基于点云数据的露天矿坑特征线自动生成方法的应用

袁睿栋 杨新锋 王 磊 李思齐

(1.长沙迪迈数码科技股份有限公司；2.刚果科米卡矿业简易股份有限公司)

三维激光扫描和无人机航拍技术作为一项新兴的测绘技术，是继GPS技术之后在测绘领域的又一次技术革命[1]。由于具有安全系数高、功能多样化、精度高、灵活性强、高度集成等特点，已经被越来越多矿山关注和引进。

无人机航测和三维激光扫描技术实现了露天矿精确地形信息数据快速采集，其成果通过相应处理软件(ContextCapture、PIX4D、Smart3D、photoscan、山维EPS等)将DOM正射影像和DEM镶嵌生成高分辨率、高精度的DSM点云数据[2]。

目前露天矿DSM数据主要应用于地形图绘制、三维DEM建模、测量验收和边坡变形监测等方面，应用于设计和生产管理较少。主要原因在于露天矿采矿设计、计划编制、区块设计、爆破设计、矿块划分等业务均以露天矿坑台阶和道路坡顶底线等主要特征线为支撑。国内外关于点云数据特征提取做了大量研究，有基于点云数据分类插值自动生成高程特征点[3]，有通过滤波和点云聚类法实现道路点云的提取[4]，有通过Canny边缘检测算法提取建筑物边缘[5]，也有相应软件如polyworks、CASS等提供了多种提取几何体特征方法，如线缆追踪、颜色追踪、边缘追踪和阶梯边缘追踪等。关于露天矿坑主要特征线提取的研究比较少，目前提取手段主要是依据DSM模型手工绘制，存在时效性低、工作量大等问题，制约了DSM数据在露天矿的深层次应用。

本文提出基于露天矿坑点云数据的台阶和道路坡顶底线自动生成方法，为露天矿设计和生产管理提供高效、可靠的数据支撑。

1 露天矿坑点云DEM模型构建

传统上，露天矿现状地表DEM模型构建主要是利用全站仪、RTK等测量手段形成的测点数据和现场测量素描记录，手工描制形成台阶顶底线和道路线等。以高程点、台阶顶底线和道路线等数据进行露天矿坑DEM建模。

基于无人机航测和三维激光扫描的DSM点云数据构建露天矿坑DEM模型，通过对点云数据去噪、抽稀、均化等处理，进行露天矿坑DEM模型生成，见图1。

图1 露天矿坑DEM模型

2 基于DSM点云自动提取矿坑特征线

地形图测量DSM数据主要提取等高线、高程点、道路和主要构筑物，研究重点在于构筑物特征线和特征点的提取[6]。而露天矿坑有其特有的构成结构，从几何构成来说分成台阶面、平台、道路面、道路坡面4类。根据露天矿现状DEM中三角网的特点，道路坡面、台阶面的三角网倾角会有明显的区分。DEM模型按三角网倾角着色，见图2。

图2 DEM模型按三角网倾角着色示意

结合岩石或岩体稳定性条件，露天矿台阶设计坡面角一般取值范围在50°～75°，实际台阶坡面角一般要小于设计值。通过对露天矿坑点云DEM模型三角网倾角分布规律分析，其整体分布特征均呈多峰分布，台阶坡面、道路和平台面坡度分界的临界值一般在30°，可以作为三角网过滤阈值，这也仅属于露天矿坑和排土场独有的特点。

针对露天矿坑DEM数据分类特点，提出根据倾角筛选三角网进行台阶面和道路面分离的方法，见图3。

图3 点云数据提取露天矿坑特征线流程

DEM模型三角网倾角计算原理见图4，计算流程如下：

(1)建立DEM模型的三角网。

(2)提取各个三角网的3个顶点坐标。

(3)通过顶点坐标计算出该三角网的法向量N→,由3个顶点坐标P1(x1、y1、z1)，P2(x2、y2、z2)，P3(x3、y3、z3)可以求出该平面的2个交叉向量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个顶点坐标可以求出该平面的2个交叉向量A→(a,b,c),B→(d,e,f),由于法向量N→(x,y,z),与该平面的2个向量点乘为零，可列出方程

令z=1，可以解出x,y，进而求出法向量N→。

(4)计算N→与Z轴的倾角，得到β。

(5)得到该面片的倾角γ(90°-β)，且β=α。

(6)设置给定的倾角阈值约束，应用此法提取DEM模型中所有小于该倾角值的三角网。

(7)对筛选出的三角网，应用轮廓线提取函数提取出坡顶底线。

(8)由于点云数据的复杂性，仅依据倾角阈值自动提取出露天坑特征线，会存在孤立闭合线、折角、过密等，通过对特征线过滤、抽稀、清理异常等处理，去除空间重叠，进一步满足工程要求。见图5。

图4 三角网倾角计算示意

图5 自动提取露天矿坑特征线优化

3 工程应用

3.1 测量内业处理

目前许多测量内业处理软件(山维EPS)提供了基于DSM模型提取高程点和生成等高线功能[7]，为地形图绘制提供了很大便利。大型露天矿或台阶多时则内业作图工作量非常大，而通过露天矿坑特征线自动提取则可以大幅提升测量内业处理效率。见图6。

图6 点云数据露天矿坑特征线自动提取

3.2 采矿设计优化

露天开采境界三维设计已成为主流，矿山单位在只有境界设计模型情况下，要进行设计修改或优化，必须先提取出设计境界台阶和道路坡线。上述手段可自动完成提取以支撑设计优化。见图7。

图7 设计模型台阶坡顶底线自动提取

3.3 采剥进度计划编制

无论是采用传统手工编制还是应用三维矿业软件编制露天矿采剥进度计划[8]，其核心是通过对计划线(开采范围边界线)、台阶坡顶底线的操作完成采掘带圈定、斜坡道设计等，结合矿块模型，进行矿岩量、品位、剥采比计算和调整。所以只有实现露天矿坑特征线自动提取，才可以将DSM数据与采剥计划编制、斜坡道设计工程应用有效衔接。见图8。

图8 露天采掘带圈定

3.4 爆破设计

自动提取露天矿特征线可以定义爆区范围，利用三维矿业软件进行台阶炮孔布置、预裂孔布置、起爆网络设计和爆破模拟分析等[9]。以露天矿点云DEM为约束进行爆破设计，所布炮孔孔口均会落在DEM面上，孔口高程位置更精确，结合钻机精确定位技术，可以实现孔深精确控制[10]，为露天矿山爆破质量提升提供了技术支撑。见图9。

图9 露天爆破设计

4 结 论

本研究在对露天矿点云DSM数据特点分析基础上，提出以三角网倾角阈值分离露天坑DEM与自动提取露天坑主要特征线的方法，并在DIMINE软件中开发实现。露天矿台阶和道路坡顶底线等主要特征线的自动提取实现了点云数据与三维矿业软件在露天矿采矿设计、区块划分、计划编制、爆破设计等工程应用衔接，可大幅提升工作效率。鉴于无人机倾斜摄影、三维激光扫描技术先进性以及矿山的广泛需求，该技术的研究对于露天矿数字矿山建设与精细化管理具有重要现实意义。