礦山地面災害三維激光掃描監(jiān)測及空間分析

廉旭剛,胡海峰,陳鵬飛

(1.太原理工大學 礦業(yè)工程學院,太原 030024;2.太原理工大學 地震與地質災害防治研究所,太原 030024)

地下開采造成了上覆巖層及地表的移動變形,并以不同的地面災害類型存在,地面裂縫、臺階、塌陷坑、滑坡為最基本的開采沉陷災害類型。傳統的測量方法通過沿工作面走向與傾向布設地表離散監(jiān)測點,獲取開采沉陷引起的地表移動變形規(guī)律,而對于地面災害僅能通過素描、拍照、量取幾何尺寸、邊界測量等方法對其進行描述。地面災害的空間采集及形態(tài)描述是目前研究的一個熱點。專家學者應用InSAR技術、GPS技術等方法相結合,探究地面沉降災害及山體滑坡地面災害。張詩玉等對河北廊坊市、霸州市勝芳鎮(zhèn)2003年至2007年ENVISAT衛(wèi)星的SAR影像進行了差分干涉測量處理。通過該地區(qū)的GPS站網,削弱了部分大氣對流層折射延遲的影響,并融合SRTM3 DEM對平地效應殘留誤差進行了估計,從而精確地獲取了該時期的地面沉降量及沉降漏斗中心[1]。王愛國針采用數據融合方法對水準和InSAR進行融合,較好地解決了水準監(jiān)測數據的時空分辨率低和InSAR數據中部分地區(qū)失相干的弊端,使融合后的數據能更好地描述地面沉降的現狀,為更好地預測地面沉降的發(fā)展趨勢,減少沉降災害對經濟社會的危害[2]。喻永平等采用兩種不同波段、覆蓋區(qū)域相同、時間跨度幾乎相同的ASAR數據和PALSAR數據分別監(jiān)測廣花盆地,并相互驗證,結果顯示部分地區(qū)沉降比較明顯[3]。龍四春等利用雷達差分干涉測量與GPS集成可實現對礦區(qū)的三維形變監(jiān)測[4]。王利研究了地質災害高精度GPS快速定位關鍵技術[5]。張杏清等探索一種應用In SAR、GPS、精密水準高效協同監(jiān)測和相關監(jiān)測資料精密處理、高效融合的理論、技術與方法,建立高時空分辨率的地面沉降監(jiān)測體系成為當務之急。針對廣州南沙試驗區(qū)開展的高時空分辨率沉降監(jiān)測體系的研究實踐[6]。

InSAR、GPS、水準測量技術的融合解決了高精度大范圍內地表移動的沉降監(jiān)測問題,而對于地面災害的局部特征仍無法詳細描述。汪燕麟將地面三維激光掃描技術引入到地震災區(qū)多個大型滑坡體體積測量與分析中,該技術可以高精度、高速度、高密度地測量物體表面三維空間坐標,從而詳細描述表面細部狀況,對滑坡災害的治理防護提供了寶貴的研究資料[7]。舒飛等以四川雅安市天全縣南部某地暴發(fā)特大規(guī)模泥石流災害為工程實例,通過地面三維激光掃描儀實地測量,獲取此次泥石流滑坡高精度三維地理信息數據,為以后的災后重建與防御工作提供第一手資料[8]。宿淵源等介紹了三維激光掃描在震后三維重建以及分析中的一些應用,包括地震應急、活動構造信息提取、倒塌建筑物識別分類、次生災害監(jiān)測,如滑坡、堰塞湖等[9]。馮光勝通過利用激光雷達對不良地質進行掃描,快速獲取其三維信息,確定不良地質規(guī)模、空間位置分布范圍和發(fā)展趨勢等,為工程地質勘察提供較準確的地質資料[10]。趙騫等應用地面三維激光掃描儀(TLS)進行了快速獲取滑坡區(qū)域數據和幾何特征提取的科學試驗,通過ILRIS地面三維激光掃描儀和PolyWorks軟件獲取和處理數據,提取了滑坡幾何特征,數據可供相關部門對滑坡災害進行快速科學處置[11]。徐進軍等研究了基于三維激光掃描的滑坡變形監(jiān)測與數據處理,滑坡變形體的諸多細節(jié)變化對正確的變形分析有著重要的作用,將該技術引入到滑坡變形監(jiān)測與分析中,可充分利用滑坡體上的大量點自然地物作為監(jiān)測點,來完整監(jiān)測和分析其變形[12]。李強等以重慶市某采煤沉陷區(qū)內地表變形明顯、沉陷趨勢顯著的地表為研究對象,采用三維激光掃描技術對其進行地表沉降變形監(jiān)測研究[13]。三維激光掃描作為一種采集數據的手段,能夠快速的提取地面災害的特征數據,對地面災害三維點云數據的空間分析有待進一步提升。本文主要圍繞采動山體滑坡及裂縫的點云數據進行空間特征分析,為采動地面災害的監(jiān)測及評估提供新途徑。

1 采動坡體三維激光掃描

山區(qū)某工作面上方地表區(qū)域相對高差約130 m,屬于典型的山區(qū)開采。采用Leica MS50全站掃描儀(1″)對工作面上方危險邊坡及大型臺階裂縫進行了重點監(jiān)測,并對其它類型的地面災害進行分析。工作面開采寬度200 m,平均采深300 m,開采厚度8.7 m,黃土層厚度66 m～123 m。應用三維激光掃描儀分別在2016年3月11日,工作面推進至518 m,超越圖1-a所示坡體100 m,及2016年4月8日,工作面推進至578 m處,超越圖1-b所示坡體160 m,對兩個時間點的崩落及滑坡進行掃描。點云的垂直與水平間距均為1 cm。

1-a 2016年3月11日

1-b 2016年4月8日圖1 采動山體滑坡Fig.1 Landslides caused by mining

1.1 滑坡體剖面分析

分別對上述兩期掃描獲得的點云數據進行處理,經過點云去噪、三角網建模、等高線生成、剖面線處理等,形成了如圖2所示可視化地表滑坡三維模型。三條剖面線分析可知,2016年4月8日由于采動程度的加劇,導致坡頂大量土體下滑,基本掩蓋了3月11日形成的坡體表面。

圖2 采動滑坡體三維建模與剖面分析Fig.2 3D Modeling and profile analysis of mining landslide

1.2 山體坡度分析

坡度是地表單元陡緩的程度,即坡面的垂直高度和水平距的比,根據坡度的不同對滑坡進行不同顏色的渲染,即得到如圖3所示的更能直觀表達地形坡度的坡度色彩圖。

3-a 2016年3月11日

3-b 2016年4月8日圖3 滑坡前后期坡度渲染圖Fig.3 Rendering of slopes before and after landslide

分析圖3-a,坡體上部地形多處顏色較深,說明坡度較大,潛在較大的坍塌趨勢。對比圖3-a與3-b,可以發(fā)現,前期滑坡坡度最大為80°左右,且存在多處顏色較深,后期坡體坡度最大為70°左右,只有個別小范圍地形顏色較深,說明在掃描間隔的時間內,坡體經過了較大程度的坍塌,整個坡體開始趨于穩(wěn)定。

1.3 坡體周圍測點的傳統監(jiān)測

通過對坡體周圍監(jiān)測點進行位移分析,見圖4,發(fā)現坡體測點O14的傾向水平移動最大,達到7 602 mm,測點O13距離O14僅30 m,而該點的傾向水平移動為235 mm,充分說明了測點O14受山體滑坡的影響,向土體內部產生了水平滑移。坡頂測點O16受山體滑坡擾動較小,傾向水平移動為1 394 mm。同理,可見測點W11位于坡底處,產生走向水平移動4 666 mm,而W12距離坡體較遠,其走向水平移動為1 731 mm。

圖4 坡體周圍監(jiān)測點水平移動Fig.4 Horizontal movement of monitoring points around the slopes

2 采動地表臺階裂縫三維激光掃描

工作面在推進過程中在地表形成了如圖5所示的臺階裂縫,其中圖5-a位于測點W9附近,屬于坡頂區(qū)域;圖5-b位于測點O10附近,屬于坡底區(qū)域。分析圖6可知W9與O10位于工作面推進方向線上,二者在采動過程中的主要以水平移動為主,且大小基本一致;而O10點的下沉值顯著的大于W9點的下沉,相差約1 500 mm,盡管W9點經歷的開采擾動時間要長于O10點,其原因主要是由于O10點位于坡底,W9位移坡頂平坦區(qū)域,O10點的下沉量包含了坡體在未發(fā)生水平移動的下沉量,與坡體滑移后地形高差起伏產生的下沉量,充分驗證了山區(qū)采動坡體滑移對下沉的附加影響規(guī)律。

圖5 采動地表臺階裂縫Fig.5 Ground stepped cracks caused by mining

圖6 W9與O10測點移動變形分析Fig.6 Mobile deformation analysis of monitoring points: W9 and O10

為了充分的描繪大型臺階裂縫的幾何形態(tài),采用三維激光掃描對裂縫進行了掃描,并對所得到點

云數據進行了去噪、建模、剖面等處理,得到臺階裂縫三維膜型與剖面圖，見圖7。

圖7 臺階裂縫三維模型與剖面Fig.7 3D model and profile of stepped cracks

通過三維激光掃描監(jiān)測裂縫的特征變化,能夠準確真實、全方位的得到裂縫的特征信息,在不同位置進行斷面提取,能夠得到了裂縫的寬度及臺階高度,圖7-b斷面1裂縫寬度為2.04 m,臺階高度1.09 m;斷面2的裂縫寬度為1.70 m,臺階高度2.12 m,斷面3的裂縫寬度為0.82 m,臺階高度2.11 m。

3 結論

應用三維激光掃描對采動過程中的地面災害進行監(jiān)測,并對點云數據進行三維建模及空間分析,得到了以下結論:

1)應用三維激光掃描儀對采動山體的崩落、滑坡進行了監(jiān)測及三維空間分析,證明了應用該技術能夠對山體滑坡的局部空間特征進行采集分析,并通過傳統方法對坡體周圍的移動變形進行了監(jiān)測,對比發(fā)現點云數據對坡體破壞現狀詳細描述具有較大的優(yōu)勢,而傳統方法在點位的絕對位移監(jiān)測方面具有較大優(yōu)勢。

2)三維激光掃描對采動地面大型裂縫進行掃描及空間分析,提取了不同斷面裂縫的寬度、臺階高度等,為采動地表裂縫的描述提供了新的途徑。

[1] 張詩玉,李陶,夏耶.基于InSAR技術的城市地面沉降災害監(jiān)測研究[J].武漢大學學報(信息科學版),2008(8):850-853. ZHANG Shiyu,LI Tao,XIA Ye.Study on Urban Area Subsidence Monitoring Based on InSAR Technique[J].Journal of WuHan University:Natural Science,2008(8):850-853.

[2] 王愛國.運用水準和InSAR的地面沉降監(jiān)測數據融合方法[J].測繪科學,2015(4):121-125. WANG Aiguo. Data Fusing Method of Land Subsidence Monitoring Based on Leveling and InSAR[J].Science of Surveying &Mapping,2015(4):121-125.

[3] 喻永平,林鴻,王會強.利用時序InSAR技術監(jiān)測廣花盆地地面沉降[J].測繪通報,2015(A1):157-159.

[4] 龍四春,唐濤,張趙龍,等.DInSAR集成GPS的礦山地表形變監(jiān)測研究[J].測繪通報,2014(11):6-10. LONG Sichun,TANG Tao,ZHANG Zhaolong,etal.On Mining Ground Deformation Monitoring Based on Integration of DInSAR and GPS[J].Review of Surveying &Mapping,2014(11):6-10.

[5] 王利.地質災害高精度GPS監(jiān)測關鍵技術研究[J].測繪學報,2015(7): 826. WANG Li.A Study on Key Technology of High Precision GPS Monitoring for Geological Hazard[J].Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2015(7):826.

[6] 張杏清,謝榮安,戴吾蛟,等.高時空分辨率地面沉降監(jiān)測體系研究與實現[J].測繪通報,2015(7):68-71. ZHANG Xingqing, XIE Rongan, DAI Wujiao,etal.Research and Realization of High Spatiotemporal Resolution Ground Subsidence Monitoring System[J].Bulletin of Surveying and Mapping, 2015(7):68-71.

[7] 汪燕麟,殷義程,施昆.地震災區(qū)中地面三維激光掃描測繪技術的應用方法分析[J].測繪通報,2015(6):65-68. WANG Yanlin, YIN Yicheng, SHI Kun. Application of the Method of 3D Laser Scanning Measurement Technology in the Earthquake Stricken Area[J].Bulletin of Surveying and Mapping,2015(6):65-68.

[8] 舒飛,蔣小勇,韓天培.三維激光掃描技術在地質災害體測繪生產中的應用[J].中國地質災害與防治學報,2015(1):77-81. SHU Fei,JIANG Xiaoyong, HAN Tianpei.Application of 3D Laser Scanner to Surveying and Mapping Production of the Geo-hazard Sites[J].The Chinese Journal of Geological Hazard and Control, 2015(1):77-81.

[9] 宿淵源,張景發(fā).三維激光掃描技術在震后地面三維重建中的應用[J].地殼構造與地殼應力文集,2012(0):30-37. SU Yuanyuan,ZHANG Jingfa.3D Ground Reconstruction After Earthquakes[J].The Proceeding of Crustal Structure and Crustal Stress,2012(0):30-37.

[10] 馮光勝.LIDAR在地質災害調查與監(jiān)測中的應用研究[J].鐵道工程學報,2014(7):12-16. FENG Guangsheng.Application of LIDAR Technology in Geological Hazard Investigation and Monitoring [J].Journal of Railway Engineering Society,2014(7):12-16.

[11] 趙騫,張錦.TLS在滑坡幾何特征快速提取中的應用[J].測繪科學,2012(5):129-131. ZHAO Qian,ZHANG Jin.Application of Terrestrial Three-dimensional Laser Scanner in Rapid Extraction of Landslide Geometric Features[J].Science of Surveying and Mapping,2012(5):129-131.

[12] 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)測與數據處理[J].巖土力學,2010(7):2188-2191. XU Jinjun,WANG Haicheng,LUO Yuzhen,etal.Deformation Monitoring and Data Processing of Landslide Based on 3D Laser Scanning[J].Rock and Soil Mechanics,2010(7):2188-2191.

[13] 李強,鄧輝,周毅.三維激光掃描在礦區(qū)地面沉陷變形監(jiān)測中的應用[J].中國地質災害與防治學報,2014(1):119-124. LI Qiang,DENG Hui,ZHOU Yi.Application of 3D Laser Scanning to the Ground Subsidence Deformation Monitoring in Mining Area[J].The Chinese Journal of Geological Hazard and Control,2014(1):119-124.