激光掃描儀在礦區(qū)變形監(jiān)測中的應(yīng)用

陳宗成

（1.山東省魯南地質(zhì)工程勘察院（山東省地勘局第二地質(zhì)大隊(duì)），山東 兗州 272100；2.自然資源部采煤沉陷區(qū)綜合治理工程技術(shù)創(chuàng)新中心，山東 兗州 272100）

相對于傳統(tǒng)的礦區(qū)變形監(jiān)測來說，激光掃描儀能通過激光進(jìn)行目標(biāo)數(shù)據(jù)的獲取，通過快速精準(zhǔn)的生成數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)高效率以及低成本的測量[1]。

激光掃描技術(shù)現(xiàn)在應(yīng)用比較廣泛，在礦區(qū)變形中激光掃描儀能全方位的采集礦區(qū)的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，對礦區(qū)的物體實(shí)行整體的監(jiān)測，能有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)監(jiān)測過程中的一些片面化的數(shù)據(jù)，使監(jiān)測結(jié)果更加真實(shí)有效[2]。本文所探討的主要觀點(diǎn)是基于現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)之上，并通過激光掃描儀在某基坑和隧道的實(shí)際監(jiān)測案例，對一些結(jié)論和觀點(diǎn)進(jìn)行有效驗(yàn)證，保證研究結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1 激光掃描儀在礦區(qū)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用

激光掃描儀主要通過激光發(fā)射器發(fā)射一束脈沖信號(hào)，經(jīng)過物體發(fā)射之后再返回到發(fā)射器，通過時(shí)間差計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)與掃描儀間的距離[3]。

在礦區(qū)的變形檢測中，激光掃描儀主要通過數(shù)據(jù)的采集和處理之后，采用Geomagic這個(gè)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的宏觀與微觀分析。

就目前的激光掃描儀的研究進(jìn)度來看，大部分掃描儀的工作原理都是采用時(shí)間漂移測距這個(gè)方法。在數(shù)據(jù)的采集方面，激光掃描儀主要采用整體采集與局部采集相結(jié)合的方式。

整體采集主要通過布設(shè)目標(biāo)公共點(diǎn)，并且做好軟件的測站拼接，實(shí)現(xiàn)對物體的整體掃描。局部的采集主要是架設(shè)激光掃描儀對特定的位置進(jìn)行掃描[4]。

通過一系列的參數(shù)和現(xiàn)場的實(shí)際情況，對掃描的重疊度和監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行精準(zhǔn)測量，傳遞三維坐標(biāo)的同時(shí)，獲取目標(biāo)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

在數(shù)據(jù)的采集過程中，必須要做到的就是掃描站點(diǎn)的間距、密度以及一些重疊度的問題，在測量導(dǎo)線和水準(zhǔn)之后，會(huì)將獲取一個(gè)較為準(zhǔn)確的三維坐標(biāo)，然后結(jié)合掃描儀的監(jiān)測掃描，獲取礦區(qū)被監(jiān)測對象的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息和目標(biāo)的標(biāo)靶點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

2 激光掃描儀監(jiān)測數(shù)據(jù)處理研究

激光掃描儀能隔空采集被測物體的空間信息，通過穿透干擾物體可在比較惡劣的作業(yè)環(huán)境下也能繼續(xù)做好工程作業(yè)。

通過采集真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)，相比較傳統(tǒng)的監(jiān)測儀器更加適用。點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度是點(diǎn)云精度相對定位和絕對定位兩部分組成，準(zhǔn)確率比較高。當(dāng)然也會(huì)存在一定誤差，這個(gè)主要跟測距和測角有關(guān)系。在一定程度上說，激光掃描儀的測量精度是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)測量精度的。在三維激光掃描儀獲取數(shù)據(jù)之后，會(huì)通過CYCLONE軟件將對點(diǎn)的云數(shù)據(jù)進(jìn)行同一化。

在整體采集數(shù)據(jù)的時(shí)候，軟件可將數(shù)據(jù)拼接在一起實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的同一化處理。在局部采集的過程中，能有效避免采集數(shù)據(jù)帶來的數(shù)據(jù)誤差。通過CYCLONE軟件能將掃描的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)噪點(diǎn)的基本去除，能有效減輕后期對數(shù)據(jù)分析的工作量。在數(shù)據(jù)模型的建立過程中，激光掃描儀器需要借助數(shù)據(jù)掃描與全站儀的配合使用，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)坐標(biāo)的轉(zhuǎn)化。通過Geomagic軟件能獲取到目標(biāo)點(diǎn)的云數(shù)據(jù)，通過不同的數(shù)據(jù)顏色直觀清晰的呈現(xiàn)在眼前，使得目標(biāo)區(qū)域的具體變形量值得到準(zhǔn)確的分析。通過微觀角度能更好的看待特征點(diǎn)與目標(biāo)坐標(biāo)值的具體差別，實(shí)現(xiàn)礦區(qū)監(jiān)測數(shù)據(jù)特征點(diǎn)的橫向與豎向的位移監(jiān)測。

3 激光掃描儀在礦區(qū)變形監(jiān)測中的實(shí)例分析

本文以某基坑為例，通過激光掃描儀與全站儀對基坑數(shù)據(jù)實(shí)行數(shù)據(jù)采集。并且對采集到的基坑監(jiān)測點(diǎn)的云數(shù)據(jù)實(shí)行整體的數(shù)據(jù)分析。

相應(yīng)的流程為設(shè)置配準(zhǔn)點(diǎn)，建立網(wǎng)格，通過數(shù)據(jù)的縮減和數(shù)據(jù)的分割，對曲面進(jìn)行擬合，實(shí)現(xiàn)三維目標(biāo)模型的重建與應(yīng)用。在這個(gè)過程中加入CYCLONE軟件進(jìn)行拼接去燥，建立基坑測試點(diǎn)的點(diǎn)云圖。通過Geomagic軟件對所采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確的模型分析，就能得到監(jiān)測基坑的變量三維圖。以某隧道為例，通過激光掃描儀對隧道數(shù)據(jù)的采集，能準(zhǔn)確獲取到隧道的數(shù)據(jù)，并且對這個(gè)軟件進(jìn)行去燥和建模處理之后，通過Geomagic軟件對隧道采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)分析，通過變形量基本能得到監(jiān)測隧道的穩(wěn)定情況以及一些數(shù)據(jù)變量的區(qū)間準(zhǔn)確值。

在基坑監(jiān)測過程中，主要結(jié)合一些傳統(tǒng)測量方面的儀器進(jìn)行一起使用，不僅可提高精確度，減少測量中的誤差。通過Geomagic軟件和CYCLONE軟件能有效的保證三維變形區(qū)域的變量大小和區(qū)域方面的位置，能將儀器和軟件進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合，能讓更加全面的認(rèn)識(shí)到基坑的變形方面的數(shù)據(jù)和信息，減少安全隱患。從工程實(shí)例來看，三維激光的掃描儀能在較為復(fù)雜的基坑變形的優(yōu)越性十分明顯。

4 結(jié)語

綜上所述，研究激光掃描儀在礦區(qū)變形監(jiān)測中的應(yīng)用具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

激光掃描儀在一定程度上改變了傳統(tǒng)監(jiān)測中的二維數(shù)據(jù)，可將監(jiān)測目標(biāo)變得更加立體客觀，能較為全面和系統(tǒng)的監(jiān)測到區(qū)域的監(jiān)測點(diǎn)，彌補(bǔ)許多傳統(tǒng)監(jiān)測儀器在被測物體中存在離散點(diǎn)的局限性。在實(shí)際的監(jiān)測過程中，會(huì)發(fā)現(xiàn)利用激光掃描儀監(jiān)測出來的數(shù)據(jù)與被測物體的實(shí)際情況基本保持一致，監(jiān)測的效果好。從近幾年的監(jiān)測儀器應(yīng)用中，可看到激光掃描儀在礦區(qū)變形監(jiān)測中的應(yīng)用正在得到日益關(guān)注，相信其應(yīng)用前景必將更為廣泛。