CN117313343A - 一种基于三维激光扫描仪爆破区域数字化模型获取方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及智能制造技术领域,具体为一种基于三维激光扫描仪爆破区域数字化模型获取方法,包括S1:三维激光扫描,激光扫描仪通过发射激光快速对目标区域进行扫描测量;S2:爆区地质模型建立,对数据进行处理,处理后建立相关爆区地质模型;S3:基于Open3D点云建模,根据上述步骤所得数据,三维点云重建目标的表面或轮廓;S4:地质模型建立,通过相关数据对露天矿爆破生产影响较大的节理裂隙、断层和岩脉三种结构面作为建模的对象地质结构面模型;有益效果为:快速准确的确定岩石岩性,精确确定孔网参数,加快设计速度,提高工作效率,输出高质量的设计图表,可以有效降低炸药单耗、减少炸药用量。
Description
技术领域
本发明涉及智能制造技术领域,具体为一种基于三维激光扫描仪爆破区域数字化模型获取方法。
背景技术
台阶爆破主要用于矿山采剥和铁路、公路路堑及水利、水电的土石方开挖施工工程,是应用前景非常广阔的一项爆破技术,台阶爆破效果的好坏直接影响岩石破碎、铲运、运输等后续工序的作业效率,露天台阶爆破是土石开挖和矿山生产的基本手段。
现有技术中,露天矿山的生产中,台阶爆破频繁,设计工作量巨大。目前台阶爆破的设计主要依靠技术人员生产经验在CAD软件中制图或在Office软件中完成,由于矿山工程地质变化、地质构造及矿岩性质变动引起工程上的不确定性,致使这种按经验方式确定的爆破参数不具有普遍适用性,不仅工作效率低下,而且不能因时因地准确进行爆破设计。爆破后容易产生爆堆隆起,爆堆前伸掩埋前方道路、产生根底、伞岩、大块等不好的爆破效果,也难以保证工作面作业设备、电缆和人员的安全。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于三维激光扫描仪爆破区域数字化模型获取方法,以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:一种基于三维激光扫描仪爆破区域数字化模型获取方法,包括以下具体步骤:
S1:三维激光扫描,激光扫描仪通过发射激光快速对目标区域进行扫描测量,并通过交换机将扫描测量的数据传递至中央服务器;
S2:爆区地质模型建立,运用激光扫描仪获取目标区域台阶面点云数据采集之后,就需要对这些数据进行处理,处理后建立相关爆区地质模型;
S3:基于Open3D点云建模,根据上述步骤所得数据,三维点云重建目标的表面或轮廓,由于三维点云是一批离散的点,这样空间中必然会有一些位置是空的,没有数据信息,通过Open3D点云建模可以让三维物体的表面都由一个个平面组成,即在表面处成为连续状态;
S4:地质模型建立,为了建立完整的爆区地质模型,在运用激光扫描技术建立爆区表面地质模型后,通过相关数据对露天矿爆破生产影响较大的节理裂隙、断层和岩脉三种结构面作为建模的对象地质结构面模型。
优选的,包括多个激光扫描仪、交换机、中央服务器及操作端,其中:
激光扫描仪,用于对目标区域进行扫描测量,获得目标区域相关测量数据;
交换机,用于系统内各个模块和部件之间的信息交换;
中央服务器,用于基于处理后的点云数据对目标区域进行三维建模;
操作端,操作端与中央服务器相连,用于将目标区域三维模型可视化展示给操作用户。
优选的,所述中央服务器内部包括信号输入模块、数据分析模块、时域控制模块、信号输出模块及存储器,其中:
信号输入模块,将上级输入信号处理成其它模块所能接收的信号;
数据分析模块,用于分析处理接收得到的数据信号,并将所得数据信号进行整合;
时域控制模块,用于记录激光扫描仪扫描目标区域的实时时间数据以及激光扫描仪扫描目标区域的实时定位信息;
存储器,与数据分析模块及时域控制模块相连,方便记录分析后的数据及扫描目标区域的时间数据和定位信息;
信号输出单元,用于连接网络云端和操作端,将中央输出的信号转换为外部负载所需要的输出信号,并且能够将相关数据存储在网络云端,方便工作人员后期进行查阅比对,并且不易丢失。
优选的,所述时域控制模块包括联网时域同步单元、时域定位分析单元及信息综合处理单元,其中:
联网时域同步带单元,用于通过外置网络线路连接互联网获取实时时间数据;
时域定位分析单元,用于通过外部激光扫描仪获取得到目标区域的位置数据;
信息综合处理单元,用于综合实时时间数据和目标区域的位置实时定位信息。
优选的,所述S2步骤中还包括:
S2.1:点云数据拼接,用于将激光扫描仪所有扫描站点获取的点云数据拼接在同一坐标系中;
S2.2:点云数据去噪,用于将噪声点去除,避免影响后期数据处理精度;
S2.3:点云数据精简,用于对密集的点云数据进行精简,提取出能够反映爆区形状特征的点,然后将其余的数据删除;
S2.4:模型建立,用于整合上述步骤中的点云数据,并将点云数据构建成可视化模型,方便工作人员进行观察。
优选的,所述S3步骤中还包括:
S3.1:散点外轮廓的提取,散点外轮廓的提取采用Alphashapes方法;
S3.2:滚球算法,用于实现二维到三维的一种转换,可以用多个尺寸的滚球来进行三角面构建;
S3.3:泊松曲面重构,用于建立曲面时,提高曲面建立的光滑性。
优选的,所述S4步骤中还包括:
S4.1:明确结构面的产状,用于了解结构面在空间的位置状态,实现结构面的三维建模;
S4.2:产状要素三维空间数字化,确定结构面的产状后,还需要结构面上某一点的坐标,从而确定结构面在爆区的空间位置;
S4.3:结构面三维可视化,用于绘制地质结构面三维模型,方便工作人员观察。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
本发明将计算机应用于爆破设计,能将地质信息与爆破设计紧密结合,快速准确的确定岩石岩性,精确确定孔网参数,加快设计速度,提高工作效率,输出高质量的设计图表,可以有效降低炸药单耗、减少炸药用量,同时,在爆破施工前对爆破方案将会产生的振动效应进行预测,提前优化爆破参数,减轻爆破振动效应带来的危害,并且可以对块度分布进行分析预测,并在爆破施工后对块度分布进行统计分析,为下一次爆破设计的参数优化提供指导。
附图说明
图1为本发明的系统图;
图2为本发明点云数据精简流程图;
图3为本发明时域控制模块内部系统图;
图4为本发明原始点云示意图;
图5为本发明泊松曲面重建结果示意图;
图6为本发明点云数据去噪示意图;
图7为本发明地质结构面模型示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案进行清楚、完整地描述,及优点更加清楚明白,以下结合附图对本发明实施例进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例,仅仅用以解释本发明实施例,并不用于限定本发明实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
请参阅图1至图7,本发明提供一种技术方案:一种基于三维激光扫描仪爆破区域数字化模型获取方法,包括以下具体步骤:
S1:三维激光扫描,激光扫描仪通过发射激光快速对目标区域进行扫描测量,并通过交换机将扫描测量的数据传递至中央服务器;
S2:爆区地质模型建立,运用激光扫描仪获取目标区域台阶面点云数据采集之后,就需要对这些数据进行处理,处理后建立相关爆区地质模型;
S3:基于Open3D点云建模,根据上述步骤所得数据,三维点云重建目标的表面或轮廓,由于三维点云是一批离散的点,这样空间中必然会有一些位置是空的,没有数据信息,通过Open3D点云建模可以让三维物体的表面都由一个个平面组成,即在表面处成为连续状态;
S4:地质模型建立,为了建立完整的爆区地质模型,在运用激光扫描技术建立爆区表面地质模型后,通过相关数据对露天矿爆破生产影响较大的节理裂隙、断层和岩脉三种结构面作为建模的对象地质结构面模型,
包括多个激光扫描仪、交换机、中央服务器及操作端,其中:
激光扫描仪,用于对目标区域进行扫描测量,获得目标区域相关测量数据;
交换机,用于系统内各个模块和部件之间的信息交换;
中央服务器,用于基于处理后的点云数据对目标区域进行三维建模;
操作端,操作端与中央服务器相连,用于将目标区域三维模型可视化展示给操作用户,
中央服务器内部包括信号输入模块、数据分析模块、时域控制模块、信号输出模块及存储器,其中:
信号输入模块,将上级输入信号处理成其它模块所能接收的信号;
数据分析模块,用于分析处理接收得到的数据信号,并将所得数据信号进行整合;
时域控制模块,用于记录激光扫描仪扫描目标区域的实时时间数据以及激光扫描仪扫描目标区域的实时定位信息;
存储器,与数据分析模块及时域控制模块相连,方便记录分析后的数据及扫描目标区域的时间数据和定位信息;
信号输出单元,用于连接网络云端和操作端,将中央输出的信号转换为外部负载所需要的输出信号,并且能够将相关数据存储在网络云端,方便工作人员后期进行查阅比对,并且不易丢失,
时域控制模块包括联网时域同步单元、时域定位分析单元及信息综合处理单元,其中:
联网时域同步带单元,用于通过外置网络线路连接互联网获取实时时间数据;
时域定位分析单元,用于通过外部激光扫描仪获取得到目标区域的位置数据;
信息综合处理单元,用于综合实时时间数据和目标区域的位置实时定位信息,
S2步骤中还包括:
S2.1:点云数据拼接,用于将激光扫描仪所有扫描站点获取的点云数据拼接在同一坐标系中;
S2.2:点云数据去噪,用于将噪声点去除,避免影响后期数据处理精度;
S2.3:点云数据精简,用于对密集的点云数据进行精简,提取出能够反映爆区形状特征的点,然后将其余的数据删除;
S2.4:模型建立,用于整合上述步骤中的点云数据,并将点云数据构建成可视化模型,方便工作人员进行观察。
S2.1步骤中,三维激光扫描仪在使用过程中,由于多种因素的影响使得每个扫描站点只能对台阶面的某一部分点云进行获取,为了得到完整的点云数据,需要将所有扫描站点获取的点云数据拼接在同一坐标系中,将取得的多组重合点云数据拼接在一起组成立体点云,其根本为联立两坐标系间的变换关系,假设R、t分别表示旋转矩阵与三维平移向量,根据点云含有的多个对应公共点与靶标等特征,得到对应的法向量,在两组深度点云数据的κ对平面中,设定第i个平面法向量分别是ni与n'i第i对平面特征权重是wi,若采用所得法向量对 做最小化处理,即可解得旋转矩阵R,若第i个平面的重心分别是mi和mi’,则经最小化处理/>后求取t的导数,即可解的平移向量t。
将不在同一直线上的至少三个平面靶标放置于两个扫描点的重合部分中,得到三组点云数据的不同坐标,假设由同名靶标坐标得到的一组转换参数是将不在同一直线上的至少三个平面靶标放置于两个扫描点的重合部分中,得到三组点云数据的不同坐标,假设由同名靶标坐标得到的一组转换参数是(λ,φ,ω,κ,Δx,Δy,Δz),为建立统一坐标系,令点云数据完整,采用下列矩阵方程,对三组点云坐标实施大地坐标转换:
式中,λ为尺度缩放系数,平移向量t的参数为(Δx,Δy,Δz)。
S2.2步骤中使用三维激光扫描技术获取的点云数据会受到多方面因素的影响,从而导致有些数据会偏离理论值,这些噪声点会影响到后期数据处理的精度,所以有必要对其进行去除,针对线扫描数据,通过扫描线逐行进行去噪处理,为精准判定此类数据中的噪声点与误差点,使用最小二乘法将截面数据的起点和终点近似为曲线,并获得每个数据点与两点之间的曲线之间的最短距离。经过对比后,将大于阈值的噪声点去除。
S2.3步骤中点云数据精简的方法主要有两大类,第一类是基于均匀网格精简的方法,第二类是基于特征精简的方法。软件采用第二类基于几何特征的点云数据精简方法,使用数据点法向量与邻域法向量点积的均值来表示局部弯曲程度,对局部弯曲程度大的则多保留数据点,弯曲程度小的则少保留数据点,这种方式可以保持原始点云的细节特征
S3步骤中还包括:
S3.1:散点外轮廓的提取,散点外轮廓的提取采用Alpha shapes方法;
S3.2:滚球算法,用于实现二维到三维的一种转换,可以用多个尺寸的滚球来进行三角面构建;
S3.3:泊松曲面重构,用于建立曲面时,提高曲面建立的光滑性.
S3.1步骤中,Open3D中对应的函数为Create From Point Cloud Alpha Shape,其关键参数为alpha,alpha是该方法在搜索外轮廓时的半径大小,alpha值越小,网格的细节就越多,分辨率越高。
S3.2步骤中,Open3D中对应的函数为Create From Point Cloud Alpha Shape,其关键参数为radius,radius是滚球的半径,而且可以设置多个值,也就是可以用多个尺寸的滚球来进行三角面构建,注意事项:该方法要求点云必须有法向量,或者在此之前使用法向量计算函数计算出法向量。
S3.3步骤中,泊松曲面重建解决了一个正则化优化问题,以获得光滑曲面,因此,泊松曲面重建比上述方法更可取,因为它们会产生非平滑结果,因为点云的点也是生成的三角形网格的顶点,无需任何修改,Open3D中对应的函数为Create From Point CloudAlpha Shape,该函数的一个重要参数是depth,它定义了用于曲面重建的八叉树的深度,因此表示生成的三角形网格的分辨率。depth值越高,网格的细节就越多,分辨率越高,该方法要求点云必须有法向量,或者在此之前使用法向量计算函数计算出法向量。
S4步骤中还包括:
S4.1:明确结构面的产状,用于了解结构面在空间的位置状态,实现结构面的三维建模;
S4.2:产状要素三维空间数字化,确定结构面的产状后,还需要结构面上某一点的坐标,从而确定结构面在爆区的空间位置;
S4.3:结构面三维可视化,用于绘制地质结构面三维模型,方便工作人员观察。
S4.1步骤中,结构面包括构造应力作用下产生的各种构造(包括节理裂隙、断层、层理、岩脉和破碎带等),软件将对露天矿爆破生产影响较大的节理裂隙、断层和岩脉三种结构面作为建模的对象,实现结构面的三维建模,首先需要明确结构面的产状,即结构面在空间的位态,结构面的产状由走向、倾向和倾角构成。
S4.2步骤中,结构面的产状有方向角表示法和象限角表示法两种,考虑到地质勘察的现实条件,软件采用方向角表示法描述走向线与倾斜线,即走向线与倾斜线与爆区的局部坐标系的夹角,确定结构面的产状后,还需要结构面上某一点的坐标,从而确定结构面在爆区的空间位置,为了便于现场勘测,可以选取结构面在台阶坡面或台阶顶面上任意裸露的一点坐标。
S4.3步骤中,考虑到结构面延展度通常远大于爆区的宽度,软件中绘制的结构面为空间六面体,且均贯穿爆区内部,在地质模型中需要录入走向线的x,y,z方向角、倾向线的x,y,z方向角,地质结构面的间距、地质结构面出露地表的点坐标以及地质结构面的抗剪强度。
尽管上面对本申请说明性的具体实施方式进行了描述,以便于本技术领域的技术人员能够理解本申请,但是本申请不仅限于具体实施方式的范围,对本技术领域的普通技术人员而言,只要各种变化只要在所附的权利要求限定和确定的本申请精神和范围内,一切利用本申请构思的申请创造均在保护之列。
Claims (7)
1.一种基于三维激光扫描仪爆破区域数字化模型获取方法,其特征在于:包括以下具体步骤:
S1:三维激光扫描,激光扫描仪通过发射激光快速对目标区域进行扫描测量,并通过交换机将扫描测量的数据传递至中央服务器;
S2:爆区地质模型建立,运用激光扫描仪获取目标区域台阶面点云数据采集之后,就需要对这些数据进行处理,处理后建立相关爆区地质模型;
S3:基于Open3D点云建模,根据上述步骤所得数据,三维点云重建目标的表面或轮廓,由于三维点云是一批离散的点,这样空间中必然会有一些位置是空的,没有数据信息,通过Open3D点云建模可以让三维物体的表面都由一个个平面组成,即在表面处成为连续状态;
S4:地质模型建立,为了建立完整的爆区地质模型,在运用激光扫描技术建立爆区表面地质模型后,通过相关数据对露天矿爆破生产影响较大的节理裂隙、断层和岩脉三种结构面作为建模的对象地质结构面模型。
2.根据权利要求1所述的一种基于三维激光扫描仪爆破区域数字化模型获取方法的实施系统,其特征在于:包括多个激光扫描仪、交换机、中央服务器及操作端,其中:
激光扫描仪,用于对目标区域进行扫描测量,获得目标区域相关测量数据;
交换机,用于系统内各个模块和部件之间的信息交换;
中央服务器,用于基于处理后的点云数据对目标区域进行三维建模;
操作端,操作端与中央服务器相连,用于将目标区域三维模型可视化展示给操作用户。
3.根据权利要求2所述的一种基于三维激光扫描仪爆破区域数字化模型获取方法的实施系统,其特征在于:所述中央服务器内部包括信号输入模块、数据分析模块、时域控制模块、信号输出模块及存储器,其中:
信号输入模块,将上级输入信号处理成其它模块所能接收的信号;
数据分析模块,用于分析处理接收得到的数据信号,并将所得数据信号进行整合;
时域控制模块,用于记录激光扫描仪扫描目标区域的实时时间数据以及激光扫描仪扫描目标区域的实时定位信息;
存储器,与数据分析模块及时域控制模块相连,方便记录分析后的数据及扫描目标区域的时间数据和定位信息;
信号输出单元,用于连接网络云端和操作端,将中央输出的信号转换为外部负载所需要的输出信号,并且能够将相关数据存储在网络云端,方便工作人员后期进行查阅比对,并且不易丢失。
4.根据权利要求3所述的一种基于三维激光扫描仪爆破区域数字化模型获取方法,其特征在于:所述时域控制模块包括联网时域同步单元、时域定位分析单元及信息综合处理单元,其中:
联网时域同步带单元,用于通过外置网络线路连接互联网获取实时时间数据;
时域定位分析单元,用于通过外部激光扫描仪获取得到目标区域的位置数据;
信息综合处理单元,用于综合实时时间数据和目标区域的位置实时定位信息。
5.根据权利要求1所述的一种基于三维激光扫描仪爆破区域数字化模型获取方法,其特征在于:
所述S2步骤中还包括:
S2.1:点云数据拼接,用于将激光扫描仪所有扫描站点获取的点云数据拼接在同一坐标系中;
S2.2:点云数据去噪,用于将噪声点去除,避免影响后期数据处理精度;
S2.3:点云数据精简,用于对密集的点云数据进行精简,提取出能够反映爆区形状特征的点,然后将其余的数据删除;
S2.4:模型建立,用于整合上述步骤中的点云数据,并将点云数据构建成可视化模型,方便工作人员进行观察。
6.根据权利要求1所述的一种基于三维激光扫描仪爆破区域数字化模型获取方法,其特征在于:
所述S3步骤中还包括:
S3.1:散点外轮廓的提取,散点外轮廓的提取采用Alphashapes方法;
S3.2:滚球算法,用于实现二维到三维的一种转换,可以用多个尺寸的滚球来进行三角面构建;
S3.3:泊松曲面重构,用于建立曲面时,提高曲面建立的光滑性。
7.根据权利要求1所述的一种基于三维激光扫描仪爆破区域数字化模型获取方法,其特征在于:
所述S4步骤中还包括:
S4.1:明确结构面的产状,用于了解结构面在空间的位置状态,实现结构面的三维建模;
S4.2:产状要素三维空间数字化,确定结构面的产状后,还需要结构面上某一点的坐标,从而确定结构面在爆区的空间位置;
S4.3:结构面三维可视化,用于绘制地质结构面三维模型,方便工作人员观察。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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