三維激光掃描技術(shù)在礦區(qū)道路沉陷監(jiān)測中應(yīng)用

陳年青 李得軍

(1. 南京市測繪勘察研究院股份有限公司, 江蘇 南京 210019; 2. 中國礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測繪學(xué)院, 江蘇 徐州 221116)

0 引言

煤礦資源的開采往往會引起采動區(qū)上方及周邊范圍內(nèi)的巖體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,進而引起地表下沉、傾斜、水平移動等各種變形,使公路路面發(fā)生異?，F(xiàn)象,如裂縫、隆起、沉陷等。隨著時間的推移而擴展,使得地表路面變得高低不平,不僅影響路面美觀,還會增大交通事故發(fā)生的概率。變形監(jiān)測則是獲取采動區(qū)地表變形、破壞信息的主要手段,也為相關(guān)科學(xué)研究提供必要的科學(xué)數(shù)據(jù)。

目前,三維激光掃描技術(shù)已應(yīng)用在采動區(qū)地表沉陷監(jiān)測中,柏雯娟提出了一種礦山開采沉陷高精度監(jiān)測方法,該方法不僅可快速獲取礦區(qū)開采沉陷監(jiān)測數(shù)據(jù),而且可研究礦區(qū)開采沉陷規(guī)律[1];何榮等人以大柳塔礦某工作面地表三維激光掃描點云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),進行去噪處理,建立沉陷區(qū)三維數(shù)字高程模型,提出一種基于點云數(shù)據(jù)的地表傾斜量提取方法[2];孟萬利等人提出了一種基于三維激光掃描技術(shù)的礦區(qū)沉降信息快速自動獲取方法,該方法能夠?qū)崿F(xiàn)礦區(qū)地表形變的全面分析,從而快速自動地獲取地表沉降信息[3];何倩等利用地面三維激光掃描點云數(shù)據(jù)構(gòu)建高分辨率、高精度數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)監(jiān)測礦區(qū)地表動態(tài)沉陷,實現(xiàn)了大范圍、高精度、動態(tài)的地表沉降監(jiān)測[4]。

礦產(chǎn)資源的大規(guī)模開采,帶來經(jīng)濟效益的同時也給開采區(qū)域帶來了一系列消極的影響。在開采作業(yè)過程中,巖體在開采區(qū)域移動并變形,形成了大規(guī)模的采空區(qū),導(dǎo)致表面的大型沉降。其中,道路沉陷是地表沉降的主要形式之一。地面三維激光掃描儀作為一種新型測繪技術(shù),可以大規(guī)模地對地表沉陷區(qū)進行監(jiān)測,是對傳統(tǒng)測量技術(shù)的一次重大突破[5-8]。實驗介紹布設(shè)道路路面外業(yè)掃描方案以獲取道路沉陷區(qū)三維點云數(shù)據(jù),從而獲取公路變形信息,通過在礦區(qū)進行實測研究,得出一些對工程實踐有參考價值的結(jié)論。

1 沉陷監(jiān)測方案

實驗在煤礦附近S203省道進行,S203省道南北向自某礦上方通過,利用三維激光掃描儀對沉陷區(qū)域進行掃描,需要布設(shè)沉陷區(qū)道路路面三維激光掃描外業(yè)掃描方案獲取道路沉陷區(qū)三維點云數(shù)據(jù),并在其間布置水準(zhǔn)控制點B19→B18→…→B0→25→26→…→41,點間距20 m左右,研究工作面開采對省道產(chǎn)生采動影響,同時驗證三維激光掃描技術(shù)在礦區(qū)道路沉陷區(qū)監(jiān)測應(yīng)用的可行性。

該道路南北向自某礦上方通過,不在工作面主斷面上,不能利用地表移動盆地角值參數(shù)直接計算該道路受開采影響的范圍。故針對工作面開采對道路影響范圍,采用概率積分法模型對其進行預(yù)計,沉陷預(yù)計參數(shù)見表1。

表1 工作面沉陷預(yù)計概率積分法模型參數(shù)

采用概率積分法模型預(yù)計結(jié)果表明,該工作面以北開采對道路沉陷影響長度為173 m左右,工作面以南開采對道路沉陷影響長度為221 m左右,對整個道路的沉陷影響長度為570 m左右。為了保證三維激光掃描儀站點的穩(wěn)定性以及數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性,控制點設(shè)在道路沉陷影響范圍以外,由于首級控制點較遠,所以需要布設(shè)對應(yīng)的次級控制點以連接首級控制點和掃描站點,使用三等水準(zhǔn)進行高程測量;將對應(yīng)的控制點設(shè)計成圖1所示,其中K是首級控制點,P是次級控制點,Z是對應(yīng)三維激光掃描儀對應(yīng)的站點。

圖1 控制網(wǎng)布設(shè)形式

采用RIGEL VZ-1000 全站式地面三維激光掃描儀獲取道路點云數(shù)據(jù),儀器需要架設(shè)多站對道路掃描觀測[9-10],各參數(shù)設(shè)置如下:掃描最佳距離為40～60 m,密度設(shè)置在0.006 m左右;相鄰測站之間距離為90 m左右,掃描儀距離標(biāo)靶45 m,用平面標(biāo)靶作為公共點拼接多站數(shù)據(jù),拼接標(biāo)靶為4個,布設(shè)成不同高度的不規(guī)則形狀。

2 數(shù)據(jù)處理與分析

通過三維激光掃描儀采集的大量點云數(shù)據(jù),可以構(gòu)建地表沉陷區(qū)的表面模型,需要將掃描的各期點云數(shù)據(jù)與原始點云數(shù)據(jù)進行差值計算,得到下沉量[11-12]。由于各期數(shù)據(jù)點位同原始道路點位不同,因此,根據(jù)各期數(shù)據(jù)點位信息,利用插值得到對應(yīng)在原始數(shù)據(jù)點位高程值;再進行差值運算即可得到對應(yīng)點位的下沉信息;從而對下沉數(shù)據(jù)進行柵格化處理,即可獲得道路的下沉模型。進行數(shù)據(jù)插值和柵格化處理的方式有很多,如克里金插值、反距離加權(quán)插值等。由于道路各點高程值以及下沉量均存在局部影響,且這種影響隨著距離的增加而減弱。所以,實驗采用反距離加權(quán)法。

以待求點為中心,設(shè)定影響范圍R;將該影響范圍內(nèi)的所有點計入影響矩陣中,并計算各點距中心點的距離,用各點距離除以各點距中心距離之和作為該點對中心點的影響因子,中心點值為每個點對應(yīng)影響因子乘以該點值之和。具體公式為

(1)

式中,i為待求點;j為待求點周圍點;Wi,Wj代表對應(yīng)點下沉值;hj為周圍點距待求點距離值。

3 道路沉陷信息提取

3.1 路面點云預(yù)處理

三維激光掃描儀站點設(shè)置在控制點上進行掃描,首站采用后視定向,利用平面標(biāo)靶作為公共點進行拼接,進行多站掃描得到整個道路狀況,如圖2所示;利用后處理軟件RiSCAN PRO對數(shù)據(jù)進行一系列預(yù)處理操作,主要包括點云拼接,濾波、抽稀、分割等[13],從而提取研究區(qū)域內(nèi)點云數(shù)據(jù),得到預(yù)處理后道路掃描圖如圖3所示。

圖2 道路掃描全局圖

圖3 預(yù)處理后道路掃描圖

3.2 道路斷面變形分析

通過后處理軟件,在各期掃描點云數(shù)據(jù)建立DEM基礎(chǔ)上,在沿道路縱斷面的方向上選取一條剖面,將剖面上測點的步長設(shè)置為4 m,從而提取道路的縱斷面的變形。道路數(shù)據(jù)采集日期分別為2018年5月6日、2018年8月10日、2018年9月16日、2018年10月14日、2018年11月2日、2018年11月24日,共六次。提取的公路縱向剖面線下沉曲線如圖4所示,能夠直觀地觀測出道路下沉情況,并能夠在一定程度上反映出開采作業(yè)對道路的影響情況。

圖4 道路縱斷面下沉變形圖

3.3 路面整體變形分析

將2018年10月14日三維激光掃描儀獲取的數(shù)據(jù)進行分析如圖5所示。

圖5 三維激光掃描監(jiān)測數(shù)據(jù)

從圖5中可以看出,由于三維激光掃描儀獲取點云數(shù)據(jù)龐大,在提取道路縱斷線數(shù)據(jù)中可以看出局部不均勻沉降現(xiàn)象,所以有必要對整個道路路面的沉降信息進行分析。將道路點云數(shù)據(jù)導(dǎo)出三維坐標(biāo),進行網(wǎng)格化,根據(jù)網(wǎng)格格點坐標(biāo)值,利用反距離加權(quán)計算出各格點的高程值,繪制道路的下沉云圖,以第三期道路云圖為例,如圖6所示。

圖6 道路點云圖

各期點云圖以5月6日的點云圖為基礎(chǔ)做差,得到兩期數(shù)據(jù)間的高程變化量,以道路第三期下沉為例,繪制整體下沉云圖如圖7所示。

圖7 路面下沉云圖

從路面下沉云圖中可以看出整個道路的沉降情況,能夠直觀地反映出開采作業(yè)對道路的影響情況,從而為道路監(jiān)測提供依據(jù)。

4 與實測水準(zhǔn)數(shù)據(jù)對比

水準(zhǔn)點布設(shè)沿道路進行,以分析三維激光掃描數(shù)據(jù)進行插值求沉降的合理性,各期相對第一期數(shù)據(jù)下沉量,如圖8所示。

從圖8中可以看出該實測水準(zhǔn)數(shù)據(jù)下沉曲線符合開采沉陷規(guī)律,采空區(qū)中心位于B0-B4觀測點之間。將其中10月14號同期三維激光掃描的監(jiān)測數(shù)據(jù)與實測水準(zhǔn)數(shù)據(jù)進行比對,三維激光掃描監(jiān)測點的高程取其周圍點云的平均值,如圖9所示。

圖8 實測水準(zhǔn)數(shù)據(jù)

圖9 10月14日監(jiān)測數(shù)據(jù)比對

由圖9可知,水準(zhǔn)控制點下沉值和三維激光監(jiān)測數(shù)據(jù)兩者趨勢基本一致;對比點云數(shù)據(jù)與水準(zhǔn)數(shù)據(jù)下沉值如表2所示。可知對應(yīng)水準(zhǔn)控制點下沉值相差均在±1 cm;利用三維激光掃描數(shù)據(jù)繪制出的道路中線能夠較好地反應(yīng)下沉盆地。

表2 點云監(jiān)測結(jié)果與水準(zhǔn)測量結(jié)果精度對比 單位：mm

5 結(jié)束語

實驗提出一種三維激光掃描監(jiān)測礦區(qū)道路沉陷的方法,可以快速獲得海量數(shù)據(jù),提取道路表面模型,能直觀簡潔地反映開采沉陷量及礦區(qū)的沉陷趨勢。首先通過三維激光掃描儀獲取路面點云數(shù)據(jù),然后利用點位信息插值得到各期DEM數(shù)據(jù),進行差值得到各點位下沉值,最后使用反距離加權(quán)法對下沉數(shù)據(jù)柵格化處理得到道路下沉模型。通過在某煤礦附近道路沉陷區(qū)進行實驗驗證,能夠有效地反應(yīng)道路下沉圖,并選取了道路沉陷區(qū)若干有代表性的監(jiān)測點的三維激光掃描開采沉陷監(jiān)測值與對應(yīng)的水準(zhǔn)測量結(jié)果進行了對比分析,點位誤差在1 cm以內(nèi),驗證了該方法的可行性,對于進一步提高礦區(qū)開采沉陷監(jiān)測效率有一定的借鑒價值。