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日期:2016-06-01 12:00  作者:项谦和  来源:浙南工程处    点击量:

项谦和  陈春雷  项似林

(浙江省测绘大队浙南处,温州 325000)

 

摘要:本文以瑞安市塘下镇凤士废弃矿山自然生态环境治理工程为例,利用三维激光扫描技术获取废弃矿山的点云数据,采用Geomagic Studio三维软件进行建模,针对模型特点选择建模,采用不可挤压的不规则模型进行计算,并与实地测量结果进行比较,其Geomagic Studio三维进行建模在废弃矿山自然生态环境治理工程测绘具有可行性与实用性。

关键词:三维建模 Geomagic Studio 环境治理工程  矿山测绘 不规则模型

 

1、前言

三维激光扫描技术又被称为实景复制技术,三维激光测绘技术的发展,为传统的测绘手段提供了重要的补充,是“继GPS测绘技术之后的又一次测绘技术革命”[1];激光测绘技术提供了一种崭新的点云式测绘手段,相比传统地面测绘技术,它突破了传统的单点测量方法,三维激光扫描技术能够提供扫描物体表面的三维点云数据,获取的信息量更大、效率更高,具有高效率、高精度的独特优势,因此可以用于获取高精度高分辨率的数字地形模型。

在近年来的有文献资料来看,很多学者利用Geomagic Studio系统进行建模工作,王田磊、袁进军、王建锋在《三维激光扫描技术在建筑物三维建模可视化中的应用》一文中提出:根据所获取的建筑物点云数据,研究了点云处理和建模实现的关键技术,提出了有效解决建筑物三维模型快速重建方法[2];陆益红、赵长胜、武宜广在《楚王陵激光三维重建》一文中提出:利用三维激光扫描系统对建筑物进行扫描,对激光点云进行三维重建,制作出完整模型及其数字线划图[3]。因此Geomagic Studio系统操作简单、功能强大,在建模方面特别在测绘专业数据处理有着强大的优势,是一款与三维扫描系统配套相适应的专业数据处理平台[4]

本文以瑞安市塘下镇凤士废弃矿山自然生态环境治理工程为例,通过获取废弃矿山的点云数据,采用利用GeomagicStudio软件对产品三维点云数据进行处理与建模,Geomagic Studio可轻易地从扫描所得的点云数据创建出完美的多边形模型网格,并可自动转换为 NURBS 曲面。针对模型特点选择建模,采用不可挤压的不规则模型进行计算,并与实地测量结果进行比较,针对Geomagic Studio软件进行三维建模在废弃矿山自然生态环境治理工程测绘具有可行性与实用性。

2、矿山工程概况

矿山测绘工程项目位于瑞安市塘下镇凤士村,处于甬台温高速公路和104国道等交通要道可视范围内。采石场生态治理范围平面面积52703㎡(合79.0545亩),开采标高(1985国家高程基准)+20 m~+136m,环境治理范围平面面积46171㎡(合69.2565亩),开采标高(1985国家高程基准)+50m~+155m。由于本工程涉及纠纷案,故方量测绘与计算要具有准确、精度高、合法、合理的实施,具有特殊的意义。其矿山工程项目现状见图1--图2。

根据岩土体工程地质性质,自上而下分为3个工程地质层,即松散岩类工程地质层、强风化层工程地质层、中风化层工程地质层。

⑴.松散岩类工程地质层:分布于山体表部,由残坡积物组成,铅直厚度0.5~2m,平均厚度约1.5m。

⑵.强风化层工程地质层:该岩组位于残坡积层之下,大部分地表未出露,只在基岩裸露处或在采场边坡可以见到0.1~3m,平均厚度1.5m。

⑶.中风化层工程地质层:该层位于强风化层之下,仅在采场出露,岩性为流纹质玻屑晶屑凝灰岩。矿石小体重测试结果表见表1。

表1    矿石小体重测试结果表

矿石类别

分析号

原号

小体重(t/m3

平均值(t/m3

备注

中风化岩

h110601501

XT1

2.51

2.57

算术平均值

h110601502

XT2

2.60

h110601503

XT3

2.59

h110601504

XT4

2.59

3、不可挤压的不规则模型数据处理

3.1 Geomagic Studio系统

Geomagic Studio系统是Geomagic公司产品的一款逆向软件,可根据任何实物零部件通过扫描点点云自动生成准确的数字模型。它可根据物体扫描所得的点阵模型创建出良好的多边形模型或网格模型,并将它们转换NURBS曲面[5]。Geomagic Studio系统的整体工作流程如图1所示:

图3  Geomagic Studio系统工作流程

根据软件输入的数据与其他软件或设备的接口,不同的逆向软件有不同的工作流程,可以采用点—线—面和点—多边形—面等方式,Geomagic Studio系统采用了点—多边形—面的工作流程,从上图可以看出Geomagic Studio系统主要包括点云阶段、多边形阶段、形状阶段。Geomagic Studio系统可以作为CAD、CAE和CAM工具提供完美补充,它可以输出行业标准格式,包括STL、IGES、STEP和CAD等众多文件格式。

3.2点云处理

三维激光扫描仪获取的点云数据,通常包含测量过程中产生的噪声数据,影响表面重建。点云预处理工作是特征点提取的先决条件,在局部点云数据的拟合之前,首先对点云数据进行预处理,预处理效果好,则特征点提取和后处理精度高、效率高,去除噪声数据和非感兴趣数据。然后确定适当大小的邻域,拟合曲面更接近被扫描物体的真实情况,所提取的曲面极值特征点更接近于物体的真实特征点,通过计算两个相邻点之间的高斯曲率K和平均曲率H,判断出工作区内特征点的大致位置,把曲率极值点作为边界特征点,最后拟合目标物体的局部曲面,解算出该曲面的极值特征点。特征点是几何形状的特征基元,它不因坐标系的改变而变化。直接采用扫描测量点作为特征点,精度受限于测量误差。

3.3不可挤压的不规则模型建模的创建

三维建模一般有:规则几何模型的创建、可挤压的不规则模型的创建、不可挤压的不规则模型的创建。对于矿山工程测绘来说,采用不可挤压的不规则模型建模方式进行,其在逆向工程后处理中,Geomagic Studio 系统可以有效的进行点云数据的各个阶段处理,包括点阶段、多边形阶段、形状阶段。利用该软件可以快速和精确的重建复杂几何形体的三维模型,Geomagic Studio建立数字化模型,实现如下工作:

⑴.将一个实体创建参数化的CAD模型---执行计算机流体力学(CFD)和有限元(FEA)分析--折叠衔接数字和物理世界--衔接数字和物理世界--衔接数字和物理世界。

⑵.Geomagic Studio能够创造NURBS模型,自动化的一键式曲面创建模型。对于相似曲面的对象,可以用创建模板方式加速曲面重构。并用于调整曲面片布局、将重构曲面与多边形网格比较等等。结果模型可导出为IGES或STEP文件。

⑶.利用现有模型生成点云,可以对齐、合并和注册拼接点云数据。可以删除体外孤点和降噪来进一步优化数据。折叠多边形网格的处理。

⑷.利用三维扫描数据创建参数模型,参数转换功能能将Geomagic模型无缝转换成CAD几何特征。通过Geomagic Studio将参数曲面、实约束曲面拟合。独特的区域探测算法创建最精确的表面Geomagic Studio利用独特的区域探测算法,快速和轻松地创生成更好的曲面。最终在模型合并完成后对其进行纹理贴图并渲染成型。

4、三维模型与断面测绘方量的比较与分析

4.1平面控制测量

外业使用中海达双频GNSS接收机采用“WZCORS”系统,在一级GNSS 控制点ⅠW-641控制点上架设基准站,并利用温州网络CORS七参数按规定对已知控制点ⅠW-640检核,其平面测绘成果与理论值误差最大值为34.75px,高程测绘成果与理论值误差最大值为±30px,经检核精度满足规范要求。 

4.2 1∶500断面测量

⑴.高程点测量的精度能满足本次工程需要,在作业过程中,视地形变化的而定,适当增减测量点数,在复杂处按1—3m施测一个高程点,平缓处按3—8 m,施测一个高程点。

⑵.由于实地地形较为复杂,为了更准确地反映实地的地形形貌,在每块面积内间距按每 10 m×10 m方格网施测高程点,并取平均值作为施工前高程,然后按分块区域进行方量预算。

⑶.采用南方CASS9.1信息管理系统生成1∶500断面图,利用断面图结合数据模型计算面积与方量。

4.3方量计算公式

废弃矿山自然生态环境治理工程设计方案采用的方量计算公式如下:

①.当块段两截面面积<40%时,选用梯形体积公式:

式中:V——块段体积(m3);L——块段两截面之间距(m);

S1、S2——分别为两相邻截面较大、较小的面积(㎡);

②.当两截面面积≥40%时,选用截锥体体积公式:

③.锥形体计算公式:  ,当两相邻台段,其中一台段面积等于0时,根据实际情况选用锥形公式计算。

4.4分析与比较

表2   区块方量统计表

区块

面积(㎡)

土与石挖方量(m3)

备注

Ⅰ区块

17187.45

530021.33

治理区范围内总挖方量为985134.83 m3

Ⅱ区块

10548.45

268032.28

Ⅲ区块

8778.33

106461.35

Ⅴ区块

2378.22

5911.30

Ⅵ区块

1663.42

6806.25

Ⅷ区块

1689.66

67902.32

Ⅳ区块

15081.53

300133.23

治理区范围外总挖方量为309711.19 m3

Ⅶ区块

2387.92

9577.96

T6区块

1497.8 0

7777.50

治理区范围外土堆

T1块土堆

985.05

2591.30

治理区范围内土堆合计挖方量合计挖方量24486.20 m3

T2块土堆

263.90

263.90

T3块土堆

1413.70

10689.00

T4块土堆

998.00

1872.20

T5块土堆

2058.87

9069.80

L1块临时便道

8945.91

临时便道方量合计18288.27 m3

L2块临时便道

216.38

L3块临时便道

2173.81

L4块临时便道

6952.17

根据浙江省第十一地质大队2011年6月编制的《瑞安市塘下镇凤士采石场生态环境治理方案》P7页报告得知:“残坡积物平均厚度约1.5m”,P9页表3-5削方量体积估算结果表;瑞安滨海新区工发建设管理委员会2013年12月委托编制的《瑞安市塘下镇凤士废弃矿山自然生态环境治理工程设计方案(调整方案)》P9页削方量体积估算结果得知,其符合《工程测量规范》、《地质矿产勘查测量规范》精度规定。

5、结论

在矿山工程测绘采用不可挤压的不规则模型数据处理,其与结果分析得知:

⑴. Geomagic Studio系统三维进行建模,能够确保质量的输入数据,点云渲染速度更快,点上执行所有的操作和执行的最终合并到网格。Geomagic Studio三维进行建模在废弃矿山自然生态环境治理工程测绘具有可行性与实用性。

⑵.为了得到完整的点云,运用三维激光扫描仪从多个不同的方向进行扫描,再运用对齐功能使各分块点云统一到同一个坐标系下。拼接后的点再经过去除杂点、噪声点和点云取样后便可得到一个比较好的点云。降低扫描密度和抽取数据,抽取到网格数据的50%很少改变最终的结果。

⑶. Geomagic Studio系统通过点云进行彩色纹理映射,使不可挤压的不规则模型数据处理方面具有巨大的优势。

 

 

参考文献:

 

[1] 张会霞,朱文博. 三维激光扫描数据处理理论及应用[M].北京:电子工业出版社,2012.

[2] 王田磊,袁进军,王建锋.三维激光扫描技术在建筑物三维建模可视化中的应用[J].测绘通报,2012(9):44-47.

[3] 陆益红,赵长胜,武宜广.楚王陵激光三维重建[J].测绘地理信息,2013,38(1):55-57.

[4] 谢宏全,候坤.地面三维激光扫描技术与工程应用[M].武汉:武汉大学出版社,2013.

[5] 陈裕芹,成思源,邹付群,张湘伟.基于Geomagic Studio的叶片修复与曲面建模[J].广东工业大学学报,2011,28(3):70-73.

[6] 张德海,梁晋,郭成,梁新合.逆向工程的流程研究和基于Geomagic的实例应用[J].机械研究与应用,2008年03期.

 

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