基于三維激光掃描技術(shù)的礦山高位邊坡變形監(jiān)測(cè)方法

李江濤 LI Jiang-tao

（蘇尼特金曦黃金礦業(yè)有限責(zé)任公司，蘇尼特右旗 011299）

0 引言

礦山高位邊坡變形的復(fù)雜性和不可控性，常常威脅著施工人員的人身安全和財(cái)產(chǎn)安全。再加上環(huán)境因素及特定條件的催化，對(duì)于礦山開采進(jìn)度造成了極大的不利影響。為解決上述問題，相關(guān)人員根據(jù)礦山邊坡的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了變形監(jiān)測(cè)方法，例如文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]提出的T-樣條曲面擬合高位邊坡變形監(jiān)測(cè)方法、DIC 高位邊坡變形監(jiān)測(cè)方法，這兩種監(jiān)測(cè)方法雖然可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的檢測(cè)目標(biāo)，但是更加容易受到外部因素的干擾，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)的定向序列以及采集數(shù)據(jù)出現(xiàn)突變異常，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)粗差增加[3]。不僅如此，傳統(tǒng)的邊坡變形監(jiān)測(cè)形式還存在單一、不穩(wěn)定等問題，在實(shí)際中缺乏有針對(duì)性監(jiān)測(cè)粗差解決檔案，難以在不同的背景下對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)序列中的粗差進(jìn)行有效檢測(cè)和剔除[4]。為此提出對(duì)基于三維激光掃描技術(shù)的礦山高位邊坡變形監(jiān)測(cè)方法的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證分析。

1 基于三維激光掃描的礦山高位邊坡變形監(jiān)測(cè)方法設(shè)計(jì)

1.1 布設(shè)多目標(biāo)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)

需要根據(jù)實(shí)際的監(jiān)測(cè)需求及標(biāo)準(zhǔn)，綜合三維激光掃描技術(shù)，設(shè)定多目標(biāo)的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，以此為后續(xù)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[5]。通常情況下，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的部署一般是根據(jù)邊坡的區(qū)域及劃定的范圍而布設(shè)的，需要具備一定的針對(duì)性和穩(wěn)定性?？梢韵冗M(jìn)行監(jiān)測(cè)邊緣值的測(cè)算，如公式（1）所示：

公式（1）中：Q 表示節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域邊緣值，m 表示預(yù)設(shè)范圍，n 表示節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域?qū)崪y(cè)范圍，κ 表示堆疊監(jiān)測(cè)距離，表示定向采集覆蓋范圍。根據(jù)上述測(cè)定，完成對(duì)監(jiān)測(cè)邊緣值的測(cè)算。

調(diào)整橫向的監(jiān)測(cè)距離長(zhǎng)為15.5km，寬度為7.5km。將控制網(wǎng)絡(luò)劃分應(yīng)用等級(jí)A 和B 級(jí)，連接部署初始監(jiān)測(cè)基點(diǎn)和接電腦，采用坐標(biāo)精度不低于1m 的WGS-84 對(duì)具體變形位置進(jìn)行定位。隨后，根據(jù)礦山的邊坡的具體情況，調(diào)整原本的監(jiān)測(cè)基點(diǎn)位置，對(duì)重要位置進(jìn)行重新測(cè)繪，新測(cè)點(diǎn)也將作為GPS 系統(tǒng)的核心監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其主要布置在礦山的高位邊坡上。接下來，融合三維激光掃描技術(shù)，搭建多目標(biāo)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的部署結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 多目標(biāo)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的部署結(jié)構(gòu)圖示

1.2 基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理

礦山邊坡實(shí)際上是一種臨時(shí)或半永久性邊坡，尤其是對(duì)于高位邊坡來說，一旦受到外部沖擊力的影響，達(dá)到一定的承壓標(biāo)準(zhǔn)之后，便容易發(fā)生少量滑塌甚至局部性規(guī)模較大的滑塌。周圍有村莊的嚴(yán)重的甚至?xí)斐扇藛T傷亡或重大經(jīng)濟(jì)損失。因此，綜合實(shí)際的監(jiān)測(cè)需求及標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、信息的采集，并根據(jù)預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)數(shù)據(jù)預(yù)處理。一般情況下，高位邊坡具有位置高，坡角陡、基石不穩(wěn)的特點(diǎn)，可以對(duì)周圍的環(huán)境進(jìn)行判定，測(cè)算出此時(shí)邊坡的最低安全系數(shù)，主要是通過公式（2）計(jì)算得出：

公式（1）中：F 表示邊坡的最低安全系數(shù)，g 表示邊坡最低位移距離，e 表示定向安全偏差，φ 表示采集范圍，c表示邊坡的形變預(yù)估值。根據(jù)上述測(cè)定，完成對(duì)測(cè)試邊坡最低安全系數(shù)的測(cè)算，將其設(shè)定為極限的安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，后續(xù)的監(jiān)測(cè)也會(huì)圍繞這一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對(duì)分析[11]。礦山邊坡變形監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)的選擇直接影響到GPS 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性，這在一定程度上也要求GPS 相關(guān)監(jiān)測(cè)裝置的應(yīng)用和連接，但是需要注意的是，基準(zhǔn)點(diǎn)日常的應(yīng)用可能會(huì)受各種不利因素的影響，所以必須將其與總控制系統(tǒng)進(jìn)行關(guān)聯(lián)搭接，構(gòu)建范圍更大的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)。

1.3 建立改進(jìn)IQR 粗差變形監(jiān)測(cè)矩陣

粗差是高位邊坡變形監(jiān)測(cè)過程中最為常見、影響最大的一種問題。所以，綜合三維激光掃描技術(shù)以及改進(jìn)IQR技術(shù)，進(jìn)行粗差變形監(jiān)測(cè)矩陣設(shè)計(jì)。通常情況下，傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)矩陣多為單向的，雖然能夠基本滿足預(yù)期的監(jiān)測(cè)任務(wù)要求，但是較容易受到外部環(huán)境及特定因素影響。所以為了提升監(jiān)測(cè)質(zhì)量，此次需要改變矩陣的內(nèi)置監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)?？梢韵壤貌渴鸬幕鶞?zhǔn)點(diǎn)及節(jié)點(diǎn)，采集實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)以及信息，通過改進(jìn)IQR 技術(shù)建立監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)換矩陣結(jié)構(gòu)，對(duì)邊坡變形的位置進(jìn)行描述，如圖2 所示。

圖2 改進(jìn)IQR 邊坡變形位置描述圖示

根據(jù)圖2，完成對(duì)改進(jìn)IQR 邊坡變形位置的描述和設(shè)定。在此基礎(chǔ)之上，綜合三維激光掃描技術(shù)設(shè)定矩陣監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)以及矩陣的監(jiān)測(cè)順序，如公式（3）所示：

公式（3）中：K 表示矩陣監(jiān)測(cè)順序，W 表示可控監(jiān)測(cè)距離，U0和C0分別表示兩個(gè)階段的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化參數(shù)。完成矩陣監(jiān)測(cè)順序的設(shè)定之后，調(diào)整初始設(shè)定的節(jié)點(diǎn)位置，融合三位激光掃描技術(shù)，根據(jù)監(jiān)測(cè)元素的不斷變化建立新的數(shù)據(jù)處理結(jié)構(gòu)，從而得到內(nèi)參數(shù)矩陣值，以此設(shè)定改進(jìn)IQR 監(jiān)測(cè)矩陣檢校指標(biāo)參數(shù)，如表1 所示。

表1 改進(jìn)IQR 監(jiān)測(cè)矩陣檢校指標(biāo)參數(shù)表

根據(jù)表1，完成對(duì)改進(jìn)IQR 監(jiān)測(cè)矩陣檢校指標(biāo)參數(shù)的設(shè)定與分析。接下來，利用三維激光掃描技術(shù)，在矩陣中構(gòu)建一個(gè)定向的測(cè)繪程序，依據(jù)邊坡的實(shí)際狀態(tài)以及變形情況，不斷調(diào)整測(cè)繪的距離以及范圍，以此最大程度降低存在的監(jiān)測(cè)粗差。但是需要注意的是，矩陣在應(yīng)用的過程中，對(duì)于邊坡變形的監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)并不是固定的，而是隨著實(shí)際的需求及標(biāo)準(zhǔn)做出對(duì)應(yīng)的改變，在矩陣中形成可循環(huán)的檢測(cè)結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定實(shí)際的監(jiān)測(cè)環(huán)境。

1.4 構(gòu)建三維激光掃描高位邊坡變形監(jiān)測(cè)模型

根據(jù)所設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)矩陣及節(jié)點(diǎn)、基準(zhǔn)點(diǎn)，先進(jìn)行初始建模，設(shè)定任意的離散原始監(jiān)測(cè)序列，通過有限次的監(jiān)測(cè)生成即可轉(zhuǎn)化成為有規(guī)律的監(jiān)測(cè)序列，能夠較好地反映邊坡的實(shí)際狀況。通過三維掃描技術(shù)，將觀測(cè)變量看作是灰色變量，利用初始建模自身觀測(cè)數(shù)據(jù)序列，分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及信息發(fā)展變化的固定規(guī)律，建立一個(gè)三維監(jiān)測(cè)體系，并不斷調(diào)整監(jiān)測(cè)參數(shù)，如表2 所示。

表2 三維激光掃描邊坡變形監(jiān)測(cè)模型參數(shù)調(diào)整表

根據(jù)表2，完成對(duì)三維激光掃描邊坡變形監(jiān)測(cè)模型參數(shù)的設(shè)計(jì)與調(diào)整。隨后，在此范圍之內(nèi)，綜合三維激光掃描技術(shù)，擴(kuò)大模型的實(shí)際監(jiān)測(cè)范圍，結(jié)合改進(jìn)IQR 監(jiān)測(cè)矩陣建立一個(gè)循環(huán)性更強(qiáng)的監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)。利用模型獲取到周期之內(nèi)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過改進(jìn)IQR 監(jiān)測(cè)矩陣判斷出邊坡的變形情況，獲取最終的監(jiān)測(cè)結(jié)果，另外，在監(jiān)測(cè)的過程中，三維激光技術(shù)，還會(huì)拍攝采集到較多的圖片、視頻、音頻數(shù)據(jù)，也可以存儲(chǔ)到模型對(duì)應(yīng)的位置上，便于后續(xù)的對(duì)比與使用，強(qiáng)化該模型后續(xù)的應(yīng)用能力。

1.5 點(diǎn)云重疊校正實(shí)現(xiàn)變形監(jiān)測(cè)

所謂點(diǎn)云重疊校正實(shí)際上是針對(duì)邊坡的變形狀態(tài)，對(duì)最終獲取的監(jiān)測(cè)結(jié)果做出調(diào)整與修正。先設(shè)定一個(gè)基礎(chǔ)的校正標(biāo)準(zhǔn)，如表3 所示。

表3 點(diǎn)云重疊校正標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定表

根據(jù)表3，完成對(duì)點(diǎn)云重疊校正標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)定與調(diào)整。接下來，利用點(diǎn)云重疊校正技術(shù)對(duì)獲取的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，測(cè)算出重疊監(jiān)測(cè)區(qū)域的數(shù)據(jù)存在的偏差，如果其超出預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)，需要通過三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行偏差位置的鎖定，重新調(diào)整實(shí)際的監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)。利用模型加強(qiáng)對(duì)監(jiān)測(cè)粗差的控制，避免出現(xiàn)大范圍的監(jiān)測(cè)誤差。

此外，對(duì)于高精度形變監(jiān)測(cè)修正而言，正常情況下GPS 定位雙差觀測(cè)值的殘差為毫米級(jí)。此次，通過模型中的監(jiān)測(cè)矩陣，分段對(duì)監(jiān)測(cè)的區(qū)域做出調(diào)整，計(jì)算出雙差觀測(cè)值及監(jiān)測(cè)載波相位值，如果兩者之間的差距沒有大于幾毫米，說明監(jiān)測(cè)結(jié)果不需要調(diào)整與校正；如果超出標(biāo)準(zhǔn)，則需要重新設(shè)定邊坡的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，劃定監(jiān)測(cè)范圍。

2 方法測(cè)試

2.1 測(cè)試準(zhǔn)備

綜合三維激光掃描技術(shù)，對(duì)G 礦山工程高位邊坡的變形監(jiān)測(cè)情況進(jìn)行分析。G 礦山區(qū)域周邊的植被茂盛，還存在高壓電線以及信號(hào)基站，數(shù)量較多，且密布在礦山的四周。不僅如此，該路段的山體較多，夏季雨水充沛，再加上外部因素及環(huán)境的變化頻繁，更加容易發(fā)生滑坡、泥石流等災(zāi)害，監(jiān)測(cè)環(huán)境較差。此外，高壓電線與信號(hào)基站密布，對(duì)于所設(shè)定的監(jiān)測(cè)裝置也會(huì)產(chǎn)生較大的影響，無法獲取更為精準(zhǔn)、可靠的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及信息。

因此，綜合實(shí)際的需求及邊坡變形監(jiān)測(cè)方法，還需要進(jìn)行相關(guān)監(jiān)測(cè)環(huán)境的設(shè)定與搭建。首先，根據(jù)實(shí)際的監(jiān)測(cè)規(guī)則，明確實(shí)際的監(jiān)測(cè)范圍，并將該區(qū)域劃分為以下幾個(gè)獨(dú)立測(cè)定區(qū)域，即6 個(gè)單元區(qū)域。隨后，在相關(guān)的區(qū)域中設(shè)置一定數(shù)量的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，逐漸形成可靠性更強(qiáng)的監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)，進(jìn)行基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)指標(biāo)參數(shù)的設(shè)定，如表4 所示。

表4 基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)指標(biāo)參數(shù)設(shè)置表

根據(jù)表4，完成對(duì)基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的設(shè)定與調(diào)整，營造穩(wěn)定的邊坡變形監(jiān)測(cè)環(huán)境。隨后，綜合三維激光掃描技術(shù)不斷調(diào)整監(jiān)測(cè)環(huán)境的覆蓋范圍，并對(duì)基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)采集，為接下來實(shí)際的測(cè)定奠定基礎(chǔ)。

2.2 測(cè)試過程及結(jié)果分析

在上述搭建的測(cè)試環(huán)境之中，綜合三維激光掃描技術(shù)，融合預(yù)設(shè)的監(jiān)測(cè)需求及標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行具體的測(cè)驗(yàn)分析。在劃定好的單元區(qū)域之中利用節(jié)點(diǎn)采集各個(gè)邊坡的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以及信息，采用特定格式轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)包，傳輸?shù)娇偪刂葡到y(tǒng)內(nèi)的存儲(chǔ)庫里，以待后續(xù)使用。接下來，融合三維激光掃描技術(shù)，利用專業(yè)的設(shè)備及裝置，對(duì)礦山高位邊坡變形位置進(jìn)行模糊識(shí)別，從而構(gòu)建監(jiān)測(cè)序列，具體如圖3 所示。

圖3 礦山高位邊坡變形序列圖示

根據(jù)圖3，完成對(duì)礦山高位邊坡變形序列的設(shè)定與分析。隨即，確定了高位邊坡大致的位置之后，接下來，利用MATLAB 監(jiān)測(cè)軟件進(jìn)行監(jiān)測(cè)得到數(shù)據(jù)采樣，并利用三位激光掃描技術(shù)，對(duì)高位邊坡進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)繪掃描，對(duì)比初始的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行相關(guān)分析。在測(cè)繪掃描中標(biāo)定出6 個(gè)具體的邊坡位置，測(cè)算出高位邊坡變形的平均粗差，如公式（4）所示：

公式（4）中，D 表示高位邊坡變形平均粗差，y 表示邊坡變形定值，表示可控距離差，i 表示監(jiān)測(cè)頻次，δ 表示序列長(zhǎng)度。根據(jù)上述測(cè)定，完成對(duì)最終測(cè)試結(jié)果的分析與驗(yàn)證研究，考慮到最終測(cè)試結(jié)果的真實(shí)性與可靠性，進(jìn)行后續(xù)的分析，如圖4 所示。

圖4 測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析圖示

根據(jù)圖4，完成對(duì)測(cè)試結(jié)果的分析：經(jīng)過6 個(gè)獨(dú)立單元區(qū)域的測(cè)試，對(duì)比于傳統(tǒng)T-樣條曲面擬合高位邊坡變形監(jiān)測(cè)小組、傳統(tǒng)DIC 高位邊坡變形監(jiān)測(cè)小組，本次所設(shè)計(jì)的三維激光掃描邊坡變形監(jiān)測(cè)小組最終測(cè)試得出的高位邊坡變形監(jiān)測(cè)平均粗差被較好地控制在了0.8 以內(nèi)，說明該方法的監(jiān)測(cè)能力較強(qiáng)，對(duì)于高位邊坡變形監(jiān)測(cè)的針對(duì)性更強(qiáng)，誤差可控，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié)束語

總而言之，以上便是對(duì)基于三維激光掃描技術(shù)的礦山高位邊坡變形監(jiān)測(cè)方法的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證分析，與初始的礦山監(jiān)測(cè)形式相對(duì)比，此次綜合三維激光掃描技術(shù)對(duì)于高位邊坡變形程度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，使監(jiān)測(cè)過程變得更加靈敏、多變。與此同時(shí)，三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用及融合，一定程度上還可以加快數(shù)據(jù)、信息采集與應(yīng)用效率，通過多維測(cè)繪模式進(jìn)行高位邊坡虛擬模型的建立，在短時(shí)間內(nèi)完成邊坡區(qū)域高精度的曲面重建，幫助施工人員更為直觀、準(zhǔn)確地還原邊坡的變形情況，設(shè)計(jì)貼合實(shí)際的監(jiān)測(cè)方案，推動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)邁入一個(gè)新的發(fā)展臺(tái)階。