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

陳年青 李得軍

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

0 引言

煤礦資源的開(kāi)采往往會(huì)引起采動(dòng)區(qū)上方及周邊范圍內(nèi)的巖體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,進(jìn)而引起地表下沉、傾斜、水平移動(dòng)等各種變形,使公路路面發(fā)生異常現(xiàn)象,如裂縫、隆起、沉陷等。隨著時(shí)間的推移而擴(kuò)展,使得地表路面變得高低不平,不僅影響路面美觀,還會(huì)增大交通事故發(fā)生的概率。變形監(jiān)測(cè)則是獲取采動(dòng)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(dòng)區(qū)地表沉陷監(jiān)測(cè)中,柏雯娟提出了一種礦山開(kāi)采沉陷高精度監(jiān)測(cè)方法,該方法不僅可快速獲取礦區(qū)開(kāi)采沉陷監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),而且可研究礦區(qū)開(kāi)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(diǎn)云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),進(jìn)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(diǎn)云數(shù)據(jù)的地表傾斜量提取方法[2];孟萬(wàn)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(dòng)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(dòng)地獲取地表沉降信息[3];何倩等利用地面三維激光掃描點(diǎn)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(cè)礦區(qū)地表動(dòng)態(tài)沉陷,實(shí)現(xiàn)了大范圍、高精度、動(dòng)態(tài)的地表沉降監(jiān)測(cè)[4]。

礦產(chǎn)資源的大規(guī)模開(kāi)采,帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)也給開(kāi)采區(qū)域帶來(lái)了一系列消極的影響。在開(kāi)采作業(yè)過(guò)程中,巖體在開(kāi)采區(qū)域移動(dòng)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(cè)繪技術(shù),可以大規(guī)模地對(duì)地表沉陷區(qū)進(jìn)行監(jiān)測(cè),是對(duì)傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)的一次重大突破[5-8]。實(shí)驗(yàn)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(diǎn)云數(shù)據(jù),從而獲取公路變形信息,通過(guò)在礦區(qū)進(jìn)行實(shí)測(cè)研究,得出一些對(duì)工程實(shí)踐有參考價(jià)值的結(jié)論。

1 沉陷監(jiān)測(cè)方案

實(shí)驗(yàn)在煤礦附近S203省道進(jìn)行,S203省道南北向自某礦上方通過(guò),利用三維激光掃描儀對(duì)沉陷區(qū)域進(jìn)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(diǎn)云數(shù)據(jù),并在其間布置水準(zhǔn)控制點(diǎn)B19→B18→…→B0→25→26→…→41,點(diǎn)間距20 m左右,研究工作面開(kāi)采對(duì)省道產(chǎn)生采動(dòng)影響,同時(shí)驗(yàn)證三維激光掃描技術(shù)在礦區(qū)道路沉陷區(qū)監(jiān)測(cè)應(yīng)用的可行性。

該道路南北向自某礦上方通過(guò),不在工作面主斷面上,不能利用地表移動(dòng)盆地角值參數(shù)直接計(jì)算該道路受開(kāi)采影響的范圍。故針對(duì)工作面開(kāi)采對(duì)道路影響范圍,采用概率積分法模型對(duì)其進(jìn)行預(yù)計(jì),沉陷預(yù)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 工作面沉陷預(yù)計(jì)概率積分法模型參數(shù)

采用概率積分法模型預(yù)計(jì)結(jié)果表明,該工作面以北開(kāi)采對(duì)道路沉陷影響長(zhǎng)度為173 m左右,工作面以南開(kāi)采對(duì)道路沉陷影響長(zhǎng)度為221 m左右,對(duì)整個(gè)道路的沉陷影響長(zhǎng)度為570 m左右。為了保證三維激光掃描儀站點(diǎn)的穩(wěn)定性以及數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性,控制點(diǎn)設(shè)在道路沉陷影響范圍以外,由于首級(jí)控制點(diǎn)較遠(yuǎn),所以需要布設(shè)對(duì)應(yīng)的次級(jí)控制點(diǎn)以連接首級(jí)控制點(diǎn)和掃描站點(diǎn),使用三等水準(zhǔn)進(jìn)行高程測(cè)量;將對(duì)應(yīng)的控制點(diǎn)設(shè)計(jì)成圖1所示,其中K是首級(jí)控制點(diǎn),P是次級(jí)控制點(diǎn),Z是對(duì)應(yīng)三維激光掃描儀對(duì)應(yīng)的站點(diǎn)。

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(diǎn)云數(shù)據(jù),儀器需要架設(shè)多站對(duì)道路掃描觀測(cè)[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(cè)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(diǎn)拼接多站數(shù)據(jù),拼接標(biāo)靶為4個(gè),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(guò)三維激光掃描儀采集的大量點(diǎn)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(diǎn)云數(shù)據(jù)與原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行差值計(jì)算,得到下沉量[11-12]。由于各期數(shù)據(jù)點(diǎn)位同原始道路點(diǎn)位不同,因此,根據(jù)各期數(shù)據(jù)點(diǎn)位信息,利用插值得到對(duì)應(yīng)在原始數(shù)據(jù)點(diǎn)位高程值;再進(jìn)行差值運(yùn)算即可得到對(duì)應(yīng)點(diǎn)位的下沉信息;從而對(duì)下沉數(shù)據(jù)進(jìn)行柵格化處理,即可獲得道路的下沉模型。進(jìn)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(diǎn)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(shí)驗(yàn)采用反距離加權(quán)法。

以待求點(diǎn)為中心,設(shè)定影響范圍R;將該影響范圍內(nèi)的所有點(diǎn)計(jì)入影響矩陣中,并計(jì)算各點(diǎn)距中心點(diǎn)的距離,用各點(diǎn)距離除以各點(diǎn)距中心距離之和作為該點(diǎn)對(duì)中心點(diǎn)的影響因子,中心點(diǎn)值為每個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)影響因子乘以該點(diǎn)值之和。具體公式為

(1)

式中,i為待求點(diǎn);j為待求點(diǎn)周圍點(diǎn);Wi,Wj代表對(duì)應(yīng)點(diǎn)下沉值;hj為周圍點(diǎn)距待求點(diǎn)距離值。

3 道路沉陷信息提取

3.1 路面點(diǎn)云預(yù)處理

三維激光掃描儀站點(diǎn)設(shè)置在控制點(diǎn)上進(jìn)行掃描,首站采用后視定向,利用平面標(biāo)靶作為公共點(diǎn)進(jìn)行拼接,進(jìn)行多站掃描得到整個(gè)道路狀況,如圖2所示;利用后處理軟件RiSCAN PRO對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列預(yù)處理操作,主要包括點(diǎn)云拼接,濾波、抽稀、分割等[13],從而提取研究區(qū)域內(nèi)點(diǎn)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(guò)后處理軟件,在各期掃描點(diǎn)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(cè)點(diǎn)的步長(zhǎng)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(cè)出道路下沉情況,并能夠在一定程度上反映出開(kāi)采作業(yè)對(duì)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(jìn)行分析如圖5所示。

圖5 三維激光掃描監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

從圖5中可以看出,由于三維激光掃描儀獲取點(diǎn)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(duì)整個(gè)道路路面的沉降信息進(jìn)行分析。將道路點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)出三維坐標(biāo),進(jìn)行網(wǎng)格化,根據(jù)網(wǎng)格格點(diǎn)坐標(biāo)值,利用反距離加權(quán)計(jì)算出各格點(diǎn)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(diǎn)云圖

各期點(diǎn)云圖以5月6日的點(diǎn)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(gè)道路的沉降情況,能夠直觀地反映出開(kāi)采作業(yè)對(duì)道路的影響情況,從而為道路監(jiān)測(cè)提供依據(jù)。

4 與實(shí)測(cè)水準(zhǔn)數(shù)據(jù)對(duì)比

水準(zhǔn)點(diǎn)布設(shè)沿道路進(jìn)行,以分析三維激光掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行插值求沉降的合理性,各期相對(duì)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(shí)測(cè)水準(zhǔn)數(shù)據(jù)下沉曲線符合開(kāi)采沉陷規(guī)律,采空區(qū)中心位于B0-B4觀測(cè)點(diǎn)之間。將其中10月14號(hào)同期三維激光掃描的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)水準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì),三維激光掃描監(jiān)測(cè)點(diǎn)的高程取其周圍點(diǎn)云的平均值,如圖9所示。

圖8 實(shí)測(cè)水準(zhǔn)數(shù)據(jù)

圖9 10月14日監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)

由圖9可知,水準(zhǔn)控制點(diǎn)下沉值和三維激光監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)兩者趨勢(shì)基本一致;對(duì)比點(diǎn)云數(shù)據(jù)與水準(zhǔn)數(shù)據(jù)下沉值如表2所示。可知對(duì)應(yīng)水準(zhǔn)控制點(diǎn)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(diǎn)云監(jiān)測(cè)結(jié)果與水準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果精度對(duì)比 單位：mm

5 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)提出一種三維激光掃描監(jiān)測(cè)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(jiǎn)潔地反映開(kāi)采沉陷量及礦區(qū)的沉陷趨勢(shì)。首先通過(guò)三維激光掃描儀獲取路面點(diǎn)云數(shù)據(jù),然后利用點(diǎn)位信息插值得到各期DEM數(shù)據(jù),進(jìn)行差值得到各點(diǎn)位下沉值,最后使用反距離加權(quán)法對(duì)下沉數(shù)據(jù)柵格化處理得到道路下沉模型。通過(guò)在某煤礦附近道路沉陷區(qū)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(cè)點(diǎn)的三維激光掃描開(kāi)采沉陷監(jiān)測(cè)值與對(duì)應(yīng)的水準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析,點(diǎn)位誤差在1 cm以內(nèi),驗(yàn)證了該方法的可行性,對(duì)于進(jìn)一步提高礦區(qū)開(kāi)采沉陷監(jiān)測(cè)效率有一定的借鑒價(jià)值。