現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)在采煤塌陷地修復(fù)中的應(yīng)用研究

關(guān)鍵詞：現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)；采煤塌陷地；土地修復(fù)；資源利用；三維建模中圖分類號(hào)：TD88 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500（2025）04-0106-03DOI： 10.3969/j.issn.1008-9500.2025.04.028

Research on the Application of Modern Measurement Technology in the Restoration of Coal Mining Subsidence Land

WU Meng

（Weishan County Natural Resources and Planning Bureau，Jining2776Oo， China）

Abstract：The problemof coal mining subsidencehasaserious impactonlandresourcesand ecological environment.Based onthecurrentsituationofcoal miningsubsidencein Weishancounty，Jiningcitythisstudyinvestigatestheapplication methods of modern measurement technology intherestoration process ofsubsidence.Byutilizing technologies such as three-dimensional laser scanning，unmannedaerial vehicleremotesensing，andGlobal NavigationSatelite System（GNSS） Real Time Kinematic （RTK），thesubsidencearea isdynamicallymonitoredanddata iscollected.Athree-dimensional digital model is established to achieve accurate measurementof surface deformation.Research has shown thatmodern measurementtechnologycaneffectivelyimprovetheaccuracyand eficiencyofrestorationprojects，providingreliabledata support for land consolidation and ecological restoration.

Keywords：modern measurement technology; mining subsidence area; land restoration;resource utilization; threedimensional modeling

1現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)體系

采煤塌陷地治理是我國(guó)資源型城市轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要課題。濟(jì)寧市微山縣位于魯西南平原微山湖兩側(cè)，地表沉降問題突出，累計(jì)塌陷面積超過 ，地表沉降最大值達(dá) 2 . 5 m 。傳統(tǒng)測(cè)量方法難以滿足大規(guī)模塌陷地修復(fù)工程需求，而現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)的發(fā)展為塌陷地治理提供了新的技術(shù)手段，能夠高精度動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)地表變形。針對(duì)微山縣采煤塌陷地現(xiàn)狀，開展現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)應(yīng)用研究，對(duì)提高塌陷地治理效果具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1.1三維激光掃描與無人機(jī)遙感技術(shù)

采煤塌陷地三維激光掃描技術(shù)通過高頻激光束獲取地表空間位置信息，點(diǎn)云數(shù)據(jù)密度為50點(diǎn) 。掃描數(shù)據(jù)記錄地表高程、裂縫分布及地形起伏等關(guān)鍵信息。無人機(jī)遙感測(cè)量采用固定翼或多旋翼無人機(jī)，在 3 0 0 ～ 5 0 0 m 飛行高度獲取正射影像和傾斜攝影數(shù)據(jù)。航向重疊度 8 0 % 以上，旁向重疊度 6 0 % 以上，地表分辨率優(yōu)于 。結(jié)合實(shí)時(shí)差分定位技術(shù)，控制點(diǎn)測(cè)量精度達(dá)厘米級(jí)[1]。

1.2 GNSSRTK動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)

雙頻多系統(tǒng)接收機(jī)配合基準(zhǔn)站網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)塌陷區(qū)控制點(diǎn)厘米級(jí)定位?；鶞?zhǔn)站間距 3 ～ 5 k m ，采用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellte System，GNSS）實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分定位（RealTimeKinematic，RTK）技術(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測(cè)，水平精度 ± （ ），高程精度 ± （ ）。其中， D 為被測(cè)點(diǎn)間距離， m m 。變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至數(shù)據(jù)處理中心，為塌陷地變形預(yù)警及治理決策提供依據(jù)。

1.3多源數(shù)據(jù)融合方法

采用最近點(diǎn)迭代（IterativeClosestPoint，ICP）算法對(duì)多期次激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，精度優(yōu)于 5 m m 。利用特征點(diǎn)匹配和光束法平差技術(shù)處理無人機(jī)影像，構(gòu)建正射影像圖和數(shù)字表面模型。通過空間數(shù)據(jù)配準(zhǔn)技術(shù)，將GNSS監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與點(diǎn)云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)融合，建立統(tǒng)一坐標(biāo)框架，形成高精度、高分辨率的塌陷區(qū)地表變形數(shù)據(jù)庫(kù)。多源數(shù)據(jù)融合過程中，引入智能化管理系統(tǒng)統(tǒng)一處理和存儲(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)?；谠朴?jì)算和大數(shù)據(jù)技術(shù)構(gòu)建的平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)化采集、存儲(chǔ)與分析，具備數(shù)據(jù)自動(dòng)校驗(yàn)、異常預(yù)警功能。通過WebGIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化展示，支持多人協(xié)同作業(yè)，便于現(xiàn)場(chǎng)施工人員實(shí)時(shí)查詢使用。系統(tǒng)采用分布式架構(gòu)，確保數(shù)據(jù)安全性和穩(wěn)定性。

2測(cè)量技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐

2.1變形監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)與網(wǎng)絡(luò)布設(shè)

針對(duì)微山縣采煤塌陷區(qū)特點(diǎn)，制定系統(tǒng)的變形監(jiān)測(cè)方案。根據(jù)塌陷地治理項(xiàng)目的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)“雙基準(zhǔn)站 + 多控制點(diǎn)”的GNSS監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。基準(zhǔn)站選址在塌陷影響圈外穩(wěn)定區(qū)域，站點(diǎn)間距離保持在3 ～ 5 k m ，確保RTK測(cè)量精度。控制點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)采用三角形布設(shè)方案，點(diǎn)位間距在 2 0 0 ～ 3 0 0 m ，并根據(jù)地形起伏調(diào)整加密[2。在重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域，如最大下沉區(qū)域或水平拉伸最大區(qū)域，控制點(diǎn)密度提高至 1 0 0 m 間距。監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中GNSS基準(zhǔn)站采用混凝土墩式強(qiáng)制歸心標(biāo)志，控制點(diǎn)采用鋼管混凝土標(biāo)志，標(biāo)志基礎(chǔ)深度不小于 1 . 5 m ，確保測(cè)量標(biāo)志穩(wěn)定性。

2.2地表變形數(shù)據(jù)采集

變形數(shù)據(jù)采集采用多平臺(tái)協(xié)同作業(yè)模式。固定翼無人機(jī)搭載相機(jī)，按照井字形航線規(guī)劃，在 4 0 0 m 航高完成塌陷區(qū)正射影像的獲取，地面分辨率優(yōu)于 。激光掃描儀布設(shè)于控制點(diǎn)上，采用“多站位 + 靶標(biāo)”掃描方式，單點(diǎn)密度控制在50點(diǎn) 以上，確保關(guān)鍵部位點(diǎn)云數(shù)據(jù)完整性。對(duì)于重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域，采用GNSSRTK技術(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)巡測(cè)，測(cè)點(diǎn)間距加密至2 0 ～ 3 0 m ，形成高精度離散點(diǎn)數(shù)據(jù)集。通過布設(shè)傾斜攝影航線，獲取建筑物立面及陡坡區(qū)域三維信息，彌補(bǔ)正射影像數(shù)據(jù)的不足。數(shù)據(jù)采集過程中嚴(yán)格控制外業(yè)測(cè)量精度，實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查和異常值剔除。

2.3三維數(shù)字模型構(gòu)建

基于多源測(cè)量數(shù)據(jù)構(gòu)建塌陷區(qū)三維數(shù)字模型。通過控制點(diǎn)匹配和區(qū)域網(wǎng)平差技術(shù)，完成無人機(jī)影像空中三角測(cè)量，構(gòu)建數(shù)字正射影像圖，平面精度優(yōu)于 。利用點(diǎn)云配準(zhǔn)算法，將多站位激光掃描數(shù)據(jù)統(tǒng)一至2000國(guó)家大地坐標(biāo)系（ChinaGeodeticCoordinateSystem2000，CGCS2000），生成高精度地表數(shù)字高程模型。采用傾斜攝影測(cè)量技術(shù)重建建筑物三維模型，結(jié)合GNSS實(shí)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行精度校驗(yàn)和約束。通過多尺度數(shù)據(jù)融合技術(shù)，將正射影像、高程模型和三維建筑物模型集成，構(gòu)建完整的塌陷區(qū)三維場(chǎng)景模型，實(shí)現(xiàn)地表變形的可視化表達(dá)和定量分析。在三維數(shù)字模型的基礎(chǔ)上，將建筑信息模型（BuildingInformationModeling，BIM）技術(shù)與GNSSRTK進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)施工放樣的自動(dòng)化和智能化。施工機(jī)械配備自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)，與三維數(shù)字模型實(shí)時(shí)對(duì)接，指導(dǎo)設(shè)備按設(shè)計(jì)要求作業(yè)。系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示施工進(jìn)度和質(zhì)量控制指標(biāo)，施工人員通過移動(dòng)終端App能夠隨時(shí)查看設(shè)計(jì)圖紙和技術(shù)要求，提高施工效率和質(zhì)量。

3數(shù)據(jù)處理與分析

3.1測(cè)量數(shù)據(jù)預(yù)處理與參數(shù)提取

針對(duì)采煤塌陷地多源測(cè)量數(shù)據(jù)特點(diǎn)，開展系統(tǒng)化的數(shù)據(jù)預(yù)處理工作。對(duì)GNSSRTK觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行粗差探測(cè)和周跳修復(fù)，采用Saastamoinen模型進(jìn)行對(duì)流層改正，實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)定位精度。激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)利用統(tǒng)計(jì)離群值分析方法剔除噪聲點(diǎn)，通過八叉樹空間索引結(jié)構(gòu)優(yōu)化點(diǎn)云組織方式，提高數(shù)據(jù)處理效率。無人機(jī)影像應(yīng)用自適應(yīng)同名點(diǎn)匹配算法，結(jié)合控制點(diǎn)約束完成空中三角測(cè)量平差。變形參數(shù)提取采用時(shí)序干涉合成孔徑雷達(dá)（Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR）技術(shù)，構(gòu)建形變速率場(chǎng)，識(shí)別沉降中心和裂縫發(fā)育區(qū)，塌陷速率監(jiān)測(cè)精度達(dá)毫米級(jí)。利用基于深度學(xué)習(xí)的地物分類算法解譯正射影像，提取地表覆被信息，為土地利用現(xiàn)狀分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。統(tǒng)一存儲(chǔ)和高效管理預(yù)處理后的多源數(shù)據(jù)，為后續(xù)分析應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

3.2土地整治工程量計(jì)算

依托高精度三維模型，采用數(shù)字化方法進(jìn)行土地整治工程量計(jì)算。運(yùn)用網(wǎng)格剖分技術(shù)將塌陷區(qū)劃分為5 m× 5 m 的規(guī)則網(wǎng)格單元，基于數(shù)字高程模型計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格的現(xiàn)狀高程值。結(jié)合土地利用規(guī)劃確定設(shè)計(jì)高程，采用最小工程量原則，通過規(guī)劃高程與現(xiàn)狀高程差值計(jì)算填挖方量。利用Kriging空間插值方法對(duì)離散控制點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行地表沉降預(yù)測(cè)，評(píng)估施工期間可能發(fā)生的變形量。對(duì)重點(diǎn)整治區(qū)域，如最大下沉區(qū)域或水平拉伸最大區(qū)域，采用不規(guī)則三角網(wǎng)絡(luò)（TriangulatedIrregularNetwork，TIN）模型細(xì)化工程量計(jì)算，考慮下沉速率，提高計(jì)算精度。土方平衡分析采用線性規(guī)劃模型，優(yōu)化調(diào)配方案，實(shí)現(xiàn)運(yùn)距最短化。

3.3修復(fù)效果評(píng)估方法

建立多維度的修復(fù)效果評(píng)估體系，科學(xué)評(píng)價(jià)塌陷地治理成效。地形恢復(fù)程度評(píng)估采用數(shù)字高程模型對(duì)比方法，計(jì)算修復(fù)前后高程差異，評(píng)價(jià)地形重塑精度。土地平整度評(píng)估基于RTK實(shí)測(cè)點(diǎn)檢核，采用高程中誤差和相鄰點(diǎn)高差指標(biāo)進(jìn)行量化分析。土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)合實(shí)地采樣數(shù)據(jù)，建立包括有機(jī)質(zhì)含量、 值等指標(biāo)的評(píng)價(jià)模型。利用歸一化植被指數(shù)（NormalizedDifferenceVegetationIndex，NDVI）監(jiān)測(cè)生態(tài)恢復(fù)情況，結(jié)合地面調(diào)查數(shù)據(jù)評(píng)估植被覆蓋度和生物多樣性。為提高評(píng)估的科學(xué)性，引人機(jī)器學(xué)習(xí)算法分析歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，建立地表變形預(yù)測(cè)模型。通過深度學(xué)習(xí)技術(shù)識(shí)別地表變形特征，預(yù)測(cè)潛在風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。系統(tǒng)自動(dòng)生成變形趨勢(shì)分析報(bào)告，結(jié)合專家知識(shí)庫(kù)和歷史治理經(jīng)驗(yàn)，為修復(fù)方案的制定和優(yōu)化提供決策支持。

4工程應(yīng)用效果

在微山縣采煤塌陷地修復(fù)工程中，特別是預(yù)加高治理模式中，現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用顯著提高了土地平整和復(fù)墾質(zhì)量。微山縣采煤塌陷地修復(fù)工程主要效果指標(biāo)如表1所示。通過GNSSRTK技術(shù)進(jìn)行施工放樣和質(zhì)量檢測(cè)，土地平整高程中誤差控制在 ± 3 c m 以內(nèi)，平整度達(dá)到耕地質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求。復(fù)墾土地經(jīng)過實(shí)地檢測(cè)，土壤容重在 ，有機(jī)質(zhì)含量 2 . 3 % 以上，各項(xiàng)指標(biāo)均符合耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。復(fù)墾后耕地質(zhì)量等別由原來的9等提升至7等，實(shí)現(xiàn)了耕地質(zhì)量的明顯改善。完成復(fù)墾的農(nóng)田灌溉排水設(shè)施完善，田間道路網(wǎng)絡(luò)合理，田塊規(guī)整，有效提升了土地利用效率和耕作便利性。

從經(jīng)濟(jì)效益角度看，現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用顯著提高了工程效率，與傳統(tǒng)測(cè)量方法相比，測(cè)量效率提升 30 0 % ，人工成本降低 5 0 % 。通過精確的工程量計(jì)算和優(yōu)化的施工方案，土方調(diào)配更加合理，運(yùn)距縮短3 0 % ，節(jié)約工程成本約 2 0 % 。同時(shí)，高精度的變形監(jiān)測(cè)確保了工程質(zhì)量，避免了返工和質(zhì)量隱患。

從社會(huì)效益看，塌陷地修復(fù)工程的實(shí)施不僅恢復(fù)了土地生產(chǎn)功能，還改善了區(qū)域生態(tài)環(huán)境。據(jù)統(tǒng)計(jì)，項(xiàng)目區(qū)農(nóng)民收入較修復(fù)前提高 4 0 % ，帶動(dòng)了周邊產(chǎn)業(yè)發(fā)展。建立的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)為后期土地管理和類似工程積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

5結(jié)論

微山縣采煤塌陷地治理的實(shí)踐應(yīng)用證實(shí)現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)在采煤塌陷地修復(fù)中具有顯著優(yōu)勢(shì)。三維激光掃描、無人機(jī)遙感和GNSSRTK等技術(shù)的綜合運(yùn)用，不僅提高了地表變形監(jiān)測(cè)的精度和效率，還為土地整治工程的實(shí)施提供了精確的數(shù)據(jù)支持。多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)的應(yīng)用打破了傳統(tǒng)測(cè)量方法在覆蓋范圍和數(shù)據(jù)獲取方面的局限性，能夠全方位動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)塌陷區(qū)。研究成果可為同類工程提供技術(shù)參考，對(duì)推進(jìn)采煤塌陷地的科學(xué)治理和資源合理利用具有重要的意義。

參考文獻(xiàn)

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