三維激光掃描在礦區(qū)地面沉陷變形監(jiān)測中的應(yīng)用

李 強(qiáng)，鄧 輝，周 毅

(成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610059)

0 引言

三維激光掃描技術(shù)是繼GPS技術(shù)之后的一門高新測繪技術(shù)。目前，該技術(shù)主要用于工程測量、地形測量、高陡邊坡巖體特征量測、虛擬現(xiàn)實(shí)和模擬可視化、礦區(qū)土方開挖斷面和體積測量、工業(yè)制造、加工檢測、施工量測、事故調(diào)查、歷史古跡調(diào)查與恢復(fù)，以及特殊動畫效果測量等方面［1-3］。

三維激光掃描技術(shù)又稱“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”，能夠快速獲取完整的原始測繪數(shù)據(jù)并高精度地重建掃描實(shí)物［4］。近年來，該技術(shù)應(yīng)用于變形監(jiān)測已成為不少學(xué)者研究的熱點(diǎn)，并且已經(jīng)在該領(lǐng)域取得了一定的研究成果，如2005年羅德安等分析了三維激光掃描技術(shù)在變形監(jiān)測領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用的可行性、技術(shù)優(yōu)勢和存在的問題，認(rèn)為基于三維激光掃描技術(shù)的整體形變監(jiān)測是可行的［5］;2006年李秋等對礦區(qū)地表沉陷監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取精度進(jìn)行了分析，并結(jié)合礦區(qū)地表沉陷監(jiān)測技術(shù)優(yōu)勢與存在問題進(jìn)行了討論［6］;2010年徐進(jìn)軍、王海城等將三維激光掃描技術(shù)引入到滑坡變形監(jiān)測與分析中，并進(jìn)行了相應(yīng)的理論分析與實(shí)際測量［7］;2011年丁延輝等提出了一種應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)研究建筑物變形的方法，該方法可以對建筑物進(jìn)行平面位移監(jiān)測、沉降監(jiān)測、傾斜分析、整體形變監(jiān)測［8］;2012年陳致富、陳德立等對三維激光技術(shù)在基坑變形監(jiān)測中的應(yīng)用進(jìn)行了初步研究，討論并分析了三維激光掃描系統(tǒng)在基坑監(jiān)測中的技術(shù)優(yōu)勢和存在的問題［9］。

三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于不同工程領(lǐng)域的變形監(jiān)測研究表明:該技術(shù)用于變形監(jiān)測具有可行性，其與常規(guī)變形監(jiān)測手段性相比，突破了傳統(tǒng)的單點(diǎn)測量方法，具有數(shù)據(jù)采集效率高、數(shù)據(jù)獲取速度快、數(shù)據(jù)分辨率高、測量精度高、無接觸測量等優(yōu)點(diǎn)［10］;另外，由于采樣點(diǎn)多(最多可獲取10億)，從而不僅能夠表進(jìn)行單點(diǎn)變形監(jiān)測分析，也可進(jìn)行線(剖面)和整體變形分析。

1 三維激光掃描原理及其適用性

根據(jù)三維激光掃描儀測距方式的不同，工作原理也不盡相同。目前，大多數(shù)三維激光掃描儀所采用的工作方式是脈沖激光測距的方法，采用無接觸式高速激光測量，以點(diǎn)云形式獲取掃描物體表面陣列式幾何圖形的三維數(shù)據(jù)，如 HDS2500，ScanStation2，RIEGL VZ-400，RIEGL VZ-1000，ILRIS-3D，HDS8800，GLS-1500，I-site8800等。此種工作原理的三維激光掃描儀主要采用TOF脈沖測距法(Time of Flight)，是一種高速激光測時、測距技術(shù)。其獲取掃描目標(biāo)點(diǎn)云坐標(biāo)原理為:根據(jù)內(nèi)部精密的測量系統(tǒng)獲取發(fā)射出去的激光光束的水平方向角度α和垂直方向角度θ;由脈沖激光發(fā)射到反射被接收的時間計(jì)算得到掃描點(diǎn)到儀器的距離值S;從獲取掃描反射接收的激光強(qiáng)度，對掃描點(diǎn)進(jìn)行顏色灰度的匹配。這樣就能夠獲取掃描對象表面每個采樣點(diǎn)的三維坐標(biāo)(公式1)，從而得到掃描對象的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

三維激光掃描系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)之一即是測量精度高，當(dāng)前的掃描儀單點(diǎn)定位精度已達(dá)毫米級，形成模型表面精度±2mm，徠卡HDS6200甚至可達(dá)1mm(25m范圍內(nèi));而變形監(jiān)測的最大特點(diǎn)是精度要求高，三維激光掃描技術(shù)用于變形監(jiān)測則恰好能突顯其精度高的優(yōu)點(diǎn)。該技術(shù)用于礦區(qū)開采引起的地面沉降變形監(jiān)測，不僅能滿足變形監(jiān)測的高精度要求，而且能夠快速的獲取整個變形監(jiān)測區(qū)的相對空間位置及垂直位置變化，以確定監(jiān)測區(qū)地表沉降變形情況。由此獲得的沉降變形結(jié)果能更全面、直觀地反映地表整體沉降變形特征情況。

本次礦區(qū)地面沉降變形監(jiān)測選擇瑞士徠卡公司生產(chǎn)的ScanStation2三維激光掃描儀獲取三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。ScanStation2三維激光掃描儀具有全方位視角、高精度雙軸(傾斜)補(bǔ)償器、測量級的點(diǎn)位精度等特點(diǎn)［11］。其測距距離1.8～300m(為了保證測量精度，一般控制測距距離為2～50m)，單點(diǎn)掃描精度為±4mm，標(biāo)靶獲取精度±1.5mm，形成模型表面精度為±2mm，掃描速度50000點(diǎn)/s。

2 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于重慶市萬盛某采煤礦區(qū)沉陷變形區(qū)內(nèi)，距重慶市105km，交通便利。該區(qū)地處四川盆地與貴州高原接壤地帶，山脈走向NNE，大致與地層走向一致，總的地勢東高西低。區(qū)內(nèi)地層巖性主要為第四系灰色泥巖碎塊及粉砂質(zhì)粘土，三疊系下統(tǒng)嘉陵江組(Tj1)灰色薄～中厚層狀灰?guī)r、灰色泥質(zhì)灰?guī)r，飛仙關(guān)組(T1f)灰綠色灰質(zhì)泥巖。構(gòu)造上位于南桐復(fù)式背斜之次一級褶皺烏龜山背斜東翼，構(gòu)造軸向由NNE轉(zhuǎn)NNW，形成寬緩向斜和緊密背斜形態(tài)的隔擋式褶皺。斷裂構(gòu)造主要產(chǎn)于緊密背斜軸部，多以走向斷裂為主。

該煤礦于1959年投入生產(chǎn)，已經(jīng)具有50余年開采歷史，礦區(qū)煤層平均埋藏深度640～690m，目前仍在繼續(xù)開采。礦區(qū)的長期開采形成了采空區(qū)，采空區(qū)面積5.82km2，受采動影響范圍面積28.46km2。采空區(qū)的局部塌陷引起了采空區(qū)及采動影響范圍內(nèi)地表不同程度的沉降變形。在采空區(qū)影響范圍以內(nèi)，地表建筑物、地面出現(xiàn)了明顯的沉陷、拉裂變形現(xiàn)象。隨著礦區(qū)的繼續(xù)開采，沉降變形跡象正在進(jìn)一步加劇。因此，為了礦區(qū)繼續(xù)安全開采，對沉陷變形區(qū)進(jìn)行沉降變形監(jiān)測已刻不容緩。

本文選取采煤礦區(qū)采動影響范圍內(nèi)地表變形明顯、沉陷趨勢顯著的某廠區(qū)建筑物、地表作為研究對象，通過對其兩個時期(2011.3、2012.5)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集、處理、變形量值提取及沉陷變形趨勢分析，為研究整個采煤礦區(qū)及采動影響區(qū)的沉降變形規(guī)律、礦區(qū)開采危險性評價及礦區(qū)恢復(fù)治理提供了重要參考依據(jù)。

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理

研究區(qū)進(jìn)行地表沉降變形監(jiān)測的基本工作流程分為監(jiān)測方案布置、點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集、點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理、點(diǎn)云數(shù)據(jù)后處理、變形結(jié)果對比分析。

圖1 地面沉降變形監(jiān)測工作流程Fig.1 The process of monitoring surface deformation

3.1 監(jiān)測方案布置

監(jiān)測方案布置分為測站、控制標(biāo)靶以及基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)置。

(1)測站設(shè)置

測站設(shè)置即掃描獲取整個研究區(qū)點(diǎn)云數(shù)據(jù)所需設(shè)置的測站數(shù)量和掃描儀的安放位置。布置原則:在確定要掃描的目標(biāo)對象以及被掃描對象周圍環(huán)境后，針對掃描對象的位置、大小、形態(tài)及所需獲取的重點(diǎn)屬性后，確定測站位置和站數(shù);為了后續(xù)數(shù)據(jù)處理時保證數(shù)據(jù)拼接精度，測站數(shù)≤3站為宜。本研究中根據(jù)研究區(qū)情況結(jié)合掃描儀的測距距離共設(shè)置兩個測站(圖2)。

(2)控制標(biāo)靶設(shè)置

控制標(biāo)靶即用于不同測站所獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接的基準(zhǔn)點(diǎn)。布置原則:必須布置于兩相鄰測站掃描儀都能識別標(biāo)靶中心(直徑2mm的特殊材質(zhì)的激光反射點(diǎn))的位置;同一區(qū)域布置的控制標(biāo)靶數(shù)量至少≥3個(一般情況下布置4～5個標(biāo)靶);標(biāo)靶位置不能處于同一條直線上。本研究在監(jiān)測區(qū)共設(shè)置4個控制標(biāo)靶(圖3)。

圖2 研究區(qū)測站布置Fig.2 Station layout of the study area

圖3 研究區(qū)控制標(biāo)靶布置Fig.3 Control target layout of the study area

(3)控制點(diǎn)設(shè)置

控制點(diǎn)用于對不同期次點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)進(jìn)行配準(zhǔn)。控制點(diǎn)的布置必須作嚴(yán)格要求，因?yàn)榭刂泣c(diǎn)的穩(wěn)定性和可靠性將直接影響變形監(jiān)測結(jié)果的可靠性和精度。布置原則:控制點(diǎn)需布置于無變形區(qū)域，控制點(diǎn)的個數(shù)≥3(一般布置4個，其中一個作為備用);在監(jiān)測周期內(nèi)控制點(diǎn)的必須具有足夠的穩(wěn)定性而不會被人為或者自然破壞;控制點(diǎn)位置不能處于同一直線上。一般情況下，監(jiān)測對象所在區(qū)域或多或少都存在一定的變形，控制點(diǎn)要布置于絕對的無變形區(qū)域無法滿足，此種情況下，監(jiān)測點(diǎn)需布置于區(qū)域變形量相對較小的位置，并假定控制點(diǎn)是相對不變形，因而獲得的變形結(jié)果是該區(qū)域的相對變形結(jié)果。由于本文中研究區(qū)整體變形跡象明顯，不存在絕對無變形區(qū)，因此，研究中假定設(shè)置的控制點(diǎn)位置為相對不變形的，最終得到的監(jiān)測結(jié)果為相對沉降變形量。

3.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

在布置好監(jiān)測方案之后，首先在選定的測站上架設(shè)掃描儀，調(diào)整好儀器姿態(tài)，然后將掃描儀與筆記本進(jìn)行相連接，并在Cyclone軟件中設(shè)置好掃描參數(shù)(行、列數(shù)和掃描的分辨率等)，此時便可對待測對象進(jìn)行三維激光掃描，掃描儀會按照軟件環(huán)境中設(shè)置的參數(shù)自動進(jìn)行場景掃描。對待測目標(biāo)進(jìn)行三維激光掃描的同時，為了后續(xù)數(shù)據(jù)處理(點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接、坐標(biāo)配準(zhǔn))，需對待測目標(biāo)關(guān)鍵部位(待測目標(biāo)的結(jié)構(gòu)部位、控制標(biāo)靶和控制點(diǎn))進(jìn)行細(xì)部掃描，最終獲取完整的目標(biāo)物體三維點(diǎn)云圖像。

3.3 點(diǎn)云去噪處理

由于三維激光掃描儀所獲取的點(diǎn)云圖像中采集到了植被、電線等與變形監(jiān)測無關(guān)的信息，因此在進(jìn)行三維數(shù)據(jù)后處理之前需要對三維數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理，對這些無關(guān)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)應(yīng)盡量刪除，減小其干擾，從而提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。

3.4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接

由于研究區(qū)點(diǎn)云數(shù)據(jù)是通過設(shè)置兩站獲取的分幅數(shù)據(jù)，因而要得到研究區(qū)的完整點(diǎn)云數(shù)據(jù)，需要將兩站點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接。不同測站點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接是基于控制標(biāo)靶完成，拼接誤差一般要求控制在在0～3mm，否則不能滿足變形監(jiān)測的精度要求。本研究中利用設(shè)置的4個控制標(biāo)靶對兩個測站所獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接，拼接誤差為1mm，完全滿足精度要求。

3.5 兩期數(shù)據(jù)坐標(biāo)配準(zhǔn)

經(jīng)過拼接后的兩期三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)是基于不同掃描儀位置為參考點(diǎn)獲取的，因而具有各自獨(dú)立的坐標(biāo)系，為了對兩期數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，需要將兩期數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)配準(zhǔn)，以獲得統(tǒng)一的坐標(biāo)系。具體實(shí)現(xiàn)方法:以第一期的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)坐標(biāo)系統(tǒng)，依據(jù)獲取的第一期三維掃描數(shù)據(jù)中的4個控制點(diǎn)坐標(biāo)值為基準(zhǔn)，在Cyclone軟件中利用第一期監(jiān)測點(diǎn)坐標(biāo)對第二期三維掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)匹配。經(jīng)過對兩期三維數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)配準(zhǔn)，配準(zhǔn)結(jié)果的匹配誤差為2 mm，在允許的誤差范圍之內(nèi)(一般坐標(biāo)匹配精度要求在0～4mm)，滿足精度要求。

4 監(jiān)測數(shù)據(jù)后處理及結(jié)果分析

本研究利用不同時期三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行沉降變形監(jiān)測的基本思想:假設(shè)地面、墻體、建筑物等是不變形的(沒有位移變化)，對兩期三維數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析比較，若兩期三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)基本無變化，則說明監(jiān)測區(qū)沒有發(fā)生變形;若三維點(diǎn)云坐標(biāo)發(fā)生變化，則說明監(jiān)測區(qū)發(fā)生了變形，具體的變形特征需要提取兩期三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)變形結(jié)果進(jìn)行對比分析。

本文在對兩期三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理的基礎(chǔ)上，通過三維數(shù)據(jù)后處理操作分別提取了研究區(qū)兩個期次的點(diǎn)坐標(biāo)變化特征、剖面線變化特征及整體變形特征，并從點(diǎn)、線、面三個角度對研究區(qū)沉降變形特征進(jìn)行了對比分析。

4.1 單點(diǎn)變形提取分析

研究中應(yīng)用Cyclone軟件提取兩期三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)特征點(diǎn)坐標(biāo)值，利用兩期點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)值差值計(jì)算特征點(diǎn)的變形量值。特征點(diǎn)選取需遵守以下原則:監(jiān)測區(qū)的樹木、盆景等可能人為移動的物體不能作為特征點(diǎn)選取，應(yīng)當(dāng)選取監(jiān)測區(qū)墻體、建筑物、邊坡等的典型拐點(diǎn)、交叉點(diǎn)等作為特征點(diǎn)(圖4)。本次研究中選取研究區(qū)變形特征明顯的墻體作為特征點(diǎn)提取對象，通過提取兩期墻體特征點(diǎn)坐標(biāo)值，獲得了研究區(qū)的典型特征點(diǎn)變形結(jié)果如表1所示。

圖4 點(diǎn)特征提取分布位置Fig.4 Distribution of point feature extraction

通過對提取的研究區(qū)兩個時期特征點(diǎn)坐標(biāo)值對比分析可知:研究區(qū)墻體變形位移主要表現(xiàn)于X軸方向上，最大變形位移達(dá)32mm，其次是Y方向上最大18mm及Z方向上最大14mm;特征點(diǎn)位移變形表現(xiàn)為不均勻變形。

表1 特征點(diǎn)坐標(biāo)位移差值Table 1 Characteristic point coordinate displacement difference

4.2 線沉降變形提取分析

單一的點(diǎn)特征變形僅能反映出研究區(qū)的離散變形特征，而不能反映出連續(xù)的線性變形特征。通過提取研究區(qū)Z軸方向剖面線可直觀反映出地面沉降線性變形特征。本研究利用后處理軟件提取的剖面線沉降特征結(jié)果如圖5、圖6。

對提取的研究區(qū)兩個時期剖面線沉降變形位移(圖6)進(jìn)行對比分析可知:研究區(qū)發(fā)生明顯的沉降變形，最大沉降量15.7mm，最小沉降量2.8mm，表現(xiàn)為不均勻沉降變形，呈整體下沉的發(fā)展趨勢。

4.3 整體變形特征提取分析

圖5 剖面線位置Fig.5 Section line position

以上獲取的研究區(qū)點(diǎn)、線沉降變形僅僅是離散的點(diǎn)位移或局部線性變形特征，卻不能充分反應(yīng)監(jiān)測區(qū)的整體變形情況。三維激光掃描技術(shù)用于變形監(jiān)測的最大特點(diǎn)是對被掃描目標(biāo)做全方位、整體的數(shù)據(jù)采集，這樣便可對待測物體進(jìn)行整體變形監(jiān)測。

圖6 剖面線沉降變形位移Fig.6 Section line displacement

本研究利用后處理軟件對研究區(qū)兩期三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)分別建立表面模型(精度2mm)，形成一幅基于兩期監(jiān)測對象相同部位點(diǎn)云距離差值的整體沉降變形假彩色平面模型(圖7)，該模型能夠清楚地反映出研究區(qū)整體沉降變形趨勢及位移大小。根據(jù)研究區(qū)整體變形假彩色結(jié)果可知:研究區(qū)整體表現(xiàn)為不均勻沉降變形，沉降變形位移值主要分布于5～15mm區(qū)間，局部存在抬升現(xiàn)象，與現(xiàn)場實(shí)際情況基本相吻合。

圖7 整體變形假彩色結(jié)果Fig.7 The false color results of integral deformation

4.4 監(jiān)測結(jié)果精度分析

本研究中三維激光掃描儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時掃描精度為4mm，點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接精度為1mm，兩期點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)配準(zhǔn)精度為2mm，累計(jì)誤差精度為7mm＜10mm，滿足精度要求。礦區(qū)沉降變形監(jiān)測的精度要求一般在10mm以內(nèi)被認(rèn)為滿足精度要求［12］。

5 結(jié)論

本文采用三維激光掃描系統(tǒng)采集研究區(qū)兩期(2011.03、2012.5)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過對三維數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列處理，得出了監(jiān)測區(qū)單點(diǎn)沉降變形、地表剖面線變形以及地表整體變形結(jié)果。經(jīng)過對監(jiān)測結(jié)果的對比分析得出:(1)研究區(qū)呈整體變形趨勢，地面沉降為不均勻沉降，與現(xiàn)場實(shí)際沉降變形情況基本相吻合;(2)由于監(jiān)測區(qū)是整體變形，因而獲得的沉降變形結(jié)果是相對變形位移，最大沉降量15.7mm，最小沉降量2.8mm;(3)應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行地面沉陷礦區(qū)地表變形監(jiān)測，能夠獲得點(diǎn)、線、面變形監(jiān)測結(jié)果，與傳統(tǒng)單點(diǎn)變形監(jiān)測相比，彌補(bǔ)了其缺乏線性變形及整體變形特征的不足;(4)該技術(shù)應(yīng)用于地面沉陷礦區(qū)的地表變形監(jiān)測具有一定可行性和實(shí)際應(yīng)用價值。

目前三維激光掃描技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于各監(jiān)測領(lǐng)域，如大壩變形監(jiān)測、滑坡監(jiān)測、建筑物變形監(jiān)測、基坑變形監(jiān)測、橋梁變形監(jiān)測等方面，并取得了一定的研究成果，但由于該技術(shù)的測量方式及數(shù)據(jù)處理都完全不同于傳統(tǒng)測量手段，其具體應(yīng)用于礦區(qū)地面沉降變形監(jiān)測時尚存在理論問題和實(shí)際問題有待解決，仍需要進(jìn)一步研究完善。

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