三維激光掃描技術(shù)在煤礦沉陷區(qū)監(jiān)測應(yīng)用

李永強，劉會云，毛 杰，牛路標，閆陽陽

（河南理工大學(xué) 測繪與國土信息工程學(xué)院，河南 焦作454100）

傳統(tǒng)的開采沉陷監(jiān)測中是在沉陷區(qū)布設(shè)監(jiān)測點，對沉陷點進行定期和不定期觀測，根據(jù)監(jiān)測點的變動信息模擬整個沉陷區(qū)的變動狀況，進而對未來地表變動規(guī)律做出預(yù)報。傳統(tǒng)開采沉陷技術(shù)是最成熟、最可靠的方法，但也有工作量大、成本高、監(jiān)測點有限且易被破壞等制約因素。近年來測繪領(lǐng) 域 的 一 些 新 技 術(shù)，如 近 景 攝 影 測 量［1］、D－In－SAR［2］、測量機器人［3］、GPS－RTK［4］等先后應(yīng)用到開采沉陷研究中。地面三維激光掃描是測繪領(lǐng)域近些年來快速發(fā)展的一項前沿技術(shù)，具有數(shù)據(jù)獲取速度快、精度高、非接觸、直接獲取研究對象表面空間三維數(shù)據(jù)等優(yōu)勢，對礦區(qū)開采沉陷監(jiān)測具有其獨特的優(yōu)勢，科研工作者開展了一系列有價值的研究工作。李秋等［5］在對三維激光掃描數(shù)據(jù)精度分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合礦區(qū)地表沉陷監(jiān)測，就其技術(shù)優(yōu)勢與存在問題進行討論。戴華陽等［6］應(yīng)用地面三維激光掃描儀開展了沉陷區(qū)房屋移動變形監(jiān)測研究，驗證該技術(shù)的可行性。李永強等［7］針對于三維激光掃描儀應(yīng)用于煤礦區(qū)開采沉陷監(jiān)測問題，提出基于全覆蓋表面模型對比分析的思想。吳侃團隊［8－12］多年來在三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于開采沉陷監(jiān)測方面開展了一系列針對性研究，在可行性論證、沉陷盆地數(shù)據(jù)獲取、最佳點云密度、監(jiān)測精度分析、點云數(shù)據(jù)處理、沉陷參數(shù)求取、沉陷規(guī)律預(yù)測等方面取得了卓有成效的研究成果。本文在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，結(jié)合某煤礦開采沉陷監(jiān)測應(yīng)用需求，采用三維激光掃描技術(shù)與傳統(tǒng)觀測相結(jié)合的方法，對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的采空區(qū)、鐵路線、鐵路橋的沉降和變形進行試驗研究。

1 基本原理

面陣密集點云是地形三維激光掃描技術(shù)的最大優(yōu)勢，由面陣密集點云構(gòu)建的地物表面模型不但精細表達了地物的局部細節(jié)特征，而且各局部之間有著非常準確的空間拓撲關(guān)系。三維激光掃描儀能快速獲取變形監(jiān)測對象表面密集的點云數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理，獲取對象精細三維表面模型，這構(gòu)成變形監(jiān)測的基礎(chǔ)，通過對變形監(jiān)測對象兩期或多期觀測數(shù)據(jù)的對比分析，能快速準確地確定監(jiān)測對象各部分的形變狀況。煤礦開采沉陷區(qū)作為一種典型的變形體，也表現(xiàn)出面狀變化的特點，盡管傳統(tǒng)開采沉陷監(jiān)測的理論和方法已經(jīng)發(fā)展得比較成熟，但有限的監(jiān)測點很難完全真實準確地反映出整個監(jiān)測表面各部分的變形狀況。三維激光掃描技術(shù)的監(jiān)測方法雖然能真實反映整個表面的變化狀況，但基于該技術(shù)的開采沉陷監(jiān)測研究尚處于探索研究階段，必須聯(lián)合傳統(tǒng)監(jiān)測方法，充分發(fā)揮各自優(yōu)勢，并相互印證，才能更真實、準確達到變形監(jiān)測的目的。

2 數(shù)據(jù)獲取

本文進行兩期數(shù)據(jù)采集：第一期數(shù)據(jù)采集時間為2013年1月 使用Leica HDS4400型三維激光掃描儀，第二期數(shù)據(jù)采集時間為2013年11月，使用Leica TC802型全站儀配合FARO Focus3D型三維激光掃描儀。兩期數(shù)據(jù)采集均采用先布設(shè)控制網(wǎng)，再進行激光掃描的方式。

2．1 第一期數(shù)據(jù)采集

1）控制網(wǎng)布設(shè)：以已知點K1為起算點，觀測K1，A12，A8，B7，Z1，Z2閉合導(dǎo)線。其中A12，A8，B7為已布設(shè)的監(jiān)測點，Z1，Z2為臨時點；以K2為起算點，在橋兩側(cè)加測2個臨時點f1，f2。

2）激光掃描儀數(shù)據(jù)采集：分別在K1，A12，A8，B7，Z1，Z2，K2，f1，f2點上架 設(shè) 激 光 掃描儀，采用360°掃描方式，獲取整個試驗區(qū)激光掃描點云數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)能完整覆蓋整個監(jiān)測區(qū)域，如圖1（a）所示。

2．2 第二期數(shù)據(jù)采集

1）控制網(wǎng)布設(shè)：以已知點k1，k2為起算數(shù)據(jù)，加測3個臨時點Z1，Z2，Z3組成閉合導(dǎo)線，如圖1（b）所示。

2）激光掃描儀數(shù)據(jù)采集：在已知點Z1，K1，K2上架設(shè)全站儀，在激光掃描儀測站附近放置4個反射標靶，在掃描的同時通過全站儀精確觀測4個標靶的三維坐標。共進行21站數(shù)據(jù)采集。

圖1 兩期激光掃描數(shù)據(jù)采集

3 數(shù)據(jù)處理

3．1 數(shù)據(jù)整合與坐標統(tǒng)一

Leica HDS4400激光掃描儀通過設(shè)置架站點和照準點坐標，由自身所帶軟件自動把所有點都統(tǒng)一在相同的大地坐標系下。FARO Focus3D激光掃描儀能精確獲取半徑30 m的密集點云，同時獲得每個測站周圍四個標靶的三維坐標，四個標靶的坐標由全站儀精確觀測，通過同名點求得相關(guān)轉(zhuǎn)換參數(shù)，分別把每測站點云轉(zhuǎn)換為大地坐標，21測站數(shù)據(jù)即統(tǒng)一在相同坐標系下。兩期觀測均以K1，K2為起算數(shù)據(jù)，K1，K2坐標在掃描數(shù)據(jù)的近期精確觀測，為已知坐標，把兩期的觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)一在相同坐標系內(nèi)。

3．2 噪聲濾除

對激光掃描點云數(shù)據(jù)處理的目的是獲取地表面精細三維模型，濾除樹木、低矮植等噪聲點，分兩個步驟完成：

1）分區(qū)人工交互濾波：根據(jù)掃描區(qū)域的平面坐標，將整個掃描區(qū)域分為64個分區(qū)，將每個分區(qū)數(shù)據(jù)加載到Cyclone軟件中，根據(jù)熟練操作人員的經(jīng)驗判斷，采用人工交互方式，對比較明顯的指標點，如樹、灌木等進行濾波，所有分區(qū)濾波后重新合并為一個整體。

2中值法濾除低矮植被 考慮到掃描區(qū)域內(nèi)的低矮植被，以及局部微小地形（0．1 m×0．1 m）內(nèi)存在一定差異，將掃描區(qū)域劃分為0．1 m×0．1 m格網(wǎng)，對落在每個格網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)取中值，濾去其它數(shù)據(jù)點，即可完成低矮植被噪聲的濾除，同時適當簡化了密度過大的點云。

3．3 表面建模

地形三維激光掃描儀所獲取地表數(shù)據(jù)存在不均勻性，靠近測站區(qū)域數(shù)據(jù)點密度比較大，隨著距離的增加，掃描點的密度逐漸減小，部分遮擋區(qū)域甚至缺失數(shù)據(jù) 采用克里金插值法對數(shù)據(jù)進行處理，以0．2 m×0．2 m為間隔對掃描區(qū)域進行數(shù)據(jù)重采樣，獲取精細三維表面模型。

4 數(shù)據(jù)分析

激光掃描數(shù)據(jù)覆蓋鐵路線及其北面的350 m×200 m區(qū)域，如圖2所示。根據(jù)實際數(shù)據(jù)獲取情況及監(jiān)測要求，對三個試驗對象（矩形地表沉降試驗區(qū)、鐵路線、鐵路橋）進行分析研究。

圖2 采空區(qū)地表沉降分析

4．1 地表沉降試驗區(qū)

采空區(qū)主要分布在鐵路線北面，該區(qū)域地表受采動影響比較大，地表為地勢平坦的空曠麥田。選擇圖2（a）中虛線框部分為試驗對象，該區(qū)域為200 m×120 m的矩形區(qū)域，基于密集激光點云構(gòu)建0．2 m×0．2 m地表精細三維表面模型，兩期表面模型分別如圖2（b）和圖2（c）所示?？梢钥闯?，試驗區(qū)內(nèi)地表面被精細表達出來，道路、麥隆、溝坎等信息都精確描述出來。兩期表面模型在高程上的差值即為地表的沉陷值，基于差值分析，即可從整體上獲取整個區(qū)域地表變動狀況。圖2（d）為基于差值的表面模型，可以看出，整個區(qū)域呈現(xiàn)北高南低的趨勢，東北角略高于西北角，這與傳統(tǒng)觀測結(jié)果相符。由于兩期觀測數(shù)據(jù)間隔將近一年時間，地表耕種造成局部的小幅度變動（如麥?。┰趫D2中可以清晰表達出來，但這些變動不會對整體的地形變化造成影響。為進一步驗證差值精度，在該區(qū)域內(nèi)分布觀測點A11，A13，A14，如圖2（d）中所示，依據(jù)精密水準觀測，三個點的下沉量分別為0．127 m、0．046 m、0．048 m，在沉降表面模型中，求取每個點所在位置周圍半徑1 m的區(qū)域內(nèi)所有點的平均值，作為該點處的下沉量，所得下沉量分別為0．131 m、0．064 m、0．061 m，與傳統(tǒng)觀測較差分別為4 mm、18 mm、13 mm，進一步驗證基于三維激光掃描構(gòu)建精細表面模型進行沉降量描述的可靠性。

4．2 鐵路線

鐵路線邊坡上覆蓋濃密的植被，很難從有限的三維激光掃描點云中探測出其表面變動情況，采用斷面線對比的方式：從兩期激光掃描點云中均勻選擇一系列鐵軌頂端點云數(shù)據(jù)，基于這些點云數(shù)據(jù)，構(gòu)建鐵軌頂部斷面線，通過兩期斷面線的對比分析得到鐵軌的整體沉降狀況。

從第一期點云數(shù)據(jù)中，內(nèi)、外兩側(cè)鐵軌頂端分別選擇39和36個數(shù)據(jù)點，從第二期點云數(shù)據(jù)中，左右兩側(cè)鐵軌頂端分別選擇84和72個掃描點。兩期內(nèi)外兩側(cè)軌道高程沿Y方向的曲線如圖3（a）和圖3（b）所示，從圖3中可以看出，外側(cè)鐵路線相對于內(nèi)側(cè)鐵路線在整體上高出4～5 c m，這正符合鐵軌彎道外側(cè)高 內(nèi)側(cè)低的狀況 而隨著Y值的增加 彎 道變?yōu)橹本€ 軌道兩側(cè)高程值基本相等

圖3 鐵路線沉降

內(nèi)側(cè)兩期高程曲線對比如圖3（c）所示，外側(cè)兩期高程曲線對比如圖3（d）所示，可以看出，兩側(cè)鐵軌均有所下沉，下沉量為3～6 c m。為進一步驗證數(shù)據(jù)的可靠性，與傳統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)進行對比分析，在鐵路線內(nèi)側(cè)枕木上，進行了5個水準觀測，分別為E23，E21，E15，E13，E11下沉量如圖3（c）中所示，同樣，在鐵路線外側(cè)枕木上，進行了5個水準觀測，分別為D23，D21，D15，D13，D11下沉量如圖3（d）中所示，從圖中可以看出，基于激光掃描點的下沉量與基于傳統(tǒng)下沉量有很好的一致性。圖3（c）和圖3（d）中圈選部分下沉量存在誤差，主要原因是第一期觀測數(shù)據(jù)在這個地方缺失較多，難以獲得有效數(shù)據(jù)點。

4．3 鐵路橋

由于第一期對鐵路橋激光掃描數(shù)據(jù)相對稀疏，無法構(gòu)建該橋精細三維表面模型，同時為了避免多站點云數(shù)據(jù)拼接造成的誤差，因此基于單站點云的對比來判斷橋梁的整體形變。兩期觀測都分別在橋梁的頂部、左側(cè)、右側(cè)三個方向進行了設(shè)站觀測，分別對比三個方向的點云來確定橋梁的變動情況。圖4（a）為橋梁照片，圖4（b）、圖4（c）、圖4（d）分別為橋梁頂部、橋梁左側(cè)、橋梁右側(cè)點云對比效果圖，從圖4中可以看出：鐵路橋整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，在頂部、左側(cè)、右側(cè)均沒有出現(xiàn)位移、扭曲、形變等狀況，也就是鐵路橋受采動影響很小 尚沒有達到可以探測出來的程度。用傳統(tǒng)觀測方式對橋面、橋墩布設(shè)監(jiān)測點的觀測結(jié)果來看，該鐵路橋僅有1 c m的整體下沉，這與上述分析結(jié)果是一致的。

圖4 鐵路橋點云對比效果

5 結(jié)束語

本文結(jié)合煤礦開采沉陷監(jiān)測實際工程，采用三維激光掃描技術(shù)與傳統(tǒng)觀測技術(shù)相結(jié)合的方式，獲取開采沉陷區(qū)兩期精細三維點云數(shù)據(jù)，在對激光點云數(shù)據(jù)預(yù)處理和數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)上，分別對采空區(qū)地表沉降、鐵路線沉降、鐵路橋沉降與形變監(jiān)測進行了研究，并與傳統(tǒng)觀測結(jié)果進行對比分析，兩種觀測技術(shù)的結(jié)果具有較好的一致性。采用三維激光掃描進行開采沉陷監(jiān)測研究，除發(fā)揮其數(shù)據(jù)獲取方面的優(yōu)勢外，還需要做好數(shù)據(jù)后處理的研究工作，更加深入地研究數(shù)據(jù)后處理的理論、方法和技術(shù)，加強與其它理論方法（空間場、空間匹配、穩(wěn)健估計、有限元等）的融合，使其成為一個更加開放的方法體系。

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