取需要爆破的台阶点云数据，导入SURPAC后建模得到台阶模型(见图3)。

图3 西北采场某段台阶

2)以台阶模型为顶，以固定标高为底建立钻孔模型(本设计设定台阶高度10 m)，这样得到的钻孔模型较符合实际情况。

3)软件装药计算，按照实际情况，从孔口开始往下装药，炸药的密度，雷管的型号、延时等都可以事先预设好。然后设置好点火顺序。

4)计算爆破影响的边界范围，得到爆破边界线，再以爆破边界线文件为边界，以台阶模型为顶，以固定标高为底得到一个封闭的爆破体模型(见图4)。

图4 爆破体模型

5)出最终报告。

最终报告如表2所示。

表2 最终报告

6 分析与结语

实验所建立的三维模型通过Polyworks软件处理后，具有较高精度。要使三维模型发挥更大作用，可将建立的三维模型导入SURPAC中进行矢量化建模，明确对象的相对坐标，从而应用于实际工程中。实验取得了一些经验，也发现了需要解决问题。

1)对于大型建筑物或场景，扫描站点的布设十分重要，既要保证数据不能缺失，又要不能让数据过分冗余，造成不必要的工作量。

2)对于大型场景或高大建筑物等被测对象需要放置标靶，通过Polyworks软件将其拼接，要保证拼接的精度，必须保证数据质量，并尽量减少数据的缺失。

三维激光扫描仪可以快速获取空间均匀密布且精度较高的点云三维坐标数据信息，具有相当大的应用潜力和市场需求。论文对利用ILRIS-HD三维激光扫描仪建立三维模型进行爆破设计的初步尝试，还有许多工作尚待完成。例如，将项目坐标系快速转换为全球坐标系，真正使其应用于测量领域；模型的快速矢量化处理等等，都需要在今后的工作中不断深入研究，以求得更多成果。

[1]马立广.地面三维激光扫描仪的分类与应用[J].地理空间信息，2005，3(3)：60-62.

[2]余明，丁辰，过静.激光三维扫描技术用于古建筑测绘的研究[J].测绘科学，2004，29(5)：69-70.

[3]李光玉，刘雁春.基于Arc GIS的航道三维可视化关键技术研究[C]//第21届海洋测绘综合性学术研讨会论文集.2009.