三維激光掃描技術(shù)在尾礦壩變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

張一帆，張 碩

（1. 河南理工大學(xué) 測(cè)繪與國土信息工程學(xué)院，河南 焦作 454000；2. 長(zhǎng)安大學(xué) 地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，陜西 西安 710054）

傳統(tǒng)的尾礦壩變形監(jiān)測(cè)采用的方法是利用測(cè)繪儀器進(jìn)行，利用大地測(cè)量方法，根據(jù)尾礦壩的設(shè)計(jì)文件，結(jié)合壩體自身的型式、結(jié)構(gòu)、地質(zhì)和水文確定變形的監(jiān)測(cè)位置，進(jìn)行定期或不定期的連續(xù)監(jiān)測(cè)，從而獲取尾礦壩實(shí)際的變形情況。

這種方法很難有效的對(duì)尾礦壩的變形情況進(jìn)行預(yù)警，因此無法建立起完善的尾礦壩變形風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系。本文基于三維激光掃描技術(shù)提出一種新的尾礦壩變形監(jiān)測(cè)方法，根據(jù)三維激光掃描獲得尾礦壩的三維模型從而開展對(duì)尾礦壩變形的監(jiān)測(cè)[1]。

1 三維激光掃描技術(shù)在尾礦壩變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

1.1 控制網(wǎng)測(cè)量

在尾礦壩存放礦山尾料前，首先要對(duì)其進(jìn)行荷載試驗(yàn)。載荷試驗(yàn)是變形監(jiān)測(cè)中的重要環(huán)節(jié)。在進(jìn)行三維激光掃描技術(shù)前，首先要布設(shè)控制網(wǎng)基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)。利用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)接收機(jī)進(jìn)行基準(zhǔn)網(wǎng)的復(fù)核，運(yùn)用邊連接的方式，對(duì)基準(zhǔn)網(wǎng)控制點(diǎn)進(jìn)行靜態(tài)的觀測(cè)，設(shè)定觀測(cè)時(shí)間為1.5小時(shí)，采樣間隔為每10秒進(jìn)行一次，衛(wèi)星的介質(zhì)高度角為25度，為了保證監(jiān)測(cè)方法的全面性，要求最少設(shè)置6顆觀測(cè)衛(wèi)星，觀測(cè)的時(shí)段應(yīng)不少于1.5個(gè)時(shí)段。在使用的過程中，通過銅質(zhì)材料的中心連接螺絲，直接將設(shè)備儀器選入到各個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)上，人為操作過程中，要保證旋入誤差不大于±0.3mm。待基準(zhǔn)點(diǎn)布設(shè)完成后，使用全球?qū)Ш叫l(wèi)星接收機(jī)對(duì)尾礦壩進(jìn)行基準(zhǔn)網(wǎng)靜態(tài)觀測(cè)。

1.2 數(shù)據(jù)采集

根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)地形條件，使用遠(yuǎn)程三維激光掃描設(shè)備，在尾礦壩兩側(cè)設(shè)立站點(diǎn)進(jìn)行三維激光掃描觀測(cè)。為了方便后續(xù)的檢核和拼接操作，在每次設(shè)立站點(diǎn)之后，都要對(duì)部分尾礦壩結(jié)構(gòu)進(jìn)行重合掃描處理，通過比較重合的公共面、驗(yàn)證監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置的云數(shù)據(jù)，對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)位置的精度進(jìn)行確定。在尾礦壩的頂部和底部分別設(shè)置一個(gè)紙質(zhì)標(biāo)靶，在進(jìn)行三維激光掃描時(shí)對(duì)紙質(zhì)標(biāo)靶位置進(jìn)行具有針對(duì)性的掃描。同時(shí)，利用高精度全站儀獲取標(biāo)靶中心位置的三維坐標(biāo)，用于后續(xù)對(duì)激光掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。設(shè)置的基準(zhǔn)點(diǎn)距離標(biāo)靶應(yīng)不大于200米，在后期處理時(shí)，通過軟件設(shè)備自動(dòng)識(shí)別標(biāo)靶中心所在位置并計(jì)算出相應(yīng)的三維坐標(biāo)。

1.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

利用三維激光掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量過大，且由于設(shè)備受到自身以及外界環(huán)境的影響，在點(diǎn)云數(shù)據(jù)中有大量冗余或無效數(shù)據(jù)[2]。在對(duì)獲取到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的過程中，首先要對(duì)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理，將其數(shù)據(jù)格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，利用CAD軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將處理完成的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為文本格式，再利用Cyclone完成對(duì)數(shù)據(jù)的優(yōu)化。由于工程環(huán)境中的光線、溫度、濕度等因素的影響，以及在測(cè)量過程中出現(xiàn)的設(shè)備振動(dòng)等原因造成點(diǎn)云數(shù)據(jù)造成了一定影響，因此必須對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理的過程包括平滑處理、點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接、數(shù)據(jù)去燥和數(shù)據(jù)去失真等。利用三維激光掃描相應(yīng)的處理軟件，對(duì)各個(gè)站點(diǎn)上的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息進(jìn)行自動(dòng)的拼接處理，通過系統(tǒng)的自動(dòng)計(jì)算得出誤差數(shù)值，并對(duì)各個(gè)站點(diǎn)的拼接精度進(jìn)行檢驗(yàn)，一旦出現(xiàn)問題，應(yīng)立即采取相應(yīng)的措施，防止誤差的擴(kuò)大。在提取到目標(biāo)點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，將其它多余的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除，并將目標(biāo)點(diǎn)云數(shù)據(jù)分塊導(dǎo)出。

1.4 點(diǎn)云建模

通過上文對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后，將獲取到的尾礦壩三維坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)輸入到構(gòu)建數(shù)學(xué)模型的軟件中，完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)的建模。通過模型構(gòu)建軟件對(duì)尾礦壩各個(gè)特征坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行著色處理，獲取到初步的渲染模型結(jié)構(gòu)圖，再利用體外孤點(diǎn)對(duì)模型中的離散點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)化的刪除，待一系列操作完成后，對(duì)整個(gè)數(shù)學(xué)模型金西行降噪處理，去除其中冗余的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，從而提升點(diǎn)云模型的平滑度。再對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行抽稀處理，設(shè)置好適當(dāng)?shù)牟蓸娱g隔，利用可視化技術(shù)完成對(duì)點(diǎn)云模型圖像的展現(xiàn)。

1.5 變形分析

根據(jù)測(cè)量到的尾礦壩變形測(cè)量結(jié)果，分析尾礦壩實(shí)際的變形情況。利用三維數(shù)據(jù)比較工具將點(diǎn)云建模與實(shí)際的尾礦壩進(jìn)行對(duì)比，并獲取下哪個(gè)贏的模型偏差數(shù)據(jù)。根據(jù)具體位置的數(shù)據(jù)變化情況，找出尾礦壩出現(xiàn)變形的位置，通過對(duì)數(shù)據(jù)的比較找出尾礦壩產(chǎn)生變形的具體原因，并推測(cè)其后續(xù)的變形情況，從而做到對(duì)尾礦壩變形情況的預(yù)警。由于受到溫度和載荷的影響，尾礦壩在不同時(shí)間段內(nèi)發(fā)生的在允許范圍內(nèi)的變形，屬于正?，F(xiàn)象。在發(fā)生變形時(shí)，若相關(guān)的數(shù)據(jù)變化情況均在合理范圍內(nèi)則判定此時(shí)尾礦壩處于穩(wěn)定狀態(tài)，若超出范圍則需要進(jìn)行相應(yīng)的維護(hù)措施，保證工程的順利進(jìn)行。

2 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的基于三維激光掃描技術(shù)的尾礦壩變形監(jiān)測(cè)方法的有效性，將其與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。利用仿真平臺(tái)構(gòu)建一個(gè)各參數(shù)數(shù)值已知的尾礦壩，分別利用兩種方法對(duì)尾礦壩的各個(gè)方向的坐標(biāo)進(jìn)行采集，由于傳統(tǒng)方法只限于二維空間，因此采集坐標(biāo)只分為X軸方向和Y軸方向。表1為兩種方法的采集結(jié)果。

從表1中可以看出，通過兩種方法的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，本文方法的數(shù)據(jù)信息明顯較傳統(tǒng)方法更加接近與實(shí)際的坐標(biāo)值，且誤差均在1m以內(nèi)。因此，可以說明，本文利用三維激光掃描技術(shù)有效的提升了對(duì)尾礦壩變形監(jiān)測(cè)的精準(zhǔn)度，更符合實(shí)際的工程需要。

表1 兩種方法采集結(jié)果

3 結(jié)語

本文通過利用三維激光掃描技術(shù)對(duì)尾礦壩數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量、采集、處理、建模等方法研究，并通過實(shí)驗(yàn)證明了三維激光掃描技術(shù)的準(zhǔn)確性、全面性，使得對(duì)尾礦壩監(jiān)測(cè)工作更加全面、便捷，實(shí)現(xiàn)了尾礦壩變形監(jiān)測(cè)的智能化、可視化發(fā)展。