三維激光掃描用于獲取開采沉陷盆地研究

陳冉麗，吳 侃

（1．石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學院 測繪工程系，河北 石家莊050041；2．中國礦業(yè)大學 環(huán)境與測繪學院，江蘇 徐州221008）

三維激光掃描用于獲取開采沉陷盆地研究

陳冉麗1，吳 侃2

（1．石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學院 測繪工程系，河北 石家莊050041；2．中國礦業(yè)大學 環(huán)境與測繪學院，江蘇 徐州221008）

針對常規(guī)地表觀測站需要布設(shè)大量的測點，占用農(nóng)田、測點保護困難等缺點，提出采用三維激光掃描獲取開采沉陷盆地的新思路。研究三維激光掃描獲取開采沉陷盆地的原理、數(shù)據(jù)處理步驟和方法，并選擇了某礦工作面做一個實測案例研究。研究結(jié)果表明，該方法能達到較高的精度，具有工程應用價值。

三維激光掃描；沉陷盆地；點云數(shù)據(jù)

三維激光掃描技術(shù)是國際上近期發(fā)展的一項高新技術(shù)［1］。利用三維激光掃描技術(shù)，可以深入到任何復雜的現(xiàn)場環(huán)境及空間中進行掃描，并可以直接實現(xiàn)各種實體或?qū)嵕叭S數(shù)據(jù)完整的采集，進而快速重構(gòu)出實體目標的三維模型。同時，還可對采集的三維激光點云數(shù)據(jù)進行各種后處理分析，如測繪、計量、分析、模擬、展示、監(jiān)測、虛擬現(xiàn)實等操作。

同傳統(tǒng)的測量手段相比，三維激光掃描技術(shù)可大范圍、快速、全面、高精度、高分辨率地獲取被測物體的平面和高程坐標，便于建立可量測的三維模型。綜合起來，激光測量具有很多優(yōu)勢和特點［2］。

地面三維激光掃描技術(shù)作為正向建模的對稱應用，獲取的數(shù)據(jù)可以直接與地理空間信息庫連接，可作為高精度GIS數(shù)據(jù)源。該技術(shù)在建筑物三維重建，考古測量建檔、存檔，采礦業(yè)的地下勘測等不可接觸的實物測量方面有著廣泛的應用前景。國外已將這一先進技術(shù)用于空對地觀測及工業(yè)測量系統(tǒng)，以快速獲取特定目標的立體模型［3］。國內(nèi)，激光掃描技術(shù)也得到了一定的研究。本文基于三維激光掃描技術(shù)的特點，對其應用于開采沉陷盆地的獲取做了詳細研究。

1 監(jiān)測開采沉陷盆地的傳統(tǒng)方法

要保護井巷、建筑物、水體及鐵路等，使它們免受或少受開采的有害影響，減少地下資源的損失，必須研究地下開采引起的巖層和地表移動規(guī)律。巖層和地表移動的過程十分復雜，它是許多地質(zhì)采礦因素綜合影響的結(jié)果。認識巖層與地表移動這一復雜過程，目前的主要方法是實地觀測［4－6］。

為了進行實地觀測，必須在開采進行之前，在選定的地點進行開采沉陷觀測站。所謂觀測站，是指在開采影響范圍內(nèi)的地表、巖層內(nèi)部或其它研究對象上，按一定要求設(shè)置的一系列相互聯(lián)系的觀測點。隨著多年開采沉陷觀測經(jīng)驗的積累和科學技術(shù)的發(fā)展，開采沉陷觀測站的類型越來越多，其中，按布站形式的不同可分為剖面線狀觀測站和網(wǎng)格狀觀測站［4，7］。

1．1 剖面線狀觀測站

剖面線狀觀測站是目前各礦區(qū)用得較多的一種布站形式，它是選擇在特定方向上布點成直線形。若因條件限制不能布成直線時，可設(shè)少量轉(zhuǎn)點而成折線形。所謂特定方向是，指沿移動盆地主斷面的方向。沿走向主斷面布設(shè)的觀測線稱為走向觀測線，沿傾斜主斷面布設(shè)的觀測線稱為傾斜觀測線。

觀測站通常有兩條相互垂直且相交的觀測線（即一條或半條走向觀測線，一條或半條傾向觀測線）所組成（見圖1）。在地表達到充分采動的條件下，通過移動盆地的平底部分都可設(shè)置成觀測線；在地表未達到充分采動的條件下，觀測線需設(shè)在移動盆地的主斷面上。

圖1 剖面線狀觀測站布設(shè)形式示意圖

1．2 網(wǎng)格狀觀測站

在產(chǎn)狀復雜的煤層或在建筑物密集的地區(qū)開采時，可考慮多布設(shè)一些測點，組成網(wǎng)狀觀測站（見圖2）。網(wǎng)狀觀測站可觀測整個采動范圍，所得資料比較全面、準確。我國在河南平頂山礦務局和山東棗莊局的柴里礦曾設(shè)置過網(wǎng)狀觀測站。

圖2 網(wǎng)狀觀測站布設(shè)示意圖

1．3 存在的缺點

傳統(tǒng)的觀測站布設(shè)形式存在著如下缺點：

1）需要布置固定測點，觀測站的建立投入大、觀測周期長，且測點不容易保護易缺失。

2）剖面線狀觀測站由于測點數(shù)目有限，僅布設(shè)于特定方向上，因此，觀測所得資料只反映觀測線所在斷面上的移動和變形的分布大小，不能很好地描述整個沉陷盆地的狀況。

3）網(wǎng)狀觀測站雖可觀測整個采動范圍，但由于測點數(shù)目較多，野外觀測和室內(nèi)成果整理工作量大，且受地形、地物條件的限制，所以只在研究專門問題時采用。

2 地面三維激光掃描觀測站

2．1 三維激光掃描原理

地面三維激光掃描系統(tǒng)由三維激光掃描儀、數(shù)碼相機、掃描儀旋轉(zhuǎn)平臺、軟件控制平臺、數(shù)據(jù)處理平臺及電源和其它附件設(shè)備共同構(gòu)成，是一種集成多種高新技術(shù)的新型空間信息數(shù)據(jù)獲取手段。地面三維激光掃描系統(tǒng)的工作原理如圖3所示，首先由激光脈沖二極管發(fā)射出激光脈沖信號，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)棱鏡，射向目標，然后通過探測器，接收反射回來的激光脈沖信號，并由記錄器記錄，最后轉(zhuǎn)換成能夠直接識別處理的數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過軟件處理實現(xiàn)實體建模輸出［8］。

圖3 三維激光掃描原理

2．2 三維激光掃描獲取開采沉陷盆地原理

利用三維激光掃描儀獲取沉陷盆地原理如圖4所示。當工作面推進到位置1時，用三維激光掃描儀觀測一次地表，擬合后可以得到當時的數(shù)字地面模型DEM1；當工作面推進到位置2時，再用三維激光掃描儀對同一位置地表進行第二次掃描，獲得這個時候地表的數(shù)字地面模型DEM2；用DEM1減去DEM2，可以得到監(jiān)測區(qū)域的地表下沉值。再結(jié)合井下開采情況，對地面整個沉陷區(qū)進行掃描，便可獲取開采區(qū)域地表的沉陷盆地。

2．3 數(shù)據(jù)處理

當完成對開采沉陷區(qū)域的掃描后，獲取的是大量的點云數(shù)據(jù)，需要對其進行一系列的處理，主要包括以下幾個方面［9－10］：

1）裁剪：對于比較明顯且容易刪除的干擾地物，進行人工的裁剪，以免對后面的粗差剔除造成干擾，

圖4 用三維激光掃描儀監(jiān)測沉陷盆地示意圖并且可減少數(shù)據(jù)量，方便處理。

2）采樣：點云密度根據(jù)物體到掃描儀的距離長短而異，得到的點云數(shù)據(jù)是不均勻的，尤其是掃描地表的數(shù)據(jù)，疏密程度差別較大，在數(shù)據(jù)處理前一定要先進行采樣。要求采樣密度基本和測區(qū)內(nèi)比較稀疏位置的點云密度相吻合，使得采出來的點云基本做到均勻分布。

3）粗差剔除：由于礦區(qū)地表通常為土地，地面不平整，還會有一些植被或雜草，剔除時應在保持原始地形的情況下盡量將所有非地形點去除。

4）建模：使用處理過的點云數(shù)據(jù)生成數(shù)字高程模型DEM，并根據(jù)要求生成一定密度的格網(wǎng)點，用DEM內(nèi)插出格網(wǎng)點的高程，兩次或多次高程值求差，得到下沉值。

3 實例分析

本次采用Trimble GX200三維激光掃描儀，對某一個沉陷盆地進行掃描，共進行2次獨立的掃描，由于該區(qū)域下面的采區(qū)正在進行開采，地表沉陷比較劇烈，因此，兩次掃描之間的時間間隔大約為25 d。雖然沉陷盆地范圍比較大，但為了獲得準確的點云信息，采用較高的采樣密度，采樣間隔為50 mm。最終獲得沉陷盆地兩次掃描的點云數(shù)據(jù)，如圖5和圖6所示。

圖5 沉陷盆地第一次掃描點云數(shù)據(jù)

圖6 沉陷盆地第二次掃描點云數(shù)據(jù)

把兩次掃描的點云數(shù)據(jù)疊加到一起，通過相應的軟件進行分析，就可以直觀地得到兩次掃描地表變化的情況，如圖7所示。從圖7可以看出沉陷盆地整個區(qū)域內(nèi)由于地下開采引起的地表下沉變化情況，同時可以得到下沉等值線圖，如圖8所示。

從實驗結(jié)果可以看出，三維激光掃描技術(shù)可以很好地應用到礦區(qū)沉陷盆地的變形監(jiān)測，該技術(shù)改變了以往以線蓋面的監(jiān)測方法，而是從整體上全面地對沉陷盆地進行掃描監(jiān)測，進而可以得到整個盆地的變形情況，對于工程應用具有實際意義。

4 結(jié) 論

1）傳統(tǒng)沉陷盆地的獲取方式需要埋設(shè)測點，并布設(shè)成剖面線狀或網(wǎng)狀形式，投入大，觀測周期長，測點不易保護。剖面線狀觀測站所測資料只反映觀測線所在斷面上的移動和變形的分布大小，不能很好地描述整個沉陷盆地的狀況；網(wǎng)狀觀測站由于測點數(shù)目較多，野外觀測和室內(nèi)成果整理工作量大。

2）理論上應用三維激光掃描測量系統(tǒng)對開采沉陷引起的地表移動進行觀測，可較快地獲得整個區(qū)域的空間位置及垂直相對位置的變化，從而確定整個地表移動區(qū)域的下沉情況。

3）具體實例表明，應用三維激光掃描儀對沉陷區(qū)域進行連續(xù)兩次掃描，將獲取的點云數(shù)據(jù)進行處理后生成數(shù)字高程模型DEM，兩次觀測得到的DEM模型相減，可得到整個區(qū)域?qū)我庾鴺说南鲁林?。應用所得下沉值即可獲取開采區(qū)域的沉陷盆地。

4）應用三維激光掃描技術(shù)獲取沉陷盆地沉降數(shù)據(jù)具有快速靈活的特點，不需要固定測點、節(jié)約成本、時間短，提高效率的同時還可獲得豐富的觀測數(shù)據(jù)，相當于一個高密度的網(wǎng)狀觀測站，為開采沉陷的研究提供了更為全面的實測數(shù)據(jù)。

［1］宋宏．地面三維激光掃描測量技術(shù)及其應用分析［J］．測繪技術(shù)裝備，2008，10（2）：40－43．

［2］馬立廣．地面三維激光掃描測量技術(shù)研究［D］．武漢：武漢大學，2005．

［3］羅德安，朱光，陸立，等．基于3維激光影像掃描技術(shù)的整體變形監(jiān)測［J］．測繪通報，2005（7）：40－42．

［4］何國清，楊倫，凌庚娣，等．礦山開采沉陷學［M］．北京：中國礦業(yè)大學出版社，1994．

［5］張舒，吳侃，王響雷，等．三維激光掃描技術(shù)在沉陷監(jiān)測中應用問題探討［J］．煤炭科學技術(shù)，2008，36（11）：92－95．

［6］趙兵朝，趙國梁，李瑞斌．全站儀在開采沉陷三維相似模擬實驗中的應用［J］．西安科技大學學報，2007，27（1）：35－38．

［7］于遠洋，谷拴成，朱彬．開采沉陷地表移動規(guī)律初探［J］．西安科技大學學報，2007，27（1）：11－14．

［8］馬立廣．地面三維激光掃描儀的分類與應用［J］．地理空間信息，2005（3）：60－62．

［9］趙曉明，洪波．三維激光掃描儀應用技術(shù)研究［J］．價值工程，2010，29（9）：236．

［10］于啟升，吳侃，鄭汝育．利用三維激光掃描數(shù)據(jù)求取開采沉陷預計參數(shù)研究［J］．地礦測繪，2010，26（2）：1－3．

Research and application of 3D laser scanning to subsidence basin

CHEN Ran－li1，WU Kan2
（1．Department of Geomatics Engineering，Shijiazhuang Institute of Railway Technology，Shijiazhuang 050041，China；2．School of Environment Science and Spatial Informatics，China University of Mining ＆Technology，Xuzhou 221008，China）

Traditional observation station sets up fixed points and occupies farmland and has difficulties to protect those points．A new way of using 3D laser scanning to get subsidence basin was presented．It introduces the principle of using 3D Laser Scanner to get subsidence basin and the processing of point cloud date in the thesis．It makes a detailed study on getting the subsidence basin，and analysis has been carried out through experiments and has achieved good results．

3D Laser Scanner；subsidence basin；point cloud data

TU196

A

1006－7949（2012）03－0067－04

2011－06－22

陳冉麗（1982－），女，碩士．

［責任編輯張德福］