基于三维激光扫描技术的爆破对象数字化研究.pdf

第3 2 卷第3 期 2 0 1 5 年9 月 爆破 B L A S T I N G V 0 1 ．3 2N o ．3 S e p ．2 0 1 5 d o i 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 - 4 8 7 X ．2 0 1 5 ．0 3 ．0 0 8 基于三维激光扫描技术的爆破对象数字化研究 施富强，廖学燕，裴尼松，龚志月9 四川省安全科学技术研究院，成都6 1 0 0 4 5 摘要爆破对象的数字化，是整个爆破过程数字化的基础。三维激光扫描技术首先快速、准确获取物体 表面点的三维坐标数据，然后由点云构建出物体的立体模型。介绍了采用三维激光扫描技术实现爆破对象 数字化的过程，包括爆破对象数字化模型建立、爆破设计数字化、爆破效果数字化和爆破质量控制数字化。 关键词爆破；三维激光扫描；数字化 中图分类号0 3 8 3文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 5 0 3 0 0 4 5 0 4 S t u d yo nD i g i t a l i z a t i o no fB l a s t i n gO b j e c t b a s e do n3 DL a s e rS c a n n i n gT e c h n o l o g y S H ／F u - q i a n g ，L I A OX u e y a n ，P E IN i s o n g ，G O N GZ h i g 帆g S i c h u a nA c a d e m yo fS a f e t yS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，C h e n g d u6 1 0 0 4 5 ，C h i n a A b s t r a c t T h ed i g i t i z a t i o no ft h eb l a s t i n go b j e c ti st h eb a s i so ft h ew h o l eb l a s t i n gp r o c e s s ．W i t h3 Dl a s e rs c a n n i n gt e c h n o l o g y ，i ti se a s yt oo b t a i nt h es u r f a c ep o i n t so ft h eo b j e c tq u i c k l ya n da c c u r a t e l y ，a n dt h e nt oi n p u tt h e mi n t o3 Dm o d e l s ．T h et e c h n o l o g yt or e a l i z et h eb l a s t i n go b j e c t ’Sd i g i t i z a t i o nb y3 Dl a s e rs c a n n i n gw a si n t r o d u c e d ，i n c l u d i n gd i g i t a lm o d e l s ，t h ed i g i t i z i n go ft h eb l a s t i n gd e s i g n ，b l a s t i n ge f f e c ta n dq u a l i t yc o n t r o l l i n g ． K e yw o r d s b l a s t i n g ；3Dl a s e rs c a n n i n g ；d i g i t i z a t i o n 工程爆破是受炸药爆炸、爆炸冲击载荷、材料与 结构动态响应等多要素影响的复杂过程，而爆破过 程又直接受爆破对象几何参数、材料与结构特性及 炸药属性等因素的影响，要想取得理想的爆破效果， 必须准确掌握这些基本因素。在爆破设计时，爆破 对象的几何尺寸和岩体状态是设计的关键参数o 。 目前，在设计中普遍只是给出了最小抵抗线、孔距、 排距、孔深等参数，而没有给出炮孔的位置、孔深调 节、倾角等控制要素，需要操作人员根据现场情况确 定炮孔位置。这就无法实现爆破作业标准化和数字 化。三维激光扫描技术具有快速、准确、立体可视等 特点，能快速准确地建立爆破对象三维几何模型，为 收稿日期2 0 1 5 0 7 1 5 作者简介施富强 1 9 6 1 一 ，男，山西大同市人，教授级高级工程师、 硕士，主要从事工程爆破与安全工程研究， E m a i l s f q s w j t u ．c a 。 爆破设计提供直观、准确的几何参数，为实现爆破数 字化和作业自动化提供数据基础。另外爆破后的三 维扫描，还能爆破效果分析和爆破质量控制。 1 三维激光扫描技术介绍 三维激光扫描技术作为一种新兴的测绘手段， 可以对复杂机构体进行高精度的实景复制，具有精 度高、非接触式、效率高和信息丰富等特点。它是利 用激光测距以及水平和垂直方向的角距值计算并记 录被测物体表面密集点的三维坐标和反射率等信 息，以点云的形式快速并且精确地在电脑中复建出 被测物体的立体空间形状。由于采用激光测量，因 此测精度可达毫米级，并且不受光线影响旧J 。 2 爆破对象数字化研究 在爆破过程中，首先对爆破对象进行扫描，获取 万方数据 爆破2 0 1 5 年9 月 对象三维点云信息，然后将其处理成彩色点云三维 实景模型。由于模型上的每个点都有详实的坐标信 息，因此可以在点云模型上进行测量和设计p j 。为 了方便利用传统的软件进行爆破设计，可以将点云转 换成由网格面构成的立体模型。爆破后对爆堆进行 扫描可以建立爆堆立体几何模型，并获取爆破块度等 参数。清渣后再次扫描，可以为下次爆破提供数据， 同时对比爆破先后的数据，准确计算出爆破方量。据 此研发的软件，能实现爆破设计精准、快捷H j 。 2 ．1 建立爆破对象数字化模型 利用三维激光扫描仪，可以获取爆破对象的三 维点云数据 图1 。这些点云就构成爆破对象立体 模型，并且每个点都具有三维坐标信息，这就从真正 意义上实现了爆破对象的数字化，如图2 所示。另 外点云可以方便地转换为由网格构成的几何模型， 便于进行后期设计和分析，如图3 所示。三维激光 扫描技术具有速度快、范围广、精度高等特点，如进 行1 次3 6 0 。的全景扫描只需要2m i n ，扫描半径可达 1k m 。三维激光扫描仪器还可以和R T K 结合，将测 量点的三维坐标数据转换为通用坐标系b ’6J 。 图l 三维激光扫描仪现场扫描 F i g ．1 S i t escansb ．y3Dl a s e rs c a n t i e r 图2 二三维点云模型 F i g ．2 3 Dp o i n t sm o d e l 2 ．2 爆破设计数字化 由于缺乏爆破对象的准确几何信息，特别是不 规则的几何结构，传统设计只能给出原则性的设计 参数，如炮孑L 直径1 4 0m m ，炮孔超深2m ，填塞长度 4m ，最小抵抗线5m ，孔距5m ，排距4m 等参数，却 不能给出炮孔的具体坐标。现场技术人员只能根据 初步设计方案，凭经验和现场情况布置炮孔，容易造 成实际抵抗线大小和设计值不一致，特别是在地形 不规则的情况下往往出现循环偏差。而在三维激光 扫描技术获得的三维点云模型上，可对爆破对象进 行准确的测量，并直接在点云上设计炮孔，如图4 所 示。也可以在三维点云转换成的由网格构成的三维 模型上进行设计，如图5 所示。设计时可查看任意 剖面，检查参数是否合理，特别是最小抵抗线，确保 设计的质量，如图6 所示。设计结果可以生成爆破 参数表，确定每个炮孔的准确坐标和其他参数，如表 1 所示。现场钻孔时，根据三维炮孔布置图和炮孔 参数表进行作业即可。 图3 三维网格面模型 F i g ．3 3 Dm e s hm o d e l 图4 基于点云模型的炮孔设计图 F i g ．4 H o l ed e s i 磬lO n3Dp o i n t sm o d e 劁5基于网格模型的爆破设计图 F i g ．5 H o l ed e s i g no n3 Dm e s hm o d e l 万方数据 第3 2 卷第3 期 施富强．廖学燕．裴尼松．等基于三维激光扫描技术的爆破对象数字化研究 4 7 图6 三维立体设计剖面图 F i g ．6 P r o f i l eo f3Dd e s i g nm o d e l 表1 炮孔参数表 部分参数 T a b l e1 B l a s t i n gh o l ep a r a m e t e r 【P a r t i a lp a r a m e t e r 炮孔雷管钻孔位置／m孔深／装药 编号段别1 可一 m 高度／m 1 25 0 98 4 2 ．8 4 429 9 14 6 6 ．8 0 61 6 ．8 61 2 ．8 6 225 0 98 4 2 ．6 5 629 9 14 6 7 ．8 0 51 6 ．9 81 2 ．9 8 325 0 98 4 2 ．4 7 129 9 14 6 8 ．8 0 51 6 ．9 61 2 ．9 6 2 ．3 爆破效果数字化评估 爆破后采用三维激光扫描技术获取整个爆破区 域的点云实景，首先可以定量地评价整体爆破效果， 如图7 所示。然后，可以对爆堆表面的岩块进行测 量，如图8 所示。从图8 可以看出，岩石粒径大部分 为0 ．3m 左右，部分大块粒径约为1m 。还可以将爆 破前后的扫描数据进行对比，获取爆堆任意剖面的坡 面角度、坡面长度等参数，如图9 所示。从图1 0 可以 得到爆堆坡面角度为1 3 0 ，坡面长度为4 6m 。 图7 爆堆点厶模型图 F i g ．7 P o i n t sm o d e lo fb l a s t i n gp i l e 2 ．4 爆破质量控制数字化 用三维激光扫描技术，可以对爆破质量进行数 字化评估和控制“ J 。将隧道参考面模型与实际开 挖面模型对比，可以分析得出隧道超欠挖的分布情 况和计算出实际超欠挖范围占比。根据6 6 9 2 3 个采 样数据分析得出，该段隧道总欠挖占1 9 ％，超挖0 2 0c m 范围近6 2 ％，如图1 0 ～图1 3 所示。 图9 爆破前后的三维模型对比 F i g ．9C o m p a r i s o no ft h e3 Dm 1 e lb e f o r ea n da f t e rb l a s t i n g 图1 0 隧道设计图 F i g ．1 0 T u n n e ld e s i g nm o d e l 幽J I隧道二维激光扫描结果图 F i g ．11 R e s u l t so f3 Dl a s e rs c a n n i n gt u n n e l 如在隧道爆破中，将爆破前后的点云模型进行 对比，即可清晰判断爆破质量，如图1 0 所示。根据 点云数据可以计算出该次爆破进尺为3 ．0 4 8m ，爆 万方数据 爆破 2 0 1 5 年9 月 雌≮ 一瀵灞 图1 2 隧道超欠挖分布图 F i g ．1 2A n a l y s i sc h a r to fo v e r u n d e r d i g g i n go ft u n n e l s 图1 3 隧道爆破前后点云对比图 F i g ．1 3 P o i n t sc o n t r a s tb e f o r ea n da f t e rt u n n e lb l a s t i n g 3 结论 1 介绍了三维激光扫描技术的基本原理和三 维点云模型的特点。 2 研究了爆破对象数字化的实现方法，以及 依据点云模型上进行测量和爆破设计的特点，实现 了精确、高效和可视化的爆破设计。 3 研究了三维激光扫描技术对爆破效果评估 和质量控制的应用，研究表明三维激光扫描技术可 以准确测量爆破岩块的几何尺寸，爆堆形态和任意 剖面参数。 4 采用三维激光扫描技术实现的爆破对象数 字化，为数字化爆破提供了数据基础；当钻机、装药 车具备自动化功能后，即可实现爆破全程数字化和 自动化。 [ 1 ] 汪旭光．爆破手册[ M ] ．北京冶金工业出版社，2 0 1 0 ． [ 2 ]杨俊志，尹建忠，吴星亮．地面激光扫描仪的测量原理 及其检定[ M ] ．北京测绘出版社，2 0 1 2 1 3 0 ．1 3 6 ． [ 3 ] 刘春，陈华云，吴杭彬．激光三维遥感的数据处理与 特征提取[ M ] ．北京科学出版社，2 0 0 9 4 1 - 8 3 ． [ 4 ] 尹若捷，杨冲，付正文．多激光扫描仪的大场景联合 配准及精度评估[ J ] ．测绘地理信息，2 0 1 5 ，4 0 3 1 3 ． 1 7 ． [ 4 ] Y I NR u o - j i e ，Y A N GC h o n g ，F UZ h e n g - w e n ．O v e r a l lc o n - t r o la n dr e g i s t r a t i o np r e c i s i o na n a l y s i so fl a r g e - s c a l et e r - r a i nw i t hm u l t i p l el a s e rs c a n n e r s [ J ] ．J o u r n a lo fG e o m a t - i c s ，2 0 1 5 ，4 0 3 1 3 - 1 7 ． i nC h i n e s e [ 5 ] 李强，邓辉，周毅．三维激光扫描在砬区地面沉 陷变形监测中的应用[ J ] ．中国地质灾害与防治学报， 2 0 1 4 ，2 5 1 ，1 1 9 1 2 4 ． [ 5 ] L IQ i a n g ，D E N GH u i ，Z H O UY i ．A p p l i c a t i o no f3 Dl a s e r s c a n n i n gt ot h eg r o u n ds u b s i d e n c ed e f o r m a t i o nm o n i t o r i n g i nm i n i n ga r e a [ J ] ．C h i n e s eJ o u r n a lo fG e o l o g i c a lH a z a r d a n dC o n t r o l ，2 0 1 4 ，2 5 1 ，11 9 - 1 2 4 ． i nC h i n e s e [ 6 ] 陈凯，张达，张君，等．三维激光扫描技术在大 直径深孔采矿中的应用[ J ] ．有色金属工程， 2 0 1 5 S 1 4 1 - 4 6 ． [ 6 ] C H E NK a i ，Z H A N GD a ，Z H A N GJ u n ，e ta 1 ．3 Dl a s e r s c a n n i n gt e c h n o l o g ya p p l i e di nl a r g e d i a m e t e rl o n g , h o l e m i n i n g [ J ] ．N o n f e r r o u sM e t a l sE n g i n e e r i n g ，2 0 1 5 S 1 4 1 - 4 6 ． i nC h i n e s e [ 7 ] 王健，李雷，姜岩．天宝三维激光扫描技术在数 字矿山中的应用探讨[ J ] ．测绘通报，2 0 1 2 1 0 5 8 ． 6 1 ．9 1 ． [ 7 ] W A N GJ i a n ，L IL e i ，J I A N GY a h ．O nt h ea p p l i c a t i o no f t r i m b l e3 Dl a s e rs c a n n i n gt e c h n i q u ei nd i g i t a lm i n e [ J ] ． B u l l e t i no fS u r v e y i n ga n dM a p p i n g ，2 0 1 2 1 0 5 8 6 1 ， 9 1 ． i nC h i n e s e 惠 盗 万方数据