基于三維激光掃描技術(shù)的礦山滑坡變形趨勢評價方法

韓 亞 王衛(wèi)星 李 雙 劉 晟 張 鑫

(長安大學(xué)信息工程學(xué)院，陜西 西安 710064)

基于三維激光掃描技術(shù)的礦山滑坡變形趨勢評價方法

韓 亞 王衛(wèi)星 李 雙 劉 晟 張 鑫

(長安大學(xué)信息工程學(xué)院，陜西 西安 710064)

近年來礦山邊坡災(zāi)害不斷發(fā)生，由于礦山滑坡災(zāi)害的復(fù)雜性，一般很難對其進行有效的監(jiān)測和研究。為安全及有效地監(jiān)測礦山邊坡安全狀態(tài)，用先進的三維激光掃描技術(shù)對邊坡進行如下參數(shù)測量：基于三角網(wǎng)格的土方量計算，基于點云的坡度計算，基于mesh網(wǎng)格的等高線分布。然后分別從這3個方面對邊坡狀態(tài)進行分析。由于僅僅基于單一測量參數(shù)來判斷邊坡穩(wěn)定狀態(tài)具有片面性，對此，在上述3個參數(shù)測量的前提下，又提出一種模糊綜合評價方法。該方法是將土方量變化、坡度變化和等高線分布變化作為3個評價因子，然后每個評價因子的隸屬度利用3個因子在全部因子中所占的比例來確定，最后利用提出的公式來評價邊坡的狀態(tài)。此方法能夠比較全面地判斷邊坡變形趨勢，對邊坡的災(zāi)害預(yù)警具有重要意義。

三維激光掃描儀 點云 邊坡 土方量 坡度 等高線

礦山在我國經(jīng)濟發(fā)展中占有重要地位。近年來我國開采的礦山越來越多，雖然國家的安全管理意識不斷提高，但金屬等礦山的傷亡事故頻發(fā)。隨著礦業(yè)的不斷發(fā)展和露天開采深度的加大，邊坡穩(wěn)定性問題日益嚴重，邊坡滑坡等災(zāi)害已經(jīng)嚴重威脅了人們的生命財產(chǎn)安全。所以對露天礦山邊坡的穩(wěn)定性研究具有重要意義[1-3]。

邊坡監(jiān)測的方法有許多種，如GPS監(jiān)測、伸長儀監(jiān)測、光纖監(jiān)測、遙感等監(jiān)測技術(shù)與方法。但由于邊坡地形通常復(fù)雜、通視差、環(huán)境條件變化大，用這些方法采集的數(shù)據(jù)一般受環(huán)境的影響或測量誤差較大。三維激光掃描儀能遠距離、無干擾的對礦山進行掃描，同時可以高密度、高精度和快速度地獲取地表點坐標信息，將地面物體直觀、形象地反映出來，具有分辨率高、速度快、測量分布均勻、精確度高等優(yōu)點，將人員的安全威脅程度降到了最低。利用三維激光掃描技術(shù)能快速獲取礦山邊坡的數(shù)據(jù)，對邊坡的監(jiān)測提供可靠的數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)的分析能更好的分析邊坡變形趨勢，對邊坡災(zāi)害預(yù)警具有重要意義[4-6]。

1 三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用

1.1 三維激光掃描儀工作原理

三維激光掃描儀主要包括激光測距系統(tǒng)和激光掃描系統(tǒng)，集成CCD和儀器內(nèi)部控制盒校正系統(tǒng)等。激光測距系統(tǒng)一般包括3種：激光脈沖測距法、相位干涉法和激光三角法。

三維激光掃描儀一般采用激光脈沖測距法進行測距。在儀器內(nèi)，激光脈沖發(fā)射體發(fā)出的窄束激光脈沖依次掃過被測區(qū)域，經(jīng)反射后，幾乎沿相同路徑返回到儀器，可以計算目標點P與掃描儀距離S，同時掃描控制模塊和測量每個脈沖激光的水平角度α和垂直角度β，最后計算出激光在被測物體上的三維坐標[7-8]。

三維激光掃描測量一般為儀器自定義坐標系。X軸在橫向掃描面內(nèi)，Y軸在橫向掃描面內(nèi)與X軸垂直，Z軸與橫向掃描面垂直。獲得P點的坐標，如圖1。

三維坐標點P的計算式為

(1)

圖1 掃描點坐標計算原理

1.2 基于三維激光掃描技術(shù)的數(shù)據(jù)采集及處理

用三維激光掃描儀對礦山邊坡進行掃描，最后用與三維激光掃描儀相配的軟件(如：Cyclone)對掃描的數(shù)據(jù)進行處理[9]。

(1) 配準和拼接。由于掃描過程中的地形比較復(fù)雜，三維激光掃描儀的視角有限，不可能一次完成點云數(shù)據(jù)的掃描，需要進行多個站點的掃描。利用設(shè)定的標靶，將測到的不同站上的數(shù)據(jù)進行拼接，將不同站的點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的直角坐標系中。

(2) 去噪。由于掃描過程中會有一些人員、建筑物等與邊坡無關(guān)的噪聲被掃描到，必須利用相關(guān)軟件手動去除。

1.3 邊坡監(jiān)測方法

近年來三維激光技術(shù)在不斷發(fā)展，利用三維激光掃描技術(shù)對邊坡監(jiān)測可以從幾個方面進行研究。如土方量的計算、邊坡的坡度變化和等高線的分布來判斷邊坡的變形趨勢。

1.3.1 土方量的計算

土方量的計算方法有許多種，常用的方法有方格網(wǎng)法、等高線法、斷面法等[7,10,11]。方格網(wǎng)法是將掃描的測量點分成若干個方格形成網(wǎng)格，根據(jù)測得的高程來估算土方量，所有方格的土方量之和即為整個測量點的土方量。方格越多計算精度越高。斷面法可根據(jù)截面的方向分為水平截面法和垂直截面法，斷面間土方量是以斷面平均截面積與斷面間距確定的，并由此計算總土方量。其適用于坡度變化較大的地區(qū)。等高線主要是求出相鄰等高線之間的體積來計算土方量，精度較低。

本研究采用的是不規(guī)則三角網(wǎng)法(Triangulated Irregular Network，TIN)[7]來計算土方量。不規(guī)則三角網(wǎng)法(TIN)是將獲得的表面點坐標(X,Y,Z)生成三角網(wǎng)格，通過計算三角棱柱的的土方量來計算總體的土方量。

計算過程如下：

(1)對掃描的點云數(shù)據(jù)建立TIN網(wǎng)格。

(2)在掃描的點云數(shù)據(jù)上建立參考平面，計算參考面以上的體積即挖方量:將三角網(wǎng)的3個點ABC在參考面上進行投影得到另一個三角形A′B′C′，如圖2(a)所示，由2個三角形得到1個三菱柱，三菱柱體積計算式為

(2)

式中，SABC為三角形面積，H為三菱柱高。

(3)同理計算參考面以下體積即填方量VT如圖2(b)。把所有的挖方和填方的體積分別累加起來就可以得到總挖方量VWZ，和總填方量VTZ。

(3)

其中,VWi表示第i個三菱柱的挖方量。

(4)

其中,VTi表示第i個三菱柱的填方量。

(5)

其中,VZ表示總的土方量的體積。

1.3.2 坡度的計算

通常把坡面的垂直高度和水平距離的比叫做坡度。坡度反映了地表單元陡緩的程度，坡度越大，地表走勢越陡，越易發(fā)生滑坡現(xiàn)象。

(a)計算挖方量原理

(b)計算填方量原理

三維激光掃描技術(shù)能夠?qū)呙璧倪吰逻M行處理測量出邊坡的一些參數(shù)，進而計算出坡度。邊坡坡度測量原理如圖3所示，S1S2S3是掃描的點云數(shù)據(jù)的邊坡表面，在其設(shè)定的參考面上建立一個平面，并建立三維坐標系XYZ,沿Y軸正方向找到參考面以上的最高點，計算這個最高點到參考面的距離，記為邊坡的高度H,H與參考面的交點記為A。邊坡與參考面相交得到的曲線記為S，S1、S2是S的2個端點，同時將S的兩個端點連接為一條直線記為M,計算A到M的水平距離記為L，則坡度為d=H/L,角度為

(6)

1.3.3 等高線

在同一坐標系下，相同的水平坐標，高程的變化反映了邊坡的變化。等高線密集度反映了坡度的陡緩程度，等高線越密坡度越陡，越易發(fā)生滑坡現(xiàn)象。

本研究利用三維激光掃描技術(shù)對掃描的邊坡進行等高線的制作，可以通過查看等高線的密集度，知道此刻邊坡的狀態(tài)。同時可以把制作的等高線導(dǎo)入CAD軟件中對其進行分析。這些數(shù)據(jù)為以后的滑坡保護以及監(jiān)測工作提供了完整可靠的數(shù)據(jù)。

1.4 邊坡變形綜合評價

由于滑坡災(zāi)害的復(fù)雜性，僅單個從滑坡量、坡度和等高線分布不能很好地反映邊坡的狀態(tài)。對此本研究提出一個針對上述3個因素的模糊綜合評判方法來分析邊坡狀態(tài)。

圖3 坡度測量原理

用模糊方法對邊坡進行綜合評價，方法如下：

(1)設(shè)有2個模糊集合。因素集

坡度，等高線密集度}，

其中n為評價因子數(shù)，此處n=3。評價集

{危險，中等，穩(wěn)定}.

(2)用各個因子的變化量在全部因子變化量之和中的比例來確定各個因子的權(quán)重。

(7)

其中，ai，i=1,2,3依次表示滑坡量、坡度變化、等高線變化的三個因素的權(quán)重。

(3)綜合評判：

W=a1u1+a2u2+a3u3,

(8)

(9)

其中，V1表示第1次用三維激光掃描后計算的挖法與填方的土方量之差，即

VW1表示第1次計算的挖方，VT1表示第1次計算的填方；V2表示第2次掃描后計算的挖法與填方的土方量之差，即

VW2表示第2次計算的挖方，VT2表示第2次計算的填方。

(10)

其中，θ1表示第1次用三維激光掃描計算后的坡度；θ2表示第2次掃描后計算的坡度。

(11)

其中，h1表示第1次用三維激光掃描計算后的等高線的密集度；h2表示第2次掃描后等高線的密集度。

從式(8)可以看出W愈大，各個因素的變化量越大，越易發(fā)生滑坡。

2 應(yīng)用于邊坡監(jiān)測的實例

首先采用徠卡Scanstation C10三維激光掃描儀對礦山邊坡進行掃描，掃描最遠距離為300 m，表面精度可達2 mm。之后用與三維激光掃描儀相配的Cyclone軟件對掃描的點云數(shù)據(jù)進行去噪和拼接處理得到如圖4所示的邊坡數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)能夠看出邊坡的大概形態(tài)。。然后將邊坡的真彩色數(shù)據(jù)即將邊坡的真實的色彩附加到點云數(shù)據(jù)上去如圖5所示，真實的顏色信息更能反映邊坡的面貌。

(a)掃描處理后的點云數(shù)據(jù)正面圖

(b)掃描處理后的點云數(shù)據(jù)側(cè)面圖

(a)對點云數(shù)據(jù)附加顏色信息的正面圖

(b)對點云數(shù)據(jù)附加顏色信息的側(cè)面圖

基于三維激光掃描技術(shù)對提出的邊坡監(jiān)測方法進行處理：

(1)基于三維激光掃描技術(shù)，利用三角網(wǎng)格方法得到土方量數(shù)據(jù)，如圖6所示?？偼诜搅繛?/p>

VWZ=22 386 600.968 260 8m3，

總填方量為

VTZ=11 896 070.574 886 7m3,

從以上的數(shù)據(jù)可以看出，數(shù)據(jù)精度為10-7，計算精度較高。

圖6 計算的土方量

(2)基于三維激光掃描技術(shù)依據(jù)坡度計算原理，得到如圖7所示參數(shù)，計算坡度。

H=145.062m,L=436.526m.

d=H/L=145.062/436.526,

θ=arctand=18.382 168 531 69°.

圖7 對掃描的邊坡計算坡度圖

(3)利用本研究掃描的點云數(shù)據(jù)建立等高線，如圖8，可以看出高程為1 553.750 m到1 546.750 m范圍內(nèi)等高線較密集，坡度較陡，發(fā)生滑坡的可能性較大。同時把等高線導(dǎo)入CAD軟件，之后可以用CAD軟件對其進行分析，見圖9。這些數(shù)據(jù)為以后的滑坡保護以及監(jiān)測工作提供了完整可靠的數(shù)據(jù)。

圖8 部分等高線分布圖

圖9 等高線導(dǎo)入CAD示意圖

經(jīng)過一段時間再次掃描該礦山邊坡，用同樣的方式計算該邊坡的土方量,坡度，等高線分布密集的高程區(qū)域。計算邊坡2次土方量的變化量、坡度變化量及等高線變化。變化量越大，越易發(fā)生滑坡。

通過上述方法的處理得到2次數(shù)據(jù)，運用綜合評判公式(8)對邊坡進行分析,W越大，邊坡越不穩(wěn)定，發(fā)生滑坡可能性越大。

3 結(jié) 論

通過用三維激光掃描技術(shù)對礦山邊坡進行掃描和處理，分別從邊坡土方量、坡度和等高線分布對邊坡狀態(tài)進行分析具有片面性。利用本研究提出的綜合評判方法，將3個方面進行綜合處理，能夠比較全面的判斷邊坡變形趨勢。與GPS等傳統(tǒng)方法相比，此方法精度高，危險小，對滑坡趨勢判斷更精確，更全面。但該方法還有許多不足，如W值達到什么數(shù)據(jù)發(fā)生滑坡還需要經(jīng)驗來判斷，該方法在理論上對邊坡監(jiān)測具有指導(dǎo)意義。

[1] 王啟明.我國非煤露天礦山大中型邊坡安全現(xiàn)狀及對策[J].金屬礦山,2007(10):1-5. Wang Qiming.Status quo of large and medium slopes in China non-coal open-pit mines and countermeasures[J].Metal Mine,2007(10):1-5.

[2] 鄭 強,姜福川,石穩(wěn)穩(wěn).露天礦山危險因素分析及安全管理體系構(gòu)建方式研究[J].有色金屬:礦山部分,2011,63(4):61-65.

Zheng Qiang，Jiang Fuchuan，Shi Wenwen.Analysis of risk factors and study on safety management system for open-pit mine[J].Nonferrous Metals:Mining Section,,2011,63(4):61-65.

[3] 楊 彪,羅周全,陸 廣,等.露天礦山三維設(shè)計方法應(yīng)用研究[J].工程設(shè)計學(xué)報,2011,18(1):48-52. Yang Biao,Luo Zhouquan,Lu Guang,et al.Application research of three-dimensional design method in surface mine[J].Journal of Engineering Design,2011,18(1):48-52.

[4] 邱俊玲,夏慶霖,姚凌青,等.基于三維激光掃描技術(shù)的礦山地質(zhì)建模與應(yīng)用[J].地球科學(xué),2012,37(6):1209-1216. Qiu Junling,Xia Qinglin,Yao Lingqing,et al.Mine geological modeling and application based on the three-dimensional laser scanner technology[J].Earth Science,2012,37(6):1209-1216.

[5] Zhou Y,Cui M,Yang L.Application of 3D laser scanner in topographic change monitor and analysis[C]∥Electronic Measurement & Instruments,2009.ICEMI'09 9th International Conference on IEEE,2009:4382-4385.

[6] Pieraccini M,Noferini L,Mecatti D,et al.Integration of radar interferometry and laser scanning for remote monitoring of an urban site built on a sliding slope[J].Geoscience and Remote Sensing,IEEE Transactions,2006,44(9):2335-2342.

[7] 李 濱,冉 磊,程承旗.三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于土石方工程的研究[J].測繪通報,2012(10):62-64. Li Bin，Ran Lei，Cheng Chengqi.Research on the application of 3D laser scanning in earthwork volume calculation[J].Bulletin of Surveying and Mapping.2012(10):62-64.

[8] Slob S,Van Knapen B,Hack R,et al.Method for automated discontinuity analysis of rock slopes with three-dimensional laser scanning[J].Transportation Research Record:Journal of the Transportation Research Board,2005,1913(1):187-194.

[9] 徐進軍,王海城,羅喻真,等.基于三維激光掃描的滑坡變形監(jiān)測與數(shù)據(jù)處理[J].巖土力學(xué),2010,31(7):2188-2191. Xu Jinjun,Wang Haicheng,Luo Yuzhen,et al.Deformation monitoring and data processing of landslide based on 3D laser scanning[J].Rock and Soil Mechanics,2010,31(7):2188-2191.

[10] 李 殷,朱益虎.DTM 在土方計算中的應(yīng)用[J].地礦測繪,2007,22(4):33-36. Li Yin,Zhu Yihu.Application DTM to calculation of cutting and filling[J].Surveying and Mapping of Geology and Mineral Resources,2007,22(4):33-36.

[11] 吳清海.基于TIN 的土方計算在地面沉降預(yù)測中的應(yīng)用[J].測繪通報,2009(9):15-17. Wu Qinghai.Application of the earth-volume calculation in surface subsidence forecast based on TIN[J].Bulletin of Surveying and Mapping,2009(9):15-17.

(責任編輯 石海林)

An Evaluation Method of Mine Landslide and Deformation Trend based on Three-dimensional Laser Scanning Technology

Han Ya Wang Weixing Li Shuang Liu Sheng Zhang Xin

(SchoolofInformationEngineering,Chang'anUniversity,Xi′an710064,China)

Mine slope disasters always occurred in recent years.Due to the complexity of the mine landslide disaster,it is difficult to make effective monitoring and research.To safely and effectively monitor the safety status of the mine slope,three parameters of slope are measured by the advanced three-dimensional laser scanning technology,including the earthwork based on triangular mesh,the slope gradient based the point cloud data,and contour distribution based on mesh grid.Then the state of the slope is respectively analyzed from the three aspects above.It is one-sided to determine the state of the slope based on a single measurement parameter.To overcome the one-sidedness,a fuzzy comprehensive evaluation method is proposed,based on the three measured parameters.In this method,the factors of earthwork,slope gradient and contour distribution are set as evaluation factors,and the membership of each factor are determined based on three factors share in the proportion of all factors.Based on this,the slope state is evaluated by using the formula proposed.Therefore,slope deformation trends can be more comprehensively determined by this method.The method plays an important role in warning the slope disaster.

3D laser scanner,Point cloud,Slope,Earthwork,Slope gradient,Contour

2014-05-13

國家自然科學(xué)基金項目(編號：61170147)，陜西省科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展計劃項目(國際合作)(編號：2013KW03)，西安市科技計劃項目(編號：CX1252(8))，中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金項目(編號：2013G2241019)。

韓 亞(1989—)，女，碩士研究生。

TD672

A

1001-1250(2014)-08-103-05