利用三維激光掃描數(shù)據(jù)求取開采沉陷預(yù)計參數(shù)研究*

于啟升,吳 侃,鄭汝育

(中國礦業(yè)大學環(huán)境與測繪學院,江蘇徐州 221008)

利用三維激光掃描數(shù)據(jù)求取開采沉陷預(yù)計參數(shù)研究*

于啟升,吳 侃,鄭汝育

(中國礦業(yè)大學環(huán)境與測繪學院,江蘇徐州 221008)

三維激光掃描技術(shù)是一種新興的測繪技術(shù),它具有快速、實時、高效等優(yōu)點,突破了傳統(tǒng)測繪手段的局限性,可以直接獲取三維坐標,目前正被廣泛應(yīng)用于測繪各個領(lǐng)域。為此 ,研究三維激光掃描儀數(shù)據(jù)應(yīng)用于地表沉陷參數(shù)求取問題,針對其特點,利用VB6.0語言,采用模矢法編制了概率積分法求參程序,并將程序應(yīng)用于實際求參,實踐證明,效果較好。

三維激光掃描;數(shù)據(jù);觀測站;沉陷監(jiān)測;概率積分參數(shù);精度

0 引言

開采沉陷預(yù)計參數(shù)是開采沉陷預(yù)計的基礎(chǔ),其取值的準確性決定了地表移動變形的預(yù)計精度。開采沉陷預(yù)計參數(shù)的影響因素主要有:覆巖的巖性和地層結(jié)構(gòu)、采深、采厚等[1]。每個礦區(qū)由于地質(zhì)采礦條件的差異開采沉陷預(yù)計參數(shù)不一樣,而以實測資料反演的參數(shù)最為精確可靠。

現(xiàn)有的求參方法包括利用特征點求參、曲線擬合求參、正交試驗設(shè)計法求參等,這些常規(guī)的求參方法需要獲得觀測站的最終下沉值,且點數(shù)較少,受實測誤差影響較大。

1 數(shù)據(jù)獲取及數(shù)據(jù)準備

1.1 數(shù)據(jù)獲取

1)在已知的測點上架設(shè)儀器,對中整平,將掃描儀和筆記本連接,啟動 PointScape數(shù)據(jù)采集軟件,打開掃描儀電源,建立掃描儀與筆記本的通訊。精平儀器后,量測儀器高,輸入氣象、氣溫狀態(tài)參數(shù)及站點信息。

2)定向。精掃后視控制點上的標靶,確定掃描的初始計算方向,可采用單點或多點后視。

3)掃描。掃描過程由 PointScape軟件控制,通過集成的數(shù)碼相機拍攝掃描對象的影像,在影像上選擇掃描區(qū)域,掃描儀根據(jù)軟件環(huán)境中設(shè)置的參數(shù) (行、列數(shù)和掃描的分辨率等)進行單點或物體掃描,同時可以進行球形掃描并根據(jù)點云數(shù)據(jù)實時擬合出球體。

1.2 數(shù)據(jù)準備

1)點云拼接。由于采用的是基于實體的點云剔除方法,所以首先要將不同測站掃描得到的點云拼接到一起。如果不是全站式的或掃描的時候沒有測定坐標,首先應(yīng)該進行點云拼接。

2)粗差剔除。對于比較明顯且容易刪除的干擾地物,要首先進行人工裁剪,以免對后面的粗差剔除進行干擾,并且可以減少數(shù)據(jù)量,方便處理。切割后將數(shù)據(jù)導出,格式為 x,y,z[2]。

3)重采樣。由于掃描時點云的密度不一樣,所以需要對點云數(shù)據(jù)進行重采樣,使數(shù)據(jù)均勻分布。本文中數(shù)據(jù)重采樣密度為 4～6 m。

經(jīng)過預(yù)處理的兩次測量數(shù)據(jù),用第一次測得數(shù)據(jù)點的高程減去第二次測得數(shù)據(jù)相應(yīng)點的高程,即得到了該點的此階段下沉值。

英語口語能力的提高受語言環(huán)境、學習動機、詞匯量、思辨能力、交際策略等多種因素的制約。英語教學中，教師應(yīng)激發(fā)學習者的囗語學習動機，采用多種訓練方式為學習者提供提升口語表達能力的平臺，學習者也應(yīng)珍惜口語訓練的機會，掌握技巧，學會運用有效交際策略，從而全面提升高中生的跨文化交際能力。

2 求參模型

2.1 預(yù)計參數(shù)

表 1為運算的參數(shù)及其在程序中的符號。分別按照對下沉值的影響大小排序。

表1 參數(shù)選取列表Tab.1 Parameter selection table

2.2 預(yù)計模型

概率積分法是因其所用的移動和變形預(yù)計公式中含有概率積分(或其導數(shù))而得名。由于這種方法的基礎(chǔ)是隨機介質(zhì)理論,所以又叫隨機介質(zhì)理論法[3]。應(yīng)用概率積分的相關(guān)參數(shù)可以進行開采沉陷預(yù)計,這一模型在礦山開采沉陷中應(yīng)用最廣,處理數(shù)據(jù)時用該模型作為基礎(chǔ)。

移動盆地內(nèi)任意點的下沉值計算公式為[3]:

式中:w(x,y)表示地表任意點下沉值;w0表示地表移動盆地最大下沉值;wx,wy分別表示傾 (走)向半無限開采時走 (傾)向主斷面上任意點的下沉值;L表示走向長度;l表示走向計算長度;D表示傾向長度;d表示傾向計算長度;α表示煤層傾角;h1表示煤層下山采深;h2表示煤層上山采深;h表示煤層平均采深。

2.3 求參模型

求取地表移動變形參數(shù)可以采用牛頓法、擬牛頓法、模矢法[4]等方法,考慮到模矢法求參有可靠的理論基礎(chǔ),且比較簡單,收斂速度較快,能達到精度要求等,本文采用模矢法進行求參,在求參程序中建立的誤差函數(shù)為:

式中:εB表示求參的擬合中誤差;n表示參與求參點的個數(shù);wB表示軟件中計算得到的下沉值;w實表示實測下沉值。

步長選擇為參數(shù)初值的 5%,即步長 =參數(shù)初值 ×5%,開采影響傳播角的步長選擇 0.5°。

3 實例及影響求參精度的因素分析

該實驗以兗州煤業(yè)股份有限公司鮑店煤礦 103上02工作面為例進行了動態(tài)參數(shù)求取。

該工作面煤層厚度 5.84 m,煤層傾角α =3.4°,平均采深 H=470 m,工作面推進速度約為 6m/d,掃描面積S約為20000m2。

通過運行程序即得到最優(yōu)參數(shù)值為 [0.639 461 9,1.673 742,87.8°,-34,-26,60,0.26]。

3.1 求參點個數(shù)對求參精度的影響

針對以上實際問題,進行了求參點個數(shù)對求參結(jié)果的影響實驗 (見表 2),主要從運行時間和運行結(jié)果的穩(wěn)定性來研究。對該表中數(shù)據(jù)的點個數(shù)和擬合中誤差兩欄數(shù)據(jù)進行分析,并通過 Excel繪制散點圖,如圖 1所示。圖 1中橫坐標為求參點個數(shù),縱坐標為擬合中誤差值。

圖1 求參點個數(shù)對擬合中誤差的影響Fig.1 The point number's impact on the fittingmean square error

由表 2和圖 1可以看出:當求參點個數(shù)達到 600時,擬合中誤差已經(jīng)接近最優(yōu)值;點數(shù)超過 600時,擬合中誤差趨于穩(wěn)定。但是點數(shù)越多,求參軟件運行時間越長,所以綜合各方面因素,得到求參點個數(shù)在 600～900時是最佳的求參密度。進一步得到求參點個數(shù)與掃描面積和平均采深之間的函數(shù)表達式:

式中:k取值范圍為[14.10,21.15];n表示求參點個數(shù);S表示掃描面積;H表示平均采深。

3.2 參數(shù)初值選取對求參結(jié)果的影響

本文主要針對不同參數(shù)初值對求參結(jié)果的穩(wěn)定性和擬合中誤差的大小進行研究,研究結(jié)果,見表 3,研究中迭代次數(shù)都為30次。

表2 求參點個數(shù)對參數(shù)穩(wěn)定性的影響Tab.2 The point number's impact on the stability of the parameters

表3 參數(shù)初值對求參精度的影響Tab.3 The initial parameters'impact on the accuracy of the parameters

分析表 3中數(shù)據(jù)可知,當參數(shù)初值與實際相差較大時,得到的最優(yōu)參數(shù)結(jié)果不穩(wěn)定,誤差較大。分析表中第 4行與第 5行,把第 4行求取的參數(shù)作為初值再次計算,即可得到比較接近于最優(yōu)參數(shù)值的計算結(jié)果,但是迭代次數(shù)較多,收斂速度較慢,運行時間長。所以參數(shù)初值的選取應(yīng)與實際參數(shù)相差較小以提高運算速度,進一步提高參數(shù)精度。

4 結(jié)論

采用三維激光掃描儀對開采引起的地表沉陷進行觀測,可以得到整個區(qū)域的下沉值,即可得到整個監(jiān)測區(qū)域的移動變形情況。

求參軟件是建立在預(yù)計軟件的基礎(chǔ)之上,使用模矢法進行求參,它是一種非線性最優(yōu)值的求解方法,該方法有可靠的理論基礎(chǔ),可以求得動態(tài)開采過程中的動態(tài)地表移動參數(shù)。

求參時應(yīng)該選取比較接近實際的初值進行求參計算以提高運算速度。最終得到求參點個數(shù)與掃描面積和平均采深之間的函數(shù)關(guān)系為 n=k＊S/H,k的取值范圍為[14.10,21.15]。

[1]鄒友峰.開采沉陷預(yù)計參數(shù)的確定方法[J].焦作工學院學報:自然科學版,2001,20(4):253～257.

[2]白志輝,張舒,王響雷,等.三維激光掃描點云粗差剔除方法研究[J].礦山測量,2009(2):13～15.

[3]何國清,楊倫,凌賡娣.礦山開采沉陷學[M].徐州:中國礦業(yè)大學出版社,1994.

[4]吳侃,周鳴.礦區(qū)沉陷預(yù)測預(yù)報系統(tǒng) [M].徐州:中國礦業(yè)大學出版社,1999.

Mining Subsidence Prediction Parameters Acquiring with 3D Laser Scanning Data

YU Qi-sheng,WU Kan,Zheng Ru-yu
(School of Environment Science and Spatial Information,China University of Mining&Technology,Xuzhou Jiangsu 221008,China)

As newly emerged technology,3D laser scanning bears the advantagesof high-speed,real time,high-efficiency,et al.Compared with traditional survey methods,it can acquire the 3D coordinates of objects directly and has been widely applied in various fields.This article studies mainly on acquiring mining subsidence prediction parameters with 3D laser scanning data.According to the characteristic,an acquiring program based on Pattern Search,method has been developed with VB6.0.The application of this program in real project proves its better efficiency.

3D laser scanning;data;observation station;subsidence monitoring;probability-integral parameters;precision

TD 173+.4

A

1007-9394(2010)02-0001-03

2010-02-07

國家環(huán)保公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費資助(200809128)

于啟升 (1987～),男,山東臨沂人,碩士研究生,主要從事三維激光掃描、開采沉陷規(guī)律、開采損害及防護方面的研究。