激光測量技術在地表沉降觀測中的應用

武鴿

摘 要：傳統的采空區地表沉降測量工作時間長，占用大量的人力、物力，基于此筆者對激光測量在采空區地表沉降中的應用進行了分析，文章首先對分析了激光測量的基本原理，其次對數據的獲取進行了設計，進而給出了數據數據的流程，最后給出了開采沉陷DEM，激光測量結果與傳統的測量結果高度吻合，為采空區地表沉降的觀測提供方了一種新的可以借鑒的方法。

關鍵詞：激光測量;地表沉降;觀測分析

在對礦井開采后的塌陷區進行測量時，傳統的測量方法是在煤礦采空區上布設一定數量的監測點，對監測點的數據進行定時或者不定時的觀測、分析，根據監測數據來動態的反映出塌陷區的變化特征，并對還未塌陷的區域的地層移動變化情況進行預測預報[1～2]。傳統的地表沉降預測具有技術成熟，應用發廣泛等特點，但是也存在工作量大，監測點數量布置有效，數據監測點容易遭到破壞，投入大等缺點。近些年來隨著技術的不斷發展，測量技術設備也日趨先進，出現了如：測量機器人、差分干涉測量（DinSAR）、GPS-RTK測量技術等[3～6]。激光測量技術是近些年來在測量領域中發展較為迅速的先進技術，具有數據獲取快、非接觸、高精度直接獲取測量對象表面三維數據等顯著優勢，基于此，筆者對該技術在礦井開采后地表觀測中的應用進行分析，以期更好的促進該技術的應用。

1 工作基本原理

激光掃描測量技術中最為明顯的優勢是面陳密集點云，其能夠精細的構建出來的地表模型，且可以精準的確定空間關系，激光測量技術可以快速取得測量對象的變形數據，通過對數據的后期處理，可以得到測量對象精細的三維模型，這些構成了變形監測工作的基礎，通過對監測的變形對象進行二次、三次甚至更多次數的監測，通過對監測數據進行對比分析，可以較為快捷迅速的確定監測對象具體位置的變化情況。

2 監測數據獲取

監測數據的獲取分為2個階段進行，第一個階段數據采集采用的設備是Leica HD4400，第二階段數據采集采用的設備是FARO Focus3D，兩個階段數據采集均是在設定控制網的基礎上進行，然后運用激光測量技術進行測量。

第一階段數據測量?？刂凭W的測量布置為先從A5點算起，依次觀測A4、A9、A8、A7、A6、A9。在測量控制點中A4、A8、A9為已安設的測量點，A6、A7是后期測量增加點位，A4、A9、A8、A7、A6、A9構成閉合導線。激光測量數據的采集工作則是在A1、A2～ A9等測量點位上分別假設激光測量儀，對測點周邊變形情況進行全方位的掃描，從而取得整個測量區域內的所有掃描點云數據。具體如下圖1所示。

第二階段數據測量?？刂凭W布設如第一階段數據測量控制點布置一致。激光測量數據的采集工作則是在A4、A5、A6三個測量點上布設激光測量裝置，在三個測量點的鄰近位置布置4個激光測量的反向標靶，在進行激光測量的同時利用全站儀計算出4個激光反向標靶的具體三維位置坐標，全程共進行21個站點數據的采集。

3 數據處理

3.1 坐標轉換及數據整合處理

激光測量裝置測得的數據坐標值均可以在設備自帶的軟件中進行統一的大地測量坐標處理，在第一、第二兩個階段的測量工作中，A4、A5站點都是測量工作的起算點，在后期的坐標及測量數據整合處理中，需要將2個測量點位的測量數據整合到同一個坐標體系中。

3.2 數據降噪處理

數據降噪主要是過濾掉由于植物級其他障礙物等原因產生的噪聲點，具體分2個步驟進行處理。第一步是將激光測量結果數據依據測量區的平面坐標劃分成64個分區，然后將分區數據分別導入到Cyclone應用程序中，依據操作人員的經驗，運用人工交互方法，對明顯的噪聲點進行過濾，然后再將過濾后的所有分區數據再進行整合到一個整體。第二步是運用中值法來過濾掉低矮植物帶來的噪聲點，將測量區域劃分成0.1m×0.1m的細小網格，對網格內的數據進行中值處理，這就過濾掉了由于低矮植物帶來的噪聲值。

3.3 數據建模

數據建模是依據克里金插值法對數據進行處理的基礎上，以0.2m×0.2m的網格為基礎進行數據測重新采集并建立三維模型。

3.4 成果分析

圖2是根據測量數據得出的沉降下沉同心圓圖，與實際的由于煤層開采引起的地表沉降的形態基本是吻合的，由于測量過程及數據處理中有一部數據存在缺失，導致圖2測量結果中部分區域出現一定的混亂現象，在進行數據處理，降噪過程中部分噪聲點未被踢出，圖2中的小矩形框框出來的區域就是噪聲點引起的斑點。但是總體上看，激光測量得到的結果與采用傳統測量方法得到的測量結果是十分一致的。

4 總結

激光跟蹤測量技術在煤礦開采地表沉降觀測中能夠較為準確的獲取開采沉陷的數據值，開采沉陷DEM可以直觀，清晰、全面的反映出開采深陷狀態，為采空區地表沉降的觀測提供方了一種新的可以借鑒的方法，激光測量結果與傳統的地表沉降測量結果高度吻合。采用激光測量進行采空區地表沉降時應十分注重數據的后處理工作，盡量避免由于數據處理給測量結果帶來的不利影響。

參考文獻：

[1]李永超，高騰飛，李建軍，佟文亮.D-InSAR技術在岱莊生建煤礦地面沉降監測中的應用[J].礦山測量，2018， 46（03）：49-53.

[2]孟禹弛.基于雷達影像的礦區地面沉降監測系統的研究與實現[D].北京：中國礦業大學，2017.

[3]成樞.地面沉降變形預計模型與監測技術研究[D].濟南：山東科技大學，2005.

[4]田輝.遼陽-鞍山地區典型區域地面沉降現狀及其機理研究[D].長春：吉林大學，2015.

[5]王曉琴，劉永芳，李曉旭.三維激光掃描技術在地表巖移觀測中的應用[J].礦業工程，2017，15（06）：41-43.

[6]李永強，劉會云，毛杰，牛路標，閆陽陽.三維激光掃描技術在煤礦沉陷區監測應用[J].測繪工程，2015，24（07）：43-47.