基于激光点云技术监测爆破开挖面的平整度的方法与流程

本发明属于激光测量技术领域，尤其涉及基于激光点云技术监测爆破开挖面的平整度的方法。

背景技术：

在某些大型工程如高边坡开挖、地下洞室开挖、地下隧洞开挖的施工过程中，由于工程量巨大，必然要采用钻孔爆破技术加快施工进度。爆破开挖后会形成不平整的开挖面。

在施工过程中，对爆破开挖的平整度有严格要求。平整度是指加工或者生产某些东西时，实际表面不会绝对平整，实际表面与设计面之间的距离，生产建设中要求平整度越小越好。

现阶段多采用光面爆破和预裂爆破进行开挖，测量开挖面的平整度大多通过人工皮尺测量或者使用全站仪进行测量，效率和精度较低。

现有技术一的技术方案

利用皮尺进行人工测量平整度，测量人员通过让皮尺接触检测面进行直接测量平整度。

现有技术一的缺点：

1.工作量巨大：人工皮尺测量在实际工作中测量速度较慢，开挖面一般非常大，人工方式无法全部测量。

2.误差大：因为是人工测量，存在人为操作和统计数据上的误差，导致测量结果误差大。

3.作业环境危险：人工测量高边坡开挖或者高洞室开挖时需要进行垂直攀爬，有些位置甚至无法攀爬，严重威胁测量人员生命安全。

现有技术二的技术方案

利用全站仪测量特定断面的部分点，将这些点人工连接形成实际开挖面，再与设计开挖面进行对比。

现有技术二的缺点：

1.工作量巨大：全站仪架设好后，通过调整设备角度采集数据，但一次只能测量一个点的坐标；

2.采样数据不足：由于工作量巨大，全站仪一般只能间隔较大的距离采集一个点坐标，导致遗漏某些关键点坐标，并且测量数据很慢。

3.断面精度低：由于采样数据不足，人工连线开挖面与实际开挖面有较大差距，在计算平整度时误差较大。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供基于激光点云技术监测爆破开挖面的平整度的方法，能够解决以往测量开挖面平整度工作量大，效率低，精度低的问题。

本发明采用如下技术方案：

s1.设计人员给出爆破开挖面的定位坐标、方位、倾角等信息；

s2.利用rieglvz400进行现场作业，对待测开挖边坡进行扫描，获取数据。

s3.将数据传输至电脑进行内部处理，截取待测区域的点云数据，进行初步点云数据的处理；

其中s3又包括：

a.通过坐标转换方法，将现场开挖面的三维点云模型转换成大地坐标；

b.通过电脑软件进行降噪处理；

降噪处理的目的是，避免在扫描或数字化过程中噪音点被引入数据中。

一般将s2中扫描后采集的曲面模型上粗糙的、非均匀的外表看成是“噪音数据”。

噪音的来源可能是扫描设备的轻微震动、测量激光直径误差或物体表面粗糙等原因。

c.利用计算机软件非连接项过滤点云，即过滤掉偏离主点云的点束。

d.利用计算机软件通过体外弧点过滤点云；

体外弧点是因为激光扫描仪扫描到背景物体，如桌面、墙、支撑结构等引起的。

e.利用计算机软件对数据进行着色处理；

包括在点云上开启照明和彩色效果，以帮助用户观察其几何形状。

f.利用计算机软件进行补洞处理；

由于视角问题，激光扫描后的数据会形成一定的空洞，需要对这些空洞进行修补；

j.利用计算机软件进行封装，包括将点数据转化为平面数据。

这是由于平整度的计算只能在平面数据中进行。

s3.将s1中的已知的平面定位坐标，方位，倾角和s2中的观测点的坐标输入计算机，利用处理程序计算出设计开挖面的中心点坐标，法线方向，生成特征平面，并将该平面拟合至实际开挖面；

s4.确定设计开挖面的位置，通过计算开挖面上的点到设计开挖面的距离来确定开挖面的平整度具体包括：

a.确定设计开挖面的参数：

主要包括利用观测点的坐标与设计开挖面的倾角计算开挖面的中心点坐标与法线方向。

b.拟合开挖面：

包括通过参数建立设计开挖面的特征平面，并将其转化为数据平面。

c.以拟合的设计开挖面为基准，对实际开挖面进行偏差分析，计算平整度。

其中：a/b/c/d为设计开挖面的平面方程参数；

x0、y0、z0为实际开挖面上一点的坐标；

d为实际开挖面上一点到平面方程参数的距离。

并且，本软件在计算过程中，软件能自动计算出d的最大正值与负值，利用这两个值可以直接计算出平整度。

所有丨d丨＞0的点都会用不同颜色表示，颜色的深浅表示此点到设计开挖面的距离远近。

s5.从电脑中输出开挖图纸，用于指导作业现场过程的开挖。

本发明的有益效果：

1.在对点云数据处理过程中，消除了噪音、弧点、非连接点的干扰，使生成的平面更平滑，更准确，更接近实际开挖面。

2.在开挖面的设计中，未知参数是通过设计参数与观测点坐标直接计算得出的，再通过软件直接拟合而成，中间不涉及任何人为因素干扰，速度快，精度高。

3根据拟合设计，利用开挖面的法线与实际开挖面的法线进行对比，自动筛选出符合实际情况的点。

4.激光扫描仪的点阵间距仅为5mm，在3分钟内就能采集上亿个点，是传统方法-人工测量和全站仪测量无法比拟的。并且，利用激光点云扫描，无论是从数据采集还是后期拟合设计开挖面，整个流程都是设备和程序自动化处理，消除了人为因素的干扰，使精度和速度得到有效提高。

5.使用全站仪采集前期数据时，需要通过人工观测逐点测量，在后期拟合实际开挖面时需要测量人员手动连线，手动计算开挖面上的点到设计开挖面的距离。而且不论是人工测量还是全站仪测量，在数据采集时都需要测量人员用目测的方式手动定位，人为因素影响巨大。

附图说明

图1为本发明的设计开挖面参数计算原理图；

图2为实施例1某水电站点云数据通过坐标转换成大地坐标后效果图。

图3为图2经过降噪、过滤孤点、着色、补洞、封装处理后的效果图；

图4为利用已知坐标点得出特征面并拟合后开挖面的效果图；

图5为图4经过程序计算后得出的平整度效果图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

术语解释：地面三维激光扫描的原始数据称为点云。

本发明是通过如下技术方案实现的：

基于激光点云技术监测爆破开挖面的平整度的方法，包括以下步骤：

步骤1.设计人员给出爆破开挖面的定位坐标、方位、倾角等信息；

步骤2.使用三维激光扫描仪分多次扫描爆破开挖后的岩壁面，获取岩壁面的点云数据；

步骤3.将步骤2中获取的点云数据输入点云处理程序中，利用处理程序将多个步骤2中各站扫描点云拼合成一幅完整的岩壁表面三维点云模型，通过软件坐标转换功能将岩壁面三维点云模型转换成大地坐标；

步骤4.将步骤1中的已知的平面定位坐标，方位，倾角和步骤2中的观测点的坐标输入计算机，利用处理程序计算出设计开挖面的中心点坐标，法线方向，生成特征平面，并将该平面拟合至实际开挖面。

步骤5.通过处理程序计算实际开挖面和设计开挖面的偏差，分析得出结论数据来确定开挖面的平整度。

步骤6.输出开挖图纸，用于指导作业现场过程的开挖。

本发明进一步的技术方案是，所述的步骤3中具体包括(1)降噪处理，去除曲面模型上粗糙的、非均匀的外表；(2)通过非连接项过滤点云，即过滤掉偏离主点云的点束；(3)通过体外弧点过滤点云；(4)着色；(5)补洞；(6)封装的步骤。

本发明进一步的技术方案是，其中步骤4具体包括(1)确定设计开挖面的参数，(2)拟合设计开挖面，(3)以拟合的设计开挖面为基准，对实际开挖面进行偏差分析，计算平整度，

其中，a、b、c、d为设计开挖面的平面方程参数；x0、y0、z0为实际开挖面上一点的坐标；d为实际开挖面上一点到平面方程参数的距离。

实施例1

某水电站地下厂房高边墙爆破开挖过程中的平整度计算

在爆破开挖前，爆破人员给出开挖面的定位坐标，此水电站中开挖边墙高4米，宽12米，倾角为90°。

如图2所示，用rieglvz400三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，获得岩壁面的点云数据。

将获取的点云数据导入到具有类似riscanpro点云处理程序，并且操作系统为windows7系统以上的电脑中，利用软件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，并利用软件的坐标转换功能将岩壁面三维点云模型转换成大地坐标。

具体包括：

a.通过坐标转换方法，将现场开挖面的三维点云模型转换成大地坐标；

b.通过电脑软件进行降噪处理；

降噪处理的目的是，避免在扫描或数字化过程中噪音点被引入数据中。

一般将扫描后采集的曲面模型上粗糙的、非均匀的外表看成是“噪音数据”。

噪音的来源可能是扫描设备的轻微震动、测量激光直径误差或物体表面粗糙等原因。

c.利用计算机软件非连接项过滤点云，即过滤掉偏离主点云的点束。

d.利用计算机软件通过体外弧点过滤点云；

体外弧点是因为激光扫描仪扫描到背景物体，如桌面、墙、支撑结构等引起的。

e.利用计算机软件对数据进行着色处理；

包括在点云上开启照明和彩色效果，以帮助用户观察其几何形状。

f.利用计算机软件进行补洞处理；

由于视角问题，激光扫描后的数据会形成一定的空洞，需要对这些空洞进行修补；

j.利用计算机软件进行封装，包括将点数据转化为平面数据。

这是由于平整度的计算只能在平面数据中进行。

通过非连接项过滤点云，体外孤点过滤，降噪，着色，补洞，封装处理的点云数据，如图3所示。

如图1所示为设计开挖面参数计算，通过已知的平面定位坐标，方位，倾角和观测点的坐标，计算出设计开挖面的中心点坐标为(-12.7780,15.4636,0.1481)，法线方向为(0.2042,-0.9669,0)，生成该特征平面，并将该平面拟合至实际开挖面，拟合后结果如图4所示。

通过软件计算实际开挖面和设计开挖面的偏差，分析得出结论，确定平整度。

结论，最大正向偏差为0.22m，负向偏差0.19m，平均偏差0.05m，平均负向偏差0.03m，标准偏差0.05m，均方根：0.058m。

平均偏差虽然小，但实际正向和负向的最大偏差就较大。

输出开挖图纸，用于指导作业现场的开挖过程。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。