基于三維激光掃描技術(shù)的礦區(qū)建筑物變形監(jiān)測(cè)方法

焦曉雙 胡海峰 廉旭剛

(太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024)

三維激光掃描技術(shù)作為一種新的空間信息采集技術(shù)，與常規(guī)觀測(cè)方法相比，在獲取模型表面三維空間坐標(biāo)方面，具有采集速度快、效率高等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。針對(duì)該技術(shù)，羅德安等[3]對(duì)利用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行整體變形監(jiān)測(cè)的基本理論進(jìn)行了闡述；柏雯娟[4]提出了一種基于三維激光掃描技術(shù)的礦山開(kāi)采沉陷高精度監(jiān)測(cè)方法，認(rèn)為該技術(shù)在礦區(qū)沉陷變形監(jiān)測(cè)方面具有快速、高效的特點(diǎn)，且監(jiān)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)值的誤差達(dá)到毫米級(jí)。為對(duì)礦區(qū)建筑物進(jìn)行高精度、高效率的變形監(jiān)測(cè)，將三維激光掃描技術(shù)[5-7]與相似材料模型試驗(yàn)相結(jié)合，對(duì)基于三維激光掃描技術(shù)的礦區(qū)建筑物變形監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行研究。

1 相似材料模型變形監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

1.1 數(shù)據(jù)獲取

利用三維激光掃描技術(shù)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系為如圖1所示的右手坐標(biāo)系[8]，激光發(fā)射起點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)O，設(shè)備在水平狀態(tài)時(shí)的豎直軸為Z軸，掃描儀水平轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的初始方向?yàn)閄軸。設(shè)待測(cè)點(diǎn)P與原點(diǎn)O的距離為d，測(cè)得的水平掃描角和豎直掃描角分別為α、θ，則P點(diǎn)的三維坐標(biāo)可用下式進(jìn)行計(jì)算在如圖2所示的二維相似材料模型表面上布設(shè)了一系列黑白靶標(biāo)，共布置了8行29列合計(jì)232個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)橫向間距為100 mm，在此基礎(chǔ)上采用全站式三維激光掃描儀對(duì)測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)進(jìn)行掃描，獲取各測(cè)點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

圖1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)系Fig.1 Coordinate system of point clouds data

1.2 數(shù)據(jù)處理

采用點(diǎn)云后處理軟件對(duì)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，進(jìn)而提取模型上黑白靶標(biāo)的三維坐標(biāo)(圖3)。

圖2 相似材料模型表面測(cè)點(diǎn)布置Fig.2 Distribution of the monitoring points in the surface of similar material model

圖3 模型觀測(cè)點(diǎn)特征提取Fig.3 Characteristics extraction of themonitoring points of the model

圖4 O-XYZ坐標(biāo)系與O′-X′Y′Z′坐標(biāo)系Fig.4 Coordinate system of O-XYZ and O′-X′Y′Z′

本研究試驗(yàn)僅獲取模型上同一測(cè)點(diǎn)在不同時(shí)刻X、Y方向的坐標(biāo)值，假定各測(cè)點(diǎn)Z方向的坐標(biāo)值為0，即各測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)系統(tǒng)為如圖4所示的O-XYZ目標(biāo)坐標(biāo)系。為將點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)由O′-X′Y′Z′坐標(biāo)系自動(dòng)轉(zhuǎn)換至O-XYZ坐標(biāo)系，本研究在模型左右兩側(cè)設(shè)定了不受開(kāi)采影響的固定點(diǎn)O、A、B、C(圖5)，并且該類(lèi)點(diǎn)的坐標(biāo)值已知?；诓紶柹?參數(shù)轉(zhuǎn)換模型坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系[9-10]，為提高坐標(biāo)轉(zhuǎn)換效率，采用MATLAB語(yǔ)言編寫(xiě)了如下程序：

圖5 固定點(diǎn)布設(shè)Fig.5 Setting of the fixed points

Function[aa]=bursa7(A，B)

Xa=A(；，1)；Ya=A(；，2)；Za=A(；，3)；

Xa=B(；，1)；Ya=B(；，2)；Za=B(；，3)；

L=[Xb-Xa；Yb-Ya；Zb-Za]；

m=length(A)；

If (m<3)

return；

end

C=[ones(m，1)，zeros(m，1)，zeros(m，1)，zeros(m，1)，-Za，Ya，Xa；

zeros(m，1)，ones(m，1)，zeros(m，1)，Za，zeros(m，1)，-Xa，Ya；

zeros(m，1)，zeros(m，1)，ones(m，1)，-Ya，Xa，zeros(m，1)，Za]；

N=C′*C；W=C′*L；

aa=NW；

end

1.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

隨著模擬煤層開(kāi)挖，上覆巖層逐步產(chǎn)生了移動(dòng)變形，圖6為模擬煤層開(kāi)采過(guò)程中5個(gè)不同推進(jìn)距離(500，1 000，1 500，2 000，2 500 mm)條件下覆巖的下沉曲線，反映出隨著工作面不斷推進(jìn)，煤層上覆巖層下沉量逐步增大的開(kāi)采沉陷一般規(guī)律[11-12]。

圖6 煤層上覆巖層下沉曲線Fig.6 Subsidence curve of the upperrock mass of coal seam ●—500 mm;■—1 000 mm;▲—1 500 mm;△—2 000 mm;○—2 500 mm

1.3.1 監(jiān)測(cè)效率分析

分別采用三維激光掃描儀和全站儀對(duì)不同數(shù)量(60、150、230)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了測(cè)量，所需時(shí)間見(jiàn)表1。分析表1可知：三維激光掃描耗時(shí)總體小于全站儀，且隨著觀測(cè)點(diǎn)數(shù)量增大，三維激光掃描的高效優(yōu)勢(shì)愈加明顯。

表1 測(cè)量耗時(shí)對(duì)比Table 1 Comparison of the measurementtime consumption of measurement

1.3.2 監(jiān)測(cè)精度分析

隨機(jī)選取60個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)作為精度分析樣本，將高精度全站儀(測(cè)距精度為1 mm+ 1.5×10-6D(D為測(cè)距)，測(cè)角精度為0.5″)的測(cè)量數(shù)據(jù)作為真值，對(duì)三維激光掃描變形監(jiān)測(cè)精度進(jìn)行分析。將2組數(shù)據(jù)分別轉(zhuǎn)換至目標(biāo)坐標(biāo)系中。各測(cè)點(diǎn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)X、Y方向的真誤差如圖7所示。

根據(jù)真誤差，計(jì)算出各測(cè)點(diǎn)X方向的中誤差為0.45 mm，Y方向的中誤差為0.47 mm，點(diǎn)位中誤差為0.65 mm?？紤]到本研究相似材料模型比例(1∶15)，其所對(duì)應(yīng)的實(shí)際監(jiān)測(cè)誤差為9.75 mm，小于10 mm，可以滿(mǎn)足礦區(qū)沉陷變形監(jiān)測(cè)的精度要求(小于10 mm)[13-14]。

2 工程實(shí)例

以某礦區(qū)的水塔為例，采用三維激光掃描技術(shù)對(duì)其進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)。在水塔外側(cè)布置了3行6列共18個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(間距為10 cm、行距均為20 cm)，在測(cè)站附近布置了1個(gè)控制點(diǎn)作為三維激光掃描儀的后視控制點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置如圖8所示。

圖7 點(diǎn)云數(shù)據(jù)真誤差Fig.7 True error of point cloud data

根據(jù)本研究相似材料模型試驗(yàn)得出的變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理思路提取出水塔沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，并與全站儀采集的該類(lèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)

行對(duì)比，其中測(cè)點(diǎn)的豎直坐標(biāo)監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知：通過(guò)三維激光掃描技術(shù)獲取的測(cè)點(diǎn)豎直方向的坐標(biāo)與全站儀獲取的數(shù)值相差較小，最大誤差僅為1.8 mm，遠(yuǎn)小于開(kāi)采沉陷監(jiān)測(cè)10 mm的精度要求。

表2 水塔表面測(cè)點(diǎn)豎直方向坐標(biāo)對(duì)比Table 2 Comparison of the vertical coordinates of themonitoring points on the surface of water tower m

3 結(jié) 語(yǔ)

為進(jìn)一步提升礦區(qū)建筑物變形監(jiān)測(cè)精度和工作效率，將三維激光掃描技術(shù)與相似材料模型試驗(yàn)相結(jié)合，對(duì)基于三維激光掃描技術(shù)的變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理流程進(jìn)行了詳細(xì)分析。某礦區(qū)水塔變形監(jiān)測(cè)實(shí)例分析表明，利用三維激光掃描技術(shù)獲取的變形監(jiān)測(cè)值與全站儀獲取的監(jiān)測(cè)值誤差較小，表明采用該技術(shù)進(jìn)行礦區(qū)建筑物變形監(jiān)測(cè)具有可行性。

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