利用激光点云数据计算采石场开采量方法研究

谢宏全，徐瑞基，龙 辉，卢 霞，王 晨

(1.淮海工学院 测绘与海洋信息学院，江苏 连云港 222005；2.海岛(礁)测绘技术国家测绘地理信息局重点实验室，山东 青岛 266590；3.江苏万源测绘地理信息有限公司，江苏 连云港 222001；4.地球化学勘查与海洋地质调查研究院，江苏 南京 210007)

利用激光点云数据计算采石场开采量方法研究

谢宏全1,2，徐瑞基1，龙 辉3，卢 霞1，王 晨4

(1.淮海工学院 测绘与海洋信息学院，江苏 连云港 222005；2.海岛(礁)测绘技术国家测绘地理信息局重点实验室，山东 青岛 266590；3.江苏万源测绘地理信息有限公司，江苏 连云港 222001；4.地球化学勘查与海洋地质调查研究院，江苏 南京 210007)

采石场开采量计算，由于传统测量方法存在获取数据量少、精度低、复杂地形获取数据困难等问题，利用激光点云数据计算采石场开采量具有重要的研究意义。选择李庄采石场作为研究对象，利用徕卡C10获取点云数据，运用Cyclone软件对点云数据进行预处理，Geomagic软件对预处理数据进行精简。采用Cyclone，HD-3LS-SCENE,CASS软件对开采量分别进行计算，详细对比分析计算结果。研究结果表明：三种软件可满足工程需要。Cyclone软件计算精度最高，CASS软件操作快捷方便。根据软件多种性能指标的对比研究，确定采石场开采量行之有效的计算方法。

点云数据；Cyclone；采石场；开采量；精度

利用三维激光扫描技术可以获得高密度点云数据进行体积计算，解决了复杂矿山开采与储量的测量精度问题。近年来国内一些学者进行了相关研究，主要成果：任恒星[1]针对采用拓普康IS影像三维扫描全站仪获取高精度的激光点云数据构造不规则三角网计算土方量的方法进行了试验研究；苏春艳等[2]采用Lecia HDS ScanStation2以工程堆积的垃圾为实例，对堆积物体积计算的流程与方法进行了研究；张荣华等[3]研究表明：基于三维激光扫描技术的土方量算满足精度要求，给出了在土方量算应用中的相关定量指标。目前采用地面三维激光扫描技术针对采石场的开采量变化研究非常少，计算方法也不太相同。本论文的研究目的在于寻找一种比较好的计算方法，利用徕卡C10获取李庄采石场的点云数据，采用Cyclone与Geomagic软件处理数据，利用Cyclone、HD-3LS-SCENE、CASS软件求取采石场开采量并对计算结果进行对比分析。

1 研究区概况与点云数据获取

1.1 研究区概况

李庄采石场位于连云港市连云区云山街道办事处李庄村李庄水库北侧，采石场道路交通便利，西侧有连霍高速公路和陇海铁路，南侧有一个水库。采石场是一座孤立的矿山，比较空旷，行人和车辆经过较少。由于开采的缘故，导致采石场地貌形状不规则, 地面起伏比较大，裸露断面岩石表面树木和杂草较少(见图1)。

图1 采石场断面外观

1.2 点云数据获取

2006年江苏万源测绘地理信息有限公司RTK方法测绘1：2000地形图记录2006年以后采石场开采量的详细数据。为了达到扫描的目的和精度要求，结合李庄采石场的环境和地形本身复杂的结构特点，徕卡C10扫描仪获取数据的特点，决定采用全站仪模式对采石场进行扫描[4]。

为了保证前后两期坐标的一致性，两期数据都是利用江苏CORS系统，利用RTK测量控制点坐标。根据采石场的地形和范围，2015年11月17日，由江苏万源测绘地理信息有限公司利用RTK测量三个控制点的坐标数据，根据地形情况，将扫描路线设置为闭合导线[5]，共有导线点12个，每站架设仪器进行扫描，采用中等分辨率[6](10 cm/100 m)，每站操作时间大约为30 min，大约测量7 h完成采石场的数据采集工作。

2 点云数据预处理

2.1 噪声处理与范围的统一

将扫描的激光点云数据导入徕卡C10随机数据处理软件Cyclone8.0[7-9]，对软件自动拼接的点云数据进行质量检查，证明点云数据完整可用。利用软件去噪功能，通过放大与旋转操作，对研究区域外点云粗略删除[10-11]。

计算采石场开采量利用RTK测量的数据与三维激光扫描的点云数据进行对比，在进行数据处理时，要保证两者范围的一致性，主要以2006年地形图数据为基准，利用CASS软件确定范围边界线，将处理后的数据保存为txt格式文件，再导入Cyclone软件，删除研究区域范围以外的点云数据。

2.2 点云数据均一化处理

为了与2006年地形图数据精度上大致保持相同，对三维激光扫描的数据进行抽稀处理。在Cyclone软件中，对点云数据进行均一化处理。为了与传统方法保持精度基本一致，便于数据间的研究对比，确定点云间隔为5 m进行点云均一化处理(见图2)。

图2 点云数据均一化处理结果

2.3 点云数据的精简

利用Cyclone软件对点云数据去噪处理后，点云数据仍然存在一些噪声点、体外孤点等影响点云质量的因素，可以采用Geomagic软件进行点云数据的精简[12]。将Cyclone软件处理得到的结果保存为xyz格式文件，在Geomagic软件进行数据精简的主要过程[13-14]：“数据导入—点云数据着色—去除体外孤点及非连接项—减少噪音—数据采样—数据封装”，将处理后的数据保存为vtx格式文件。

3 采石场开采量的计算

根据相关研究文献，可以采用不同软件计算采石场开采量。本研究选择Cyclone、HD-3LS-SCENE、CASS三种软件求取采石场开采量，以精简后的点云数据为数据源，对三种软件求取开采量的方法做简要介绍。

3.1 Cyclone软件求取开采量

Cyclone软件是徕卡三维激光扫描仪的配套软件，具有处理点云数据与建模的功能。 依据Cyclone软件提供的计算体积的功能，不能将两期的数据直接进行叠加求差值，需要分别计算每期的体积，然后求差，差值即为采石场开采量[15]。

Cyclone软件求取体积的主要技术：将Geomagic精简处理后的vtx格式文件后缀修改为txt格式，然后打开文件，选择所有点云数据，创建TIN模型[16-17]；执行“Tool—measure—TIN Volume”命令，软件自动计算点云到参考面的挖方量和填方量，其中挖方量(Cut Volume)为1 252 641 m3即为计算开采量所需要的数据。

因为两期数据计算挖方量的差值为开采量，要求取2006年数据的挖方量，因为提供的2006年的数据文件格式是dat格式，将dat格式的文件转换为txt格式，再导入Cyclone软件，按照以上方法，计算挖方量为1 006 949 m3，将两期的挖方量求差值即为采石场开采量，将计算结果填入表1中。

3.2 HD-3LS-SCENE软件求取开采量

HD-3LS-SCENE软件是武汉海达数云技术有限公司自主研发的点云数据处理软件，该软件支持点云渲染、点云选择、量测分析、堆体体积计算。此次研究主要是根据需求以及数据的密度，设置网格大小，求取每一期堆体体积，然后做差，差值即为采石场的开采量。

HD-3LS-SCENE软件主要技术思路：将Geomagic精简处理后的vtx格式文件后缀修改为txt格式，再用Cyclone软件打开，保存为xyz格式文件。利用HD-3LS-SCENE打开导入经Cyclone软件处理后的xyz格式文件，保存为hls文件，再打开hls格式文件，转换为proj.hls格式文件，通过软件加载proj.hls格式文件，点击菜单中“点云分析”设置投影点云参数生成DEM，求取体积，3D体积587 288 m3即为求取的体积。

将2006年dat格式的数据利用Excel表格处理转换为txt格式文件，再导入Cyclone软件，然后保存为xyz格式文件，按照上述求取体积的步骤求取2006年地形图数据的体积，结果为342 501 m3，两期体积差值为采石场开采量，计算结果填入表1中。

3.3 CASS软件求取开采量

CASS软件是南方数码科技股份有限公司基于CAD平台开发的一套集地形、地籍、空间数据建库、工程应用、土石方量算等功能为一体的软件系统。CASS提供了多种土方计算方法，对不同工程条件可灵活地采用合适的土方计算模型[18]。

CASS软件主要技术思路是：将Geomagic精简保存的5 m抽稀点云数据vtx格式文件后缀修改为txt格式，再利用Excel表格将txt格式文件转换为dat格式文件保存，利用CASS软件打开dat格式文件，将数据转换为jws格式文件，根据江苏万源测绘地理信息有限公司提供的2006年dat格式文件，利用CASS软件将数据转换为jws格式文件。

在CASS软件选择DTM法计算两期土方[19]，利用两期三角网文件系统计算土方量，填方量247 736 m3即为求取的开采量，将结果填入表1中。

4 开采量统计与分析

4.1 开采量结果统计

三种软件求取的采石场开采量及相应的数据处理如表1所示，其中VCY，VHD，VCA分别为Cyclone，HD-3LS-SCENE，CASS三种软件求取的开采量。V为开采量的平均数，△VCY，△VHD，△VCA分别为三种软件求取的开采量与开采量平均数之差取的绝对值。△VCY/V，△VHD/V，△VCA/V为三种软件计算结果与平均数之差与平均数的比值。VRTK为2015年利用RTK测量的数据在CASS软件中求取的开采量。

表1 开采量计算结果统计

4.2 开采量计算结果分析

针对以上计算结果，从计算开采量的技术可行性、计算的精度、软件操作的难易程度等方面进行对比分析，三种软件性能分析结果如表2所示。

针对三种软件的性能及计算开采量结果的精度，详细的对比分析阐述如下：

1)Cyclone软件。Cyclone软件是具有较高知识产权的随机数据处理软件，普通用户获取难。该软件的界面与软件说明书都是英文的，如果没有专门的培训或相关人员的指导，软件使用上比较困难。操作步骤比较繁琐，软件功能比较强大，能够计算采石场开采量。由表1数据统计看出：Cyclone在计算开采量方面误差较小。对比三种软件可知：Cyclone软件在求取开采量方面精度最高，满足工程测量需要。

表2 软件性能对比结果

2)HD-3LS-SCENE软件。HD-3LS-SCENE软件在获取方面比较困难，正版软件花费较高，软件试用期都是短暂的。软件操作上比较复杂，计算时间需要40 min，在三种软件中计算速度最慢。在精度方面，由表2统计结果看出：相比于其他两个软件，在相同的条件下，精度最低，因此在对精度要求不是很高的情况下，能够使用HD-3LS-SCENE软件计算开采量。

3)CASS软件。该软件运用比较普遍，能够识别多种格式的数据文件。该软件操作简单快捷，在短时间内求取土方量，而且在求取两期土方量的过程中，实现一步到位，减少了后期大量的手工计算。在计算精度方面，由表2统计结果看出：CASS软件获取较高的精度，所以在精度要求不是很高的情况下，CASS软件能够快速求取体积，作为优先考虑的软件。

5 结束语

通过对李庄采石场2006—2015年间开采量计算结果表明：利用激光点云数据的采石场开采量计算技术可行、精度满足工程需要。Cyclone软件使用难度大，但是操作简单，计算结果精度较高；HD-3LS-SCENE操作复杂，计算时间长，计算精度一般，可以满足不同要求的需要。激光点云对于开采量的计算具有一定的应用前景，如果获取多期的点云数据，计算结果的精度能得到较大提高；CASS软件操作简单，计算时间短，计算精度满足多数工程的需要。

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[责任编辑：李铭娜]

A method of calculating exploitation amount of quarry based on laser point cloud data

XIE Hongquan1,2, XU Ruiji1,LONG Hui3, LU Xia1，WANG Chen4

(1.School of Geomatics and Marine Information,Huaihai Institute of Technology, Lianyungang 222005,China; 2.Key Laboratory of Surveying and Mapping Technology on Island and Reef, National Administration of Surveying, Mapping and Geoinfomation, Qingdao 266590,China；3. Jiangsu Wanyuan Mapping Geographic information Co., Ltd., Lianyungang 222001, China;4.Institute of Geochemical Exploration and Marine Geological Survey,ECE,Nanjing 210007,China)

As to calculating the amount of quarry exploitation, there are some disadvantages for traditional methods such as small data volume, low accuracy, and difficult access to data for complex topography. Comparatively, using laser point cloud data exploitation of quarry is of great significance. Lizhuang quarry is chosen as the object of study, then the point cloud data is obtained by using Leica C10, and the cloud data is preprocessed by Cyclone software, for which the data is compressed by Geomagic software. Then, the exploitation amount of quarry is calculated using Cyclone, HD-3LS-SCENE, CASS software respectively, and the result is compared in detail. Research result indicates that three kinds of software can meet the project demand. Computation accuracy based on the Cyclone software is the highest, while the accuracy by using CASS software is rapid and available. According to the comparative study of various performance indexes of the software, the effective calculation method of quarry mining amount is determined.

point cloud data; Cyclone; quarry; exploitation amount; accuracy

著录：谢宏全，徐瑞基，龙辉，等.利用激光点云数据计算采石场开采量方法研究[J].测绘工程，2017，26(11)：41-44.

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2017.11.009

2016-11-17

国家自然科学基金资助项目(41506106)；海岛(礁)测绘技术国家测绘地理信息局重点实验室资助项目(2014B09)；江苏省海洋科学技术优势学科建设项目(2014137)

谢宏全(1964-)，男，教授，博士.

P225.2

A

1006-7949(2017)11-0041-04