CN107644119A - 一种基于三维扫描点云的半孔率自动计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于爆破技术领域，具体为一种基于三维扫描点云的半孔率自动计算方法，扫描获取爆破后岩壁面的空间信息，得到点云数据，拼合成三维模型；将炮孔的信息导入到模型中，生成炮孔轴线并修正到实际的轴线位置，识别并提取炮孔孔痕所在的点云；计算孔痕上的点到炮孔轴线的距离D，判断D与阈值D₀的大小关系，得到所有半孔上的点；生成垂直于炮孔轴线且等间距的平面，面与半孔相交，根据所交的点，拟合其组成的圆弧，计算圆弧长度C，判断C与阈值C₀的大小关系，得到所有完整半孔段；统计完整半孔段的个数，乘以平面间距的设定值，得到全部半孔长度L₁，计算L₁与炮孔总长度L的比值，得到该次爆破的半孔率。本发明工作量小、误差小、效率高。

Description

一种基于三维扫描点云的半孔率自动计算方法

技术领域

本发明属于爆破技术领域，具体为一种基于三维扫描点云的半孔率自动计算方法。

背景技术

在台阶爆破中，预裂爆破和光面爆破对于关键部位的开挖，起到非常重要的作用，其中，半孔率是评价预裂爆破和光面爆破效果的一项重要指标。

半孔率也称炮孔痕迹率，为开挖壁面上的炮孔痕迹总长与炮孔长的百分比。

在计算半孔率方面，传统的方法是手工皮卷尺测量，手工计算，这在工程应用中存在误差大、作业环境危险以及效率低下等缺点，测量的数据可靠度较低，不足以全面评价预裂爆破和光面爆破的效果。利用人工皮卷尺测量每一段完整半孔长度，然后手工将所有半孔长度相加，得到开挖壁面上的炮孔痕迹总长，除以炮孔长度，得到开挖壁面的半孔率。

该方法：1、工作量大：需要人工攀爬测量岩壁上的半孔长度，而在实际工作中，炮孔数量很多，导致需要测量的半孔工作量很大。

2、误差大：因为是人工用皮卷尺测量，测量工具落后，且存在人为操作上的的不准确，导致测量计算误差大。

3、作业环境危险：在实际测量工作中，需要人工攀爬至近乎垂直的岩壁上，且岩壁高度很高，给人工测量工作带来不便的同时也威胁着测量人员的安全。

申请号为201410467656.4，申请公布号为CN 104217199A的中国发明专利公开了一种基于近景摄影测量技术的半孔率统计方法：采用近景摄影测量技术对爆破后岩壁面进行非接触测量，获取壁面空间三维信息，建立壁面三维数字高程模型。通过影像识别技术，划分炮孔的孔痕，并根据孔痕在壁面上的不平整度来划分每一个炮孔半孔的长度。统计所有炮孔的半孔信息，计算得出评价此次爆破效果的半孔率。

该方法：1、测量精度差：由于该方法并非直接获取对象坐标，而是通过集合计算利用二维数码影像反算对象空间坐标，因此测量精度差。

2、工作环境要求高：因为是通过摄影机拍摄岩壁面的相片，所以对现场的光线条件要求较高，光线较差时无法进行工作。

3、对图像的处理繁琐：摄影测量技术在后期需要对图像经行人工拼接和矫正，此工程耗时较多。

4、自动化程度低：近景摄影测量技术对炮孔痕迹的识别和炮孔痕迹长度的统计都是手动完成，在实际半孔率统计中，炮孔数很多，手动操作费时费力。

发明内容

提出一种基于三维扫描点云的半孔率自动统计计算方法，解决传统测量计算过程中对于半孔率统计计算方法中存在的工作量大、误差大，效率低的缺陷。

具体技术方案如下：

一种基于三维扫描点云的半孔率自动计算方法，包括以下过程：

步骤1：用三维激光扫描仪分多站扫描获取爆破完成后整个岩壁面的空间信息，得到爆破后岩壁面的点云数据；

步骤2：将扫描得到的三维点云导入到点云处理软件中，通过点云拼接将各站扫描点云拼合成一幅完整的岩壁表面三维点云模型，并通过坐标转换将岩壁面三维点云模型转换成大地坐标；

步骤3：将炮孔的设计定位坐标、轴线方位及长度信息导入到三维点云模型中，并自动生成炮孔轴线，作为后续炮孔自动识别的参考；

步骤4：利用点云算法软件，通过最小二乘法将炮孔设计轴线方位修正到实际爆破完成后的轴线位置，并且以修正后的炮孔轴线为参考自动识别圈定并提取岩壁三维点云模型上的炮孔孔痕所在的点云区域；

步骤5：计算炮孔孔痕上的点到炮孔轴线的空间距离D，判断炮孔孔痕上点到炮孔轴线的距离D与设定的阈值D₀之间的大小关系：当距离D大于设定的阈值D₀时，排除该点；当距离D不大于设定的阈值D₀时，将该点计入为半孔上的点。按上述方法依次判断所有炮孔孔痕上点是否为半孔上的点。

步骤6：生成一系列垂直于炮孔轴线且间距为设定值的平面，面与半孔相交，根据所交的点，拟合这些点所组成的圆弧，计算圆弧长度C，当相邻两个面所计算的C值均不小于设定的阈值C₀时，认为这两个面之间的半孔段是完整的；否则，认为该半孔段是不完整的；

步骤7：统计所有完整半孔段的个数，乘以平面间距的设定值，得到所有的半孔长度L₁，计算L₁与炮孔总长度L的比值，得到该次爆破岩壁面的半孔率。

本发明提供的一种基于三维扫描点云的半孔率自动计算方法，带来的有益效果有：

1、工作量小：不用传统人工逐段手工测量计算，也没有近景摄影测量技术中对于图像的矫正、拼接以及逐个半孔长度计算累加等过程，本发明中的插件在输入点云数据后自动完成识别计算的全过程。

2、误差小：三维激光扫描的精确度可以到达100m的测距仅1mm的误差，人工测量时，每一个半孔长度的测量误差都是厘米级的，在累加的过程中误差会越积越大。

3、效率高：软件自动完成识别计算的全过程，只需将点云数据导入点云处理软件中，设定一系列的参数值就可以得到半孔率的结果。

附图说明

图1是实施例炮孔轴线的自动生成和矫正示意图；

图2是实施例以矫正后炮孔轴线为参考圈定的孔痕所在点云区域示意图；

图3是实施例炮孔点云的自动识别示意图。

具体实施方式

结合实施例说明本发明的具体技术方案。

如图1到图3所示，首先运用在某水电站地下厂房高边墙爆破开挖过程中的半孔率自动识别计算上。在打爆破孔之前，爆破设计人员会给出爆破孔的定位坐标、方位、直径、长度等信息。本案例中直径d＝76mm，长度l＝8m。

(1)用三维激光扫描仪分多次扫描某水电站地下厂房高边墙爆破开挖后的岩壁面，获取岩壁面的点云数据。

(2)将获取的点云数据导入到点云处理程序中，通过点云拼接将各站扫描点云拼合成一幅完整的岩壁表面三维点云模型，并通过坐标转换将岩壁面三维点云模型转换成大地坐标。

(3)将炮孔的设计定位点P_i的坐标、轴线方位及长度等信息导入到三维点云模型中，生成炮孔轴线L_i。通过最小二乘法将炮孔设计轴线方位修正到实际爆破完成后的轴线位置，根据修正后的炮孔轴线自动识别出炮孔孔痕所在的点云。如图1所示，该次爆破岩壁面上，输入的炮孔轴线的起点为P₁～P₆，形成炮孔轴线6条，分别为L₁～L₆。炮孔总长度L为48m。

(4)以炮孔轴线为中轴线，半径r＝100mm，作圆柱面并与点云相交，圆柱面之内的点云即是炮孔孔痕所在点云区域。

(5)计算炮孔孔痕所在区域上点到炮孔轴线L_i的空间距离D，设计阈值D₀＝40mm，当距离D大于设定的阈值D₀时，排除该点；当距离D不大于设定的阈值D₀时，则将该点计入为半孔上的点。

(6)根据炮孔轴线的方程，生成一系列垂直于炮孔轴线且间距为0.05m的平面，面与半孔相交，根据所交的点，拟合这些点所组成的圆弧，计算圆弧长C，设定圆弧长的阈值C₀＝55mm，当相邻两个面所计算的C值均不小于设定的阈值C₀时，认为这两个面之间的半孔段是完整的；否则，认为该半孔段是不完整的。图3中黑色线条部分为识别出的所有完整半孔段。

(7)统计所有完整半孔段的数量为624个，计算所有完整半孔段长度L_w＝624*0.05m＝31.2m，半孔率为L_w/L＝31.2/48＝65％。

Claims (1)

1.一种基于三维扫描点云的半孔率自动计算方法，其特征在于，包括以下过程：

步骤1：用三维激光扫描仪分多站扫描获取爆破完成后整个岩壁面的空间信息，得到爆破后岩壁面的点云数据；

步骤2：将扫描得到的三维点云导入到点云处理软件中，通过点云拼接将各站扫描点云拼合成一幅完整的岩壁表面三维点云模型，并通过坐标转换将岩壁面三维点云模型转换成大地坐标；

步骤3：将炮孔的设计定位坐标、轴线方位及长度信息导入到三维点云模型中，并自动生成炮孔轴线，作为后续炮孔自动识别的参考；

步骤4：利用点云算法软件，通过最小二乘法将炮孔设计轴线方位修正到实际爆破完成后的轴线位置，并且以修正后的炮孔轴线为参考自动识别圈定并提取岩壁三维点云模型上的炮孔孔痕所在的点云区域；

步骤5：计算炮孔孔痕上的点到炮孔轴线的空间距离D，判断炮孔孔痕上点到炮孔轴线的距离D与设定的阈值D₀之间的大小关系：当距离D大于设定的阈值D₀时，排除该点；当距离D不大于设定的阈值D₀时，将该点计入为半孔上的点。按上述方法依次判断所有炮孔孔痕上点是否为半孔上的点。

步骤6：生成一系列垂直于炮孔轴线且间距为设定值的平面，面与半孔相交，根据所交的点，拟合这些点所组成的圆弧，计算圆弧长度C，当相邻两个面所计算的C值均不小于设定的阈值C₀时，认为这两个面之间的半孔段是完整的；否则，认为该半孔段是不完整的；

步骤7：统计所有完整半孔段的个数，乘以平面间距的设定值，得到所有的半孔长度L₁，计算L₁与炮孔总长度L的比值，得到该次爆破岩壁面的半孔率。