基于三維激光掃描的煤礦開(kāi)采地表監(jiān)測(cè)

李 磊，李建勛，李 旭

(陜西澄合山陽(yáng)煤礦有限公司，陜西 澄合 715306)

很多煤礦開(kāi)采需要研究地表的變化規(guī)律，降低煤礦開(kāi)采對(duì)地表的破壞和影響，由此延長(zhǎng)礦井的開(kāi)采年限。煤礦開(kāi)采對(duì)地表移動(dòng)的影響是力學(xué)作用的過(guò)程，需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地監(jiān)測(cè)。煤礦開(kāi)采一般都位于田野荒地附近，架設(shè)的監(jiān)測(cè)儀器經(jīng)常會(huì)被惡劣的自然環(huán)境破壞或者丟失，監(jiān)測(cè)過(guò)程也因地形多變而出現(xiàn)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)、數(shù)據(jù)不全、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)困難等問(wèn)題[1]。到目前為止還有很多煤礦的地表數(shù)據(jù)是不完整的。

針對(duì)上述問(wèn)題，傳統(tǒng)的解決方案是借助無(wú)人機(jī)設(shè)備動(dòng)態(tài)快速監(jiān)測(cè)，但無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)的成本較高，監(jiān)測(cè)預(yù)算低的項(xiàng)目無(wú)法使用。而使用GPS或地面水準(zhǔn)儀的方式進(jìn)行監(jiān)測(cè)又忽略了煤炭開(kāi)采的地表監(jiān)測(cè)需要更三維性的問(wèn)題，煤礦開(kāi)采造成最多的問(wèn)題就是地表塌陷，不僅是地表下沉，而且是整個(gè)空間下沉的情況。GPS或地面水準(zhǔn)儀只能監(jiān)測(cè)到地表下沉的程度，卻無(wú)法反映下沉的嚴(yán)重程度。

三維激光掃描技術(shù)是一種新發(fā)展的測(cè)量技術(shù)，可以代替地面水準(zhǔn)儀等平面測(cè)量技術(shù)進(jìn)行三維坐標(biāo)的測(cè)量，適合需要空間測(cè)量的地區(qū)。三維激光掃描技術(shù)采集數(shù)據(jù)的速度非?？?，可以避免儀器因長(zhǎng)時(shí)間處于田野荒地而被破壞[2]。三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用需要一定的設(shè)備支持，包括激光掃描儀、外接電源、PC機(jī)以及三角支架。通過(guò)各種設(shè)備的協(xié)作可以實(shí)現(xiàn)高密度、高速度、高精度掃描，從而獲取煤礦地表相關(guān)數(shù)據(jù)。從傳統(tǒng)的測(cè)量塌陷點(diǎn)變成了測(cè)量塌陷面，使檢測(cè)數(shù)據(jù)更加具體、全面，而且不需要將測(cè)量點(diǎn)建設(shè)在農(nóng)田當(dāng)中，避免了占用農(nóng)田，做到了綠色和環(huán)保監(jiān)測(cè)。

1 三維激光掃描儀運(yùn)行原理分析

三維激光掃描儀應(yīng)具備兩項(xiàng)基礎(chǔ)功能：測(cè)距功能和掃描功能，將兩項(xiàng)功能搭建在同一個(gè)系統(tǒng)當(dāng)中，還應(yīng)對(duì)采集的地表檢測(cè)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，因此，還應(yīng)包含集成數(shù)字?jǐn)z影設(shè)備和圖像識(shí)別校正系統(tǒng)。在三維激光掃描儀的測(cè)距過(guò)程中，應(yīng)用的原理為T(mén)OF脈沖原理。首先利用激光掃描儀按照坐標(biāo)進(jìn)行地表數(shù)據(jù)的掃描，獲取掃描目標(biāo)點(diǎn)是通過(guò)云數(shù)據(jù)的進(jìn)行確定的。發(fā)射裝置每秒要發(fā)出以百萬(wàn)計(jì)的掃描激光束，地表接收到這些光束后，激光脈沖在地面發(fā)生脈沖作用，并由地面的接收裝置對(duì)反射后的脈沖進(jìn)行接收，經(jīng)由儀器獲得相應(yīng)的地表數(shù)據(jù)。地表的坐標(biāo)獲取通過(guò)三維激光掃描脈沖反射時(shí)間和激光傳播速度等條件進(jìn)行獲取。激光脈沖橫向掃描角度值設(shè)定為α，縱向掃描角度值設(shè)置為β。從三維激光掃描儀的內(nèi)部系統(tǒng)進(jìn)行各激光脈沖接觸點(diǎn)的坐標(biāo)的獲取，直角坐標(biāo)方式的數(shù)據(jù)可以通過(guò)以下公式進(jìn)行計(jì)算：

(1)

式中：Cg為地表監(jiān)測(cè)的三維激光掃描儀的激光在無(wú)阻礙的前提下的傳播速度；t為掃描儀的掃描時(shí)間；Co為三維激光掃描儀的激光在無(wú)阻礙且真空的情況下的傳播速度；ng為該三維激光掃描儀的特性參數(shù)。

三維激光掃描儀由時(shí)間計(jì)數(shù)器、激光發(fā)射器、信號(hào)接收器、反射鏡、水平位移控制器、微型計(jì)算機(jī)和相機(jī)組成。其中反射鏡的動(dòng)力設(shè)施為馬達(dá)，反射鏡可以進(jìn)行360°自動(dòng)旋轉(zhuǎn)[3]。相機(jī)與微型計(jì)算機(jī)相連，三維激光掃描儀的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)可以進(jìn)行兩種選擇，直接連接外接電源或自帶電池，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的具體情況可以隨意切換。當(dāng)使用外接電源工作緊急停電時(shí)，切換內(nèi)置電池工作不會(huì)導(dǎo)致機(jī)械驟停，監(jiān)測(cè)工作不會(huì)中斷。三維激光掃描儀的支架只需要購(gòu)買(mǎi)市面上對(duì)應(yīng)型號(hào)的支架即可。

三維激光掃描儀可以進(jìn)行自由旋轉(zhuǎn)和擺動(dòng)。微型計(jì)算機(jī)中安裝的軟件應(yīng)為數(shù)據(jù)處理軟件和Point cape軟件。三維激光掃描儀的掃描速度可以達(dá)到8 000點(diǎn)/s，在天氣晴朗的條件下掃描距離可達(dá)到500 m，掃描儀在反射鏡進(jìn)行90°旋轉(zhuǎn)的情況下掃面距離也有正常掃描距離的一半。而在多云、光線不足的天氣或陰雨天，掃描距離最遠(yuǎn)可達(dá)到300 m，反射鏡進(jìn)行90°旋轉(zhuǎn)的情況下掃描距離可達(dá)到150 m左右。測(cè)量水平傾角小于12°，豎直傾角小于15°[4]。三維激光掃描儀的觀測(cè)站點(diǎn)需要建立三維坐標(biāo)系，如圖1所示。

圖1 三維坐標(biāo)示意

取采樣點(diǎn)命名為P，以P為中心建立直角坐標(biāo)系(X，Y，Z)，取另一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)為S，掃描儀掃描的光線與X軸之間的夾角為b，S點(diǎn)與P點(diǎn)連線與X軸形成的夾角為a。坐標(biāo)系的計(jì)算公式如下：

(2)

采用上述三維激光掃描儀進(jìn)行煤礦開(kāi)采地表監(jiān)測(cè)，應(yīng)將煤礦開(kāi)采地區(qū)需要監(jiān)測(cè)的區(qū)域設(shè)置為4個(gè)導(dǎo)線點(diǎn)，掃描順序由一端的導(dǎo)向點(diǎn)向另一端的導(dǎo)線點(diǎn)依次進(jìn)行掃描。水平位移控制器先控制各導(dǎo)線點(diǎn)的高程，然后掃描儀開(kāi)始掃描數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換[5]。

2 地表監(jiān)測(cè)的三維數(shù)據(jù)獲取

三維激光掃描儀將中心掃描點(diǎn)的坐標(biāo)定為0，獲取測(cè)量數(shù)據(jù)的流程如下：

數(shù)據(jù)獲取可分為點(diǎn)坐標(biāo)的獲取和空間坐標(biāo)的獲取。這就涉及兩期數(shù)據(jù)的采集，第一期數(shù)據(jù)的采集需要先布置掃描控制網(wǎng)，以坐標(biāo)0點(diǎn)為起算點(diǎn)，在閉合導(dǎo)線上設(shè)置6個(gè)觀察點(diǎn)，其中4個(gè)為常用觀察點(diǎn)，2個(gè)為變化觀察點(diǎn)[6]。變化觀察點(diǎn)隨著常用觀察點(diǎn)的掃描順序而變化，變化原則是一直圍繞在常用觀察點(diǎn)的兩側(cè)。在常用觀察點(diǎn)上架設(shè)三維激光掃描儀，確保掃描儀旋轉(zhuǎn)一周可以覆蓋整個(gè)需要掃描的范圍，完成第一次點(diǎn)坐標(biāo)的數(shù)據(jù)采集。

圖2 測(cè)量獲取數(shù)據(jù)流程

在三維激光掃描儀點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取過(guò)程中，最重要的特征就是保證地表數(shù)據(jù)的完整性。因此需要對(duì)目標(biāo)地點(diǎn)進(jìn)行多視點(diǎn)的掃描，對(duì)云數(shù)據(jù)的精度影響最大的因素是三維點(diǎn)云空間數(shù)據(jù)的獲取準(zhǔn)確性。第一影響準(zhǔn)確性的因素為激光束發(fā)射密度，在其他條件不變的情況下，激光束發(fā)射密度越大精確性越高。第二個(gè)影響激光掃描精度的因素為掃描儀與被觀測(cè)地表之間的距離，在物體和掃描儀的距離保持不變的情況下，為提高三維地形點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性，提升激光速發(fā)射的密度。但物理方式提升數(shù)據(jù)的精度存在弊端，最嚴(yán)重的一個(gè)技術(shù)缺陷是在監(jiān)測(cè)的地表和激光光束之間有很多無(wú)法規(guī)避的障礙物。激光束在半路被阻攔，無(wú)法到達(dá)所監(jiān)測(cè)的地表表面，此時(shí)掃描儀收集的數(shù)據(jù)就會(huì)存在數(shù)據(jù)缺陷。因此在增加光束密度的基礎(chǔ)上，還應(yīng)對(duì)地表進(jìn)行多次掃描，變換角度進(jìn)行掃描，降低數(shù)據(jù)缺失的概率。設(shè)置多角度掃描的關(guān)鍵點(diǎn)，每個(gè)掃描站點(diǎn)設(shè)置5個(gè)掃描關(guān)鍵點(diǎn)。將掃描的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)在掃描點(diǎn)拼接起來(lái)，高密度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)比普通的點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度更高。數(shù)據(jù)中包含很多錯(cuò)點(diǎn)、雜點(diǎn)、虛點(diǎn)，必需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對(duì)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除?；谏厦嬲f(shuō)到的4個(gè)常用觀察點(diǎn)，以坐標(biāo)0點(diǎn)向X軸方向，距離為掃描儀直徑的坐標(biāo)點(diǎn)為第二個(gè)檢測(cè)點(diǎn)。增加變化觀察點(diǎn)的個(gè)數(shù)，由兩個(gè)變化觀測(cè)點(diǎn)變?yōu)?個(gè)，3個(gè)觀察點(diǎn)連接呈三角狀圍住常用觀察點(diǎn)進(jìn)行掃描[7]。在常用觀察點(diǎn)上架設(shè)三維激光掃描儀，并在變化觀察點(diǎn)上放置反向標(biāo)靶，反向標(biāo)靶呈三角圍繞三維激光掃描儀，16個(gè)觀察點(diǎn)可同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，例如將點(diǎn)坐標(biāo)Pa轉(zhuǎn)換為空間坐標(biāo)Pb，參照下面的公式：

Pb=(1+o1)Pa+△PⅡ

(3)

式中：o1為參數(shù)尺度；Pa為掃描儀的常用坐標(biāo)點(diǎn)；△PⅡ?yàn)楦鞅O(jiān)測(cè)點(diǎn)在坐標(biāo)原點(diǎn)的統(tǒng)一坐標(biāo)。通過(guò)公式進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后，點(diǎn)坐標(biāo)變?yōu)槿S坐標(biāo)。

3 地表監(jiān)測(cè)的三維數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理步驟分為數(shù)據(jù)修改、坐標(biāo)糾正、數(shù)據(jù)過(guò)濾和三維建模，最后通過(guò)單位建模的模型產(chǎn)品進(jìn)行最終監(jiān)測(cè)結(jié)果分析。

數(shù)據(jù)處理采用的是在計(jì)算機(jī)上提前安裝好的Geomagic Qualify數(shù)據(jù)分析軟件，將轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)輸入到該軟件當(dāng)中，掃描儀可在短時(shí)間內(nèi)獲取大量的數(shù)據(jù)，掃描儀對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)差別采集，在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的時(shí)候首先要對(duì)目標(biāo)之外的數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除。只要將目標(biāo)數(shù)據(jù)的特征輸入計(jì)算機(jī)當(dāng)中，它就會(huì)自動(dòng)將錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除，為避免在刪除中出現(xiàn)誤刪的情況，刪除的數(shù)據(jù)暫時(shí)被儲(chǔ)存到回收站當(dāng)中，需要人工進(jìn)行核對(duì)之后才能清空回收站[8-9]。

正確的數(shù)據(jù)中也存在因?yàn)閽呙璺秶丿B而收集來(lái)的重復(fù)數(shù)據(jù)，雖然這些數(shù)據(jù)對(duì)后續(xù)的結(jié)果分析沒(méi)有任何影響，但是會(huì)加大計(jì)算機(jī)的運(yùn)算量，占據(jù)內(nèi)存，所以重復(fù)的數(shù)據(jù)也應(yīng)該刪除，提升數(shù)據(jù)分析的效率。坐標(biāo)糾正是數(shù)據(jù)處理中比較關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，三維掃描將目標(biāo)物的掃描數(shù)據(jù)統(tǒng)一成空間坐標(biāo)后，進(jìn)行坐標(biāo)數(shù)據(jù)拼合[10]，省去了點(diǎn)坐標(biāo)繪制平面圖，再將平面圖轉(zhuǎn)化為三維圖的過(guò)程，直接省去繪制平面圖的步驟，將坐標(biāo)進(jìn)行拼合。

數(shù)據(jù)過(guò)濾看似和數(shù)據(jù)刪除的功能相似，但區(qū)別很大，數(shù)據(jù)刪除是指將非目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除，而數(shù)據(jù)過(guò)濾是將正確數(shù)據(jù)中的噪聲進(jìn)行過(guò)濾。噪聲可能是在獲取數(shù)據(jù)時(shí)的合理誤差帶來(lái)的，也可能是掃描儀掃描的過(guò)程中帶來(lái)的。噪聲數(shù)據(jù)如果不進(jìn)行降噪處理會(huì)造成曲線不光滑、三維模型精度低等結(jié)果。數(shù)據(jù)處理過(guò)后可以進(jìn)行格網(wǎng)的建立。由于數(shù)據(jù)的離散性，需要將相鄰的點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行連接，三維模型中的數(shù)據(jù)沒(méi)有拓?fù)潢P(guān)系，所以在格網(wǎng)建立的時(shí)候要提前建立好數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。將三維的離散數(shù)據(jù)投影在平面上，為模型的建立做準(zhǔn)備[11]。在Geomagic Qualify數(shù)據(jù)分析軟件中數(shù)據(jù)可以多種格式輸入，該數(shù)據(jù)分析軟件可以自動(dòng)生成監(jiān)測(cè)報(bào)告，數(shù)據(jù)分析結(jié)果中數(shù)據(jù)和圖形一應(yīng)俱全，可以滿(mǎn)足大部分工作對(duì)煤礦開(kāi)采地表監(jiān)測(cè)的需求。

4 實(shí)例分析

為了驗(yàn)證基于三維激光掃描的煤礦開(kāi)采地表監(jiān)測(cè)方式和傳統(tǒng)GPS監(jiān)測(cè)方式相比，哪種方式誤差最小，用兩種方式對(duì)同一塊煤礦開(kāi)采區(qū)進(jìn)行地表監(jiān)測(cè)，對(duì)比數(shù)據(jù)誤差率?；谌S激光掃描的監(jiān)測(cè)方法的應(yīng)用如上述分析，而GPS監(jiān)測(cè)方法則需要布設(shè)觀測(cè)站，具體方法參見(jiàn)文獻(xiàn)[9]。

4.1 實(shí)驗(yàn)區(qū)基礎(chǔ)信息

某采用頂煤開(kāi)采方式的煤礦，煤礦走向長(zhǎng)500 m，煤礦的整體可開(kāi)采面積為3 659 m2，煤礦傾斜長(zhǎng)度為走向長(zhǎng)度的一半，煤層平均厚度為5.5～7.5 m，煤層存在一定傾角，傾角最大的地方不超過(guò)15°，煤層的頂板厚度為100 m，煤層上覆蓋的多為黏土層和細(xì)沙層。

4.2 實(shí)例監(jiān)測(cè)結(jié)果

使用傳統(tǒng)方法和基于三維激光掃描的煤礦開(kāi)采地表監(jiān)測(cè)方式對(duì)上述煤礦進(jìn)行地表監(jiān)測(cè)測(cè)試，對(duì)比集中方式的檢測(cè)誤差率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 誤差率對(duì)比 單位：%

由表1可知，三種方式的數(shù)據(jù)誤差不相上下，但兩種方式的坐標(biāo)誤差就遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于本文設(shè)計(jì)的方式。因此也導(dǎo)致本文設(shè)計(jì)的方法比傳統(tǒng)方法誤差率小。

另外，使用三維坐標(biāo)展示煤礦監(jiān)測(cè)情況，X軸、Y軸、Z軸的監(jiān)測(cè)情況如圖3所示。

由圖3可以看出，坡頂部分沿著X軸方向有變化，也有向坡底運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，最大水平移動(dòng)量為1.132 6 m，坡頂也在向Y軸正方向移動(dòng)，最大水平位移為0.413 9 m，但坡底是沿著Y軸負(fù)方向移動(dòng)，坡頂Z軸負(fù)方向位移較大，最大位移為-2.112 7 m。由此可以看出，運(yùn)用三維激光掃描技術(shù)不僅可以清晰地看出不同方向上煤礦的變化情況，也可以對(duì)煤礦開(kāi)采時(shí)期的地表情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。由此證明本文設(shè)計(jì)的方法對(duì)煤礦開(kāi)采地表監(jiān)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性較好，具有實(shí)用性。

5 結(jié) 語(yǔ)

為解決傳統(tǒng)GPS監(jiān)測(cè)方法中存在的問(wèn)題，將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于煤礦開(kāi)采地表監(jiān)測(cè)中。將傳統(tǒng)GPS監(jiān)測(cè)對(duì)點(diǎn)和地面水平面的研究轉(zhuǎn)化為對(duì)三維立體圖像的研究，解決了野地荒田監(jiān)測(cè)困難、信號(hào)弱導(dǎo)致數(shù)據(jù)收集不全的問(wèn)題。文中不僅從理論層面分析了本文設(shè)計(jì)方法的可行性，還通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)證明了基于三維激光掃描監(jiān)測(cè)方法的可行性、實(shí)用性。希望通過(guò)本文研究為煤礦開(kāi)采地表監(jiān)測(cè)提供新思路。

圖3 煤礦監(jiān)測(cè)三維圖