激光測量技術(shù)在地表沉降觀測中的應(yīng)用

武鴿

摘 要：傳統(tǒng)的采空區(qū)地表沉降測量工作時(shí)間長，占用大量的人力、物力，基于此筆者對(duì)激光測量在采空區(qū)地表沉降中的應(yīng)用進(jìn)行了分析，文章首先對(duì)分析了激光測量的基本原理，其次對(duì)數(shù)據(jù)的獲取進(jìn)行了設(shè)計(jì)，進(jìn)而給出了數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)的流程，最后給出了開采沉陷DEM，激光測量結(jié)果與傳統(tǒng)的測量結(jié)果高度吻合，為采空區(qū)地表沉降的觀測提供方了一種新的可以借鑒的方法。

關(guān)鍵詞：激光測量;地表沉降;觀測分析

在對(duì)礦井開采后的塌陷區(qū)進(jìn)行測量時(shí)，傳統(tǒng)的測量方法是在煤礦采空區(qū)上布設(shè)一定數(shù)量的監(jiān)測點(diǎn)，對(duì)監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行定時(shí)或者不定時(shí)的觀測、分析，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)來動(dòng)態(tài)的反映出塌陷區(qū)的變化特征，并對(duì)還未塌陷的區(qū)域的地層移動(dòng)變化情況進(jìn)行預(yù)測預(yù)報(bào)[1～2]。傳統(tǒng)的地表沉降預(yù)測具有技術(shù)成熟，應(yīng)用發(fā)廣泛等特點(diǎn)，但是也存在工作量大，監(jiān)測點(diǎn)數(shù)量布置有效，數(shù)據(jù)監(jiān)測點(diǎn)容易遭到破壞，投入大等缺點(diǎn)。近些年來隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，測量技術(shù)設(shè)備也日趨先進(jìn)，出現(xiàn)了如：測量機(jī)器人、差分干涉測量（DinSAR）、GPS-RTK測量技術(shù)等[3～6]。激光測量技術(shù)是近些年來在測量領(lǐng)域中發(fā)展較為迅速的先進(jìn)技術(shù)，具有數(shù)據(jù)獲取快、非接觸、高精度直接獲取測量對(duì)象表面三維數(shù)據(jù)等顯著優(yōu)勢，基于此，筆者對(duì)該技術(shù)在礦井開采后地表觀測中的應(yīng)用進(jìn)行分析，以期更好的促進(jìn)該技術(shù)的應(yīng)用。

1 工作基本原理

激光掃描測量技術(shù)中最為明顯的優(yōu)勢是面陳密集點(diǎn)云，其能夠精細(xì)的構(gòu)建出來的地表模型，且可以精準(zhǔn)的確定空間關(guān)系，激光測量技術(shù)可以快速取得測量對(duì)象的變形數(shù)據(jù)，通過對(duì)數(shù)據(jù)的后期處理，可以得到測量對(duì)象精細(xì)的三維模型，這些構(gòu)成了變形監(jiān)測工作的基礎(chǔ)，通過對(duì)監(jiān)測的變形對(duì)象進(jìn)行二次、三次甚至更多次數(shù)的監(jiān)測，通過對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，可以較為快捷迅速的確定監(jiān)測對(duì)象具體位置的變化情況。

2 監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取

監(jiān)測數(shù)據(jù)的獲取分為2個(gè)階段進(jìn)行，第一個(gè)階段數(shù)據(jù)采集采用的設(shè)備是Leica HD4400，第二階段數(shù)據(jù)采集采用的設(shè)備是FARO Focus3D，兩個(gè)階段數(shù)據(jù)采集均是在設(shè)定控制網(wǎng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行，然后運(yùn)用激光測量技術(shù)進(jìn)行測量。

第一階段數(shù)據(jù)測量。控制網(wǎng)的測量布置為先從A5點(diǎn)算起，依次觀測A4、A9、A8、A7、A6、A9。在測量控制點(diǎn)中A4、A8、A9為已安設(shè)的測量點(diǎn)，A6、A7是后期測量增加點(diǎn)位，A4、A9、A8、A7、A6、A9構(gòu)成閉合導(dǎo)線。激光測量數(shù)據(jù)的采集工作則是在A1、A2～ A9等測量點(diǎn)位上分別假設(shè)激光測量儀，對(duì)測點(diǎn)周邊變形情況進(jìn)行全方位的掃描，從而取得整個(gè)測量區(qū)域內(nèi)的所有掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)。具體如下圖1所示。

第二階段數(shù)據(jù)測量?？刂凭W(wǎng)布設(shè)如第一階段數(shù)據(jù)測量控制點(diǎn)布置一致。激光測量數(shù)據(jù)的采集工作則是在A4、A5、A6三個(gè)測量點(diǎn)上布設(shè)激光測量裝置，在三個(gè)測量點(diǎn)的鄰近位置布置4個(gè)激光測量的反向標(biāo)靶，在進(jìn)行激光測量的同時(shí)利用全站儀計(jì)算出4個(gè)激光反向標(biāo)靶的具體三維位置坐標(biāo)，全程共進(jìn)行21個(gè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集。

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)整合處理

激光測量裝置測得的數(shù)據(jù)坐標(biāo)值均可以在設(shè)備自帶的軟件中進(jìn)行統(tǒng)一的大地測量坐標(biāo)處理，在第一、第二兩個(gè)階段的測量工作中，A4、A5站點(diǎn)都是測量工作的起算點(diǎn)，在后期的坐標(biāo)及測量數(shù)據(jù)整合處理中，需要將2個(gè)測量點(diǎn)位的測量數(shù)據(jù)整合到同一個(gè)坐標(biāo)體系中。

3.2 數(shù)據(jù)降噪處理

數(shù)據(jù)降噪主要是過濾掉由于植物級(jí)其他障礙物等原因產(chǎn)生的噪聲點(diǎn)，具體分2個(gè)步驟進(jìn)行處理。第一步是將激光測量結(jié)果數(shù)據(jù)依據(jù)測量區(qū)的平面坐標(biāo)劃分成64個(gè)分區(qū)，然后將分區(qū)數(shù)據(jù)分別導(dǎo)入到Cyclone應(yīng)用程序中，依據(jù)操作人員的經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)用人工交互方法，對(duì)明顯的噪聲點(diǎn)進(jìn)行過濾，然后再將過濾后的所有分區(qū)數(shù)據(jù)再進(jìn)行整合到一個(gè)整體。第二步是運(yùn)用中值法來過濾掉低矮植物帶來的噪聲點(diǎn)，將測量區(qū)域劃分成0.1m×0.1m的細(xì)小網(wǎng)格，對(duì)網(wǎng)格內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行中值處理，這就過濾掉了由于低矮植物帶來的噪聲值。

3.3 數(shù)據(jù)建模

數(shù)據(jù)建模是依據(jù)克里金插值法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的基礎(chǔ)上，以0.2m×0.2m的網(wǎng)格為基礎(chǔ)進(jìn)行數(shù)據(jù)測重新采集并建立三維模型。

3.4 成果分析

圖2是根據(jù)測量數(shù)據(jù)得出的沉降下沉同心圓圖，與實(shí)際的由于煤層開采引起的地表沉降的形態(tài)基本是吻合的，由于測量過程及數(shù)據(jù)處理中有一部數(shù)據(jù)存在缺失，導(dǎo)致圖2測量結(jié)果中部分區(qū)域出現(xiàn)一定的混亂現(xiàn)象，在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，降噪過程中部分噪聲點(diǎn)未被踢出，圖2中的小矩形框框出來的區(qū)域就是噪聲點(diǎn)引起的斑點(diǎn)。但是總體上看，激光測量得到的結(jié)果與采用傳統(tǒng)測量方法得到的測量結(jié)果是十分一致的。

4 總結(jié)

激光跟蹤測量技術(shù)在煤礦開采地表沉降觀測中能夠較為準(zhǔn)確的獲取開采沉陷的數(shù)據(jù)值，開采沉陷DEM可以直觀，清晰、全面的反映出開采深陷狀態(tài)，為采空區(qū)地表沉降的觀測提供方了一種新的可以借鑒的方法，激光測量結(jié)果與傳統(tǒng)的地表沉降測量結(jié)果高度吻合。采用激光測量進(jìn)行采空區(qū)地表沉降時(shí)應(yīng)十分注重?cái)?shù)據(jù)的后處理工作，盡量避免由于數(shù)據(jù)處理給測量結(jié)果帶來的不利影響。

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