CN111125901A - 一种基于激光扫描的三维爆破可视化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光扫描的三维爆破可视化设计方法。本发明方法基于三维激光扫描修正理想状态下的边坡台阶面模型方法，和基于布尔逻辑算法的边坡开挖三维模型图建立方法，建立边坡三维地质模型；采用了基于孔阵列布设与反投影算法的爆破孔修正布设方法进行边坡模型修正和爆破设计。本发明设计方法突破了传统的二维设计，实现了爆破三维可视化精细设计，同时可以在每次爆破完成后快速获取边坡实时精准三维模型，修正由于上一层爆破的残孔、超爆对下一层爆破设计的影响，爆破设计的准确性大大提高，并能够为下一次精细爆破设计提供保障。

Description

一种基于激光扫描的三维爆破可视化设计方法

技术领域

本发明属于工程爆破技术领域，适用于边坡岩体爆破施工技术，涉及一种基于三维激光扫描的边坡三维爆破精细可视化设计方法。

背景技术

边坡开挖的爆破设计直接关系到边坡开挖质量和工程量，是边坡开挖工程的关键所在。常规的爆破设计采用基于CAD的二维设计，很难反映边坡爆破的实际情况，尤其是上一次爆破后，不可避免的会留下残孔、超爆等现象，对下一次的爆破有很大影响，而常规的二维爆破设计无法考虑这些问题。

采用CAD获取边坡的平切图，然后在平切图上进行布孔、连线等爆破设计。这种方法将每一层爆破面简化为理想平面模型，很难反映上一层爆破留下的残孔或超爆现象等对下一层爆破面的影响问题。

基于爆破专业人员现场踏勘的改进爆破设计方法，该方法通过爆破专职人员对现场踏勘，对每层爆破布孔、连线方案等进行优化设计。该方法能一定程度上弥补常规设计对上一层爆破残孔对下一层爆破面影响考虑不足的问题，但是该方法严重依赖爆破专职人员的技术水平，不利于推断。

发明内容

本发明根据现有技术的不足公开了一种基于激光扫描的三维爆破可视化设计方法。本发明要解决的问题是利用三维激光扫描获取边坡精细三维模型，在精细三维模型基础上进行三维爆破精细可视化设计。

本发明通过以下技术方案实现：

一种基于激光扫描的三维爆破可视化设计方法，其特征在于：

基于三维激光扫描修正理想状态下的边坡台阶面模型方法，和基于布尔逻辑算法的边坡开挖三维模型图建立方法，建立边坡三维地质模型；

基于孔阵列布设与反投影算法的爆破孔修正布设方法进行边坡模型修正和爆破设计。

本发明方法包括以下步骤：

步骤1、采用三维激光扫描，获取边坡的精细化几何点云信息；

步骤2、采用NURBS建模算法，建立边坡高精度表面模型；

步骤3、根据对多源地质数据进行综合分析，获得以地质剖面为表现形式的解析结果，为地质界面NURBS曲面的准确建立提供重要的数据源；根据结构面产状信息，建立其空间体域集合的拓扑关系并构造B-Rep三维实体模型，通过与边坡表面NURBS曲面进行布尔运算，保留坡面以内部分结构面，得到边坡三维地质模型；

步骤4、根据边坡开挖设计方案，将边坡轮廓线在三维空间展开成三维DTM表面，并与步骤3建立的边坡三维地质模型做布尔逻辑轮算，获得边坡开挖轮廓边界；

步骤5、根据爆破台阶设计要求，设计台阶面的宽度、高度，建立台阶面，并与模型做布尔逻辑运算，切割出理想状态下边坡的开挖三维模型图；

步骤6、第一层开挖时，直接在上述建立的模型上进行炮孔设计；

步骤7、从第二层爆破开始，采用三维激光扫描对上一层爆破完成后的边坡面进行再次扫描，获取上一层爆破完成后的三维几何信息，修正步骤5中理想状态下的边坡模型；

步骤8、对修正后的边坡进行精细化爆破设计，初始炮孔设计仍按步骤6进行。

所述步骤2采用NURBS建模算法建立边坡高精度表面模型，包括以下步骤：

(21)提取步骤1中三维激光扫描获取的数据点集，通过插值将不均匀的点集转化为按一定步长均匀分布数据点集；

(22)求解数据点集所确定曲面的权向量和控制点集，得到地表界面的拟合NURBS曲面函数；

(23)以地表控制点集合和建模范围边界线为基础数据，构建自然地表的NURBS曲面模型及其曲面方程。

所述步骤3得到边坡三维地质模型；包括以下步骤：

(31)根据地质平面图所揭示的地层、断层和岩脉等地质结构出露线，以及地质剖面和平切图所揭示的地质结构走向，展开到三维空间中，得到地质结构趋势面数据点集；

(32)依照自然地表界面NURBS曲面生成方法，根据地质结构趋势面数据点集和曲面边界生成NURBS参数函数曲面；

(33)分析各地质结构的空间关系，采用布尔逻辑算法与地表、边界范围等其它相关结构界面逐一求交，生成地质结构界面的裁减信息，按NURBS曲面数据结构存储地质结构界面的裁减NURBS曲面定义数据。

所述步骤6是首先根据爆破设计参数确定单个炮孔直径、孔深倾斜度单耗等参数，再采用阵列算，根据孔距先将炮孔沿内边界阵列，在根据炮孔排距由内往外逐层阵列。

所述步骤7修正过程包括以下步骤：

(71)删除原有台阶信息，并提取缺口周界，获取周界控制点；

(72)导入再次扫描获取的上一层爆破完成后的台阶点云；

(73)根据最小二乘法将新导入点云移动到最佳位置，完全覆盖删减后的缺口，并采用点云融合算法，使其与原始边坡模型融合；

(74)按步骤2、步骤3重建新的边坡三维地质模型；

所述步骤8是采用反投影算法对炮孔位置进行修正，先将修正后的台阶面投影到理想设计平面，再将炮孔沿反投影路线移动到修正后的台阶面上，完成炮孔布设；反投影算法包括以下步骤：

(81)取

求得新建曲面上离x₀，y₀最近点所对应的值z₀；

(82)将z₀投影到原始边坡台阶模型上，设交点为a，令lim f(x，y)＝z₀，采用迭代法lim(x′₀,y′₀)＝lim(x,y)反向求取在原始边坡模型上对应的点对(x₀'，y₀')；

(83)求得在新的边坡模型上

的值，设为z₀'；

(84)将炮口沿Z周移动-z₀'的距离，即可与新模型完全匹配。

本发明技术方案带来的有益效果：本发明设计方法突破了传统的二维设计，实现了爆破三维可视化精细设计，同时可以在每次爆破完成后快速获取边坡实时精准三维模型，修正由于上一层爆破的残孔、超爆对下一层爆破设计的影响，爆破设计的准确性大大提高，并能够为下一次精细爆破设计提供保障。

附图说明

图1是本发明实施例三维扫描获取边坡点云；

图2是本发明实施例爆破开挖边坡三维地质模型；

图3是本发明实施例基于布尔逻辑算法的理想状态下边坡开挖三维模型图；

图4是本发明实施例炮孔阵列布设示意图；

图5是本发明实施例边坡三维地质模型及开挖轮廓；

图6是本发明实施例基于反投影算法的爆破孔位置修正。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进一步说明，具体实施方式是对本发明原理的进一步说明，不以任何方式限制本发明，与本发明相同或类似技术均没有超出本发明保护的范围。

结合附图。

本发明基于激光扫描的三维爆破可视化设计方法，包括：

基于布尔逻辑算法的边坡开挖三维模型图建立方法，和基于三维激光扫描修正理想状态下的边坡台阶面模型方法，建立边坡三维地质模型；

基于孔阵列布设与反投影算法的爆破孔修正布设方法进行边坡模型修正和爆破设计。

以下以具体爆破施工设计为例进行说明，包括如下8个步骤：

步骤1：采用三维激光扫描，获取边坡的精细化几何点云信息，图1所示；

步骤2：采用NURBS建模算法，建立边坡高精度表面模型，过程如下；

(1)提取步骤1中三维激光扫描获取的数据点集，通过插值将不均匀的点集转化为按一定步长均匀分布数据点集；

(2)求解数据点集所确定曲面的权向量和控制点集，得到地表界面的拟合NURBS曲面函数。

(3)以地表控制点集合和建模范围边界线为基础数据，构建自然地表的NURBS曲面模型。构造NURBS曲面的过程实际上就是根据给定的曲面上的数据点Qr(r＝0,…,l)、初始参数和节点分布，反算出参数函数曲面s(u,v)的控制点集di,j和权重wi,j，从而找到适合已知数据点集的NURBS曲面。参数控制点集di,j和权重wi,j需要通过求解以下非线性方程组得到:

在权重wi,j未知的条件下，无法求解公式(1)所代表的方程组，因此只能采用近似方法尽可能拟合点集所代表的趋势曲面，方程组的求解可转化为非线性优化问题的求解，公式(1)可由以下方程近似表示：

由此可独立于参数控制点求得

然后通过公式(2)求得参数函数曲面的控制点集

从而得到由数据点集

确定的NURBS曲面方程。

步骤3：根据对多源地质数据进行综合分析，获得以地质剖面为表现形式的解析结果，为地质界面NURBS曲面的准确建立提供重要的数据源。根据结构面产状信息，建立其空间体域集合的拓扑关系并构造B-Rep三维实体模型，通过与边坡表面NURBS曲面进行布尔运算，保留坡面以内部分结构面，得到边坡三维地质模型，如图2所示，具体过程如下。

(1)根据地质平面图所揭示的地层、断层和岩脉等地质结构出露线，以及地质剖面和平切图所揭示的地质结构走向，展开到三维空间中，得到地质结构趋势面数据点集；

(2)依照自然地表界面NURBS曲面生成方法，根据地质结构趋势面数据点集和曲面边界生成NURBS参数函数曲面；

(3)分析各地质结构的空间关系，采用布尔逻辑算法与地表、边界范围等其它相关结构界面逐一求交，生成地质结构界面的裁减信息，按NURBS曲面数据结构存储地质结构界面的裁减NURBS曲面定义数据。

步骤4：根据边坡开挖设计方案，将边坡轮廓线在三维空间展开成三维DTM表面，并与步骤3建立的边坡三维地质模型做布尔逻辑轮算，获得边坡开挖轮廓边界；

步骤5：根据爆破台阶设计要求，设计台阶面的宽度、高度，建立台阶面，并与模型做布尔逻辑运算，切割出理想状态下边坡的开挖三维模型图，如图2所示。

步骤6：第一层开挖时，直接在上述建立的模型上进行炮孔设计。首先根据爆破设计参数确定单个炮孔直径、孔深倾斜度单耗等参数，再采用阵列算，根据孔距先将炮孔沿内边界阵列，在根据炮孔排距由内往外逐层阵列，如图3所示。

步骤7：从第二层爆破开始，采用三维激光扫描对上一层爆破完成后的边坡面进行再次扫描，获取上一层爆破完成后的三维几何信息，修正步骤5中理想状态下的边坡模型；修正过程如下：

(1)删除原有台阶信息，并提取缺口周界，获取周界控制点；

(2)导入再次扫描获取的上一层爆破完成后的台阶点云；

(3)根据最小二乘法将新导入点云移动到最佳位置，完全覆盖删减后的缺口，并采用点云融合算法，使其与原始边坡模型融合。

(4)按步骤2、步骤3重建新的边坡三维地质模型；

步骤8：对修正后的边坡进行精细化爆破设计，初始炮孔设计仍按步骤(6)进行；由于修正后的边坡台阶面不是理想的平面，阵列后的炮孔与边坡面位置并不完全匹配；采用反投影算法对炮孔位置进行修正，先将修正后的台阶面投影到理想设计平面，再将炮孔沿反投影路线移动到修正后的台阶面上，完成炮孔布设。反投影算法过程如下：

(1)取

求得新建曲面上离x₀，y₀最近点所对应的值z₀；

(2)将z₀投影到原始边坡台阶模型上，设交点为a，令lim f(x，y)＝z₀，采用迭代法lim(x′₀,y′₀)＝lim(x,y)反向求取在原始边坡模型上对应的点对(x₀'，y₀')。

(3)求得在新的边坡模型上

的值，设为z₀'。

(4)将炮口沿Z周移动-z₀'的距离，即可与新模型完全匹配。

本发明方法运用在HSL边坡的爆破开挖中，通过以下步骤完成：

(1)采用三维激光扫描获取边坡的精细化几何点云信息

(2)采用NURBS建模算法，建立边坡高精度三维模型；

(3)根据结构面产状信息，将结构面产状：N20°～60°E，NW∠10°～30°，生成结构面NURBS曲面，通过与边坡表面NURBS曲面进行布尔运算，保留坡面以内部分结构面，得到边坡三维地质模型，如图5所示。

(4)根据边坡开挖设计方案，将边坡轮廓线在三维空间展开成三维DTM表面，并与步骤3建立的边坡三维地质模型做布尔逻辑轮算，获得边坡开挖轮廓边界；

(5)根据爆破台阶设计要求，设计台阶面的宽度10m、高度20m，建立台阶面，并与模型做布尔逻辑运算，切割出理想状态下边坡的开挖三维模型图。

(6)第一层开挖时，直接在原模型上进行炮孔设计。首先根据爆破设计参数确定单个炮孔采参数，本案例中选取炮孔直径为76mm，孔深8.8m，倾斜度为85°，单耗为0.55kg/m3；再采用阵列算，按孔距4.4m，排距3.0m将爆破孔由内层逐层向外布设的方式，阵列布设在开挖面上。

(7)从第二层爆破开始，采用三维激光扫描对上一层爆破完成后的边坡面进行再次扫描，获取上一层爆破完成后的三维几何信息，修正步骤5中理想状态下的边坡模型；

(8)对修正后的边坡进行精细化爆破设计，初始炮孔设计仍按步骤(6)进行；由于修正后的边坡台阶面不是理想的平面，阵列后的炮孔与边坡面位置并不完全匹配；采用反投影算法对炮孔位置进行修正，先将修正后的台阶面投影到理想设计平面，再将炮孔沿反投影路线移动到修正后的台阶面上，完成炮孔布设，如图6所示。

Claims (7)

1.一种基于激光扫描的三维爆破可视化设计方法，其特征在于方法包括：

基于三维激光扫描修正理想状态下的边坡台阶面模型方法，和基于布尔逻辑算法的边坡开挖三维模型图建立方法，建立边坡三维地质模型；

基于孔阵列布设与反投影算法的爆破孔修正布设方法进行边坡模型修正和爆破设计。

2.根据权利要求1所述的基于激光扫描的三维爆破可视化设计方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、采用三维激光扫描，获取边坡的精细化几何点云信息；

步骤2、采用NURBS建模算法，建立边坡高精度表面模型；

步骤3、根据对多源地质数据进行综合分析，获得以地质剖面为表现形式的解析结果，为地质界面NURBS曲面的准确建立提供重要的数据源；根据结构面产状信息，建立其空间体域集合的拓扑关系并构造B-Rep三维实体模型，通过与边坡表面NURBS曲面进行布尔运算，保留坡面与内部分结构面，得到边坡三维地质模型：

步骤4、根据边坡开挖设计方案，将边坡轮廓线在三维空间展开成三维DTM表面，并与步骤3建立的边坡三维地质模型做布尔逻辑轮算，获得边坡开挖轮廓边界；

步骤5、根据爆破台阶设计要求，设计台阶面的宽度、高度，建立台阶面，并与模型做布尔逻辑运算，切割出理想状态下边坡的开挖三维模型图；

步骤6、第一层开挖时，直接在上述建立的模型上进行炮孔设计；

步骤7、从第二层爆破开始，采用三维激光扫描对上一层爆破完成后的边坡面进行再次扫描，获取上一层爆破完成后的三维几何信息，修正步骤5中理想状态下的边坡模型；

步骤8、对修正后的边坡进行精细化爆破设计，初始炮孔设计仍按步骤6进行。

3.根据权利要求2所述的基于激光扫描的三维爆破可视化设计方法，其特征在于：所述步骤2采用NURBS建模算法建立边坡高精度表面模型，包括以下步骤：

(21)提取步骤1中三维激光扫描获取的数据点集，通过插值将不均匀的点集转化为按一定步长均匀分布数据点集；

(22)求解数据点集所确定曲面的权向量和控制点集，得到地表界面的拟合NURBS曲面函数；

(23)以地表控制点集合和建模范围边界线为基础数据，构建自然地表的NURBS曲面模型及其曲面方程。

4.根据权利要求3所述的基于激光扫描的三维爆破可视化设计方法，其特征在于：所述步骤3得到边坡三维地质模型，包括以下步骤：

(31)根据地质平面图所揭示的地层、断层和岩脉等地质结构出露线，以及地质剖面和平切图所揭示的地质结构走向，展开到三维空间中，得到地质结构趋势面数据点集；

(32)依照自然地表界面NURBS曲面生成方法，根据地质结构趋势面数据点集和曲面边界生成NURBS参数函数曲面；

(33)分析各地质结构的空间关系，采用布尔逻辑算法与地表、边界范围等其它相关结构界面逐一求交，生成地质结构界面的裁减信息，按NURBS曲面数据结构存储地质结构界面的裁减NURBS曲面定义数据。

5.根据权利要求4所述的基于激光扫描的三维爆破可视化设计方法，其特征在于：所述步骤6是首先根据爆破设计参数确定单个炮孔直径、孔深倾斜度单耗等参数，再采用阵列算，根据孔距先将炮孔沿内边界阵列，在根据炮孔排距由内往外逐层阵列。

6.根据权利要求4所述的基于激光扫描的三维爆破可视化设计方法，其特征在于：所述步骤7修正过程包括以下步骤：

(71)删除原有台阶信息，并提取缺口周界，获取周界控制点；

(72)导入再次扫描获取的上一层爆破完成后的台阶点云；

(73)根据最小二乘法将新导入点云移动到最佳位置，完全覆盖删减后的缺口，并采用点云融合算法，使其与原始边坡模型融合；

(74)按步骤2、步骤3重建新的边坡三维地质模型。

7.根据权利要求6所述的基于激光扫描的三维爆破可视化设计方法，其特征在于：所述步骤8是采用反投影算法对炮孔位置进行修正，先将修正后的台阶面投影到理想设计平面，再将炮孔沿反投影路线移动到修正后的台阶面上，完成炮孔布设；反投影算法包括以下步骤：

(81)取

求得新建曲面上离x₀，y₀最近点所对应的值z₀；

(82)将z₀投影到原始边坡台阶模型上，设交点为a，令lim f(x，y)＝z₀，采用迭代法lim(x′₀,y′₀)＝lim(x,y)反向求取在原始边坡模型上对应的点对(x₀'，y₀')；

(83)求得在新的边坡模型上

的值，设为z₀'；

(84)将炮口沿Z周移动-z₀'的距离，即可与新模型完全匹配。

Images