三维激光扫描技术在开采沉陷监测中的应用.pdf

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1、第5期矿山测量NO，520l4年l0月MINESURVEYING0ct．2014doi：10．3969／j．ISSII．100I一358X．2014．05．26三维激光扫描技术在开采沉陷监测中的应用术冯婷婷，张键。，冯鹏飞(1．河南理工大学测绘与国土信息工程学院，河南焦作454000；2．河南省测绘工程院，河南郑州450003；3．河南省中纬测绘规划信息工程有限公司，河南焦作454000)摘要：文中介绍了三维激光扫描系统的工作原理及在沉陷监测中的数据处理方法。针对三维激光扫描技术在沉陷监测中应用的精度问题，运用三维激光扫描技术对沉陷区进行监测，并将提取的下沉值与同期部分

2、水准测量数据作比较分析。结果表明：三维激光监测所得到的沉陷情况与实地情况基本相符，能反映开采沉陷量及矿区沉陷趋势。文中还分析讨论了三维激光扫描技术在沉陷监测中技术优势和存在问题，对三维激光扫描技术在沉陷区监测中的实际应用具有参考辅助作用。关键词：三维激光扫描技术；地表沉陷；三维建模中图分类号：TD993文献标识码：B文章编号：1001—358X(2014)05—0089—04所用的时间计算距离观测值．s，精密时钟控制编码器1引言准确地测量出横向扫描角度观测值和纵向扫描角近年，我国煤炭产量持续增加，随着煤炭资源的度观测值。此外，根据返回激光信号的反射强度信大量采出，开采所

3、引起的地表沉陷及其生态环境问息，与彩色相片相融合，还能得到该激光脚点的颜色题日益严重。对于矿区开采沉陷的监测，建立地表信息。移动观测站利用水准仪、全站仪和GPS等进行监测，激光扫描仪一般采用自定义的坐标系统：坐标仍是获取沉陷区第一手资料的主要方式。但这些观原点位于激光束发射处；Z轴位于仪器的竖向扫描测方法均属于单点监测，监测点数少，难以发现无监面内，向上为正；X轴位于仪器的横向扫描面内与z测点区的沉陷情况，而且观测点一旦被破坏会严重轴垂直，且垂直于物体所在方向；Y轴位于仪器的横影响数据的连续性⋯。三维激光扫描技术以其高精向扫描面内与轴垂直，且与轴、l，轴构成左手坐度、高

4、效率、无需接触目标物、少设甚至不设置控制标系，同时y轴正方向指向物体，如图1所示。点就可获得被测物体表面大量的三维点云数据，改变了常规的单点变形观测模式，将传统的“点测量”方式转变为“面测量”方式。目前，三维激光扫描技术以其独特的优势在文物保护、城市建筑测量、地形测绘等许多测绘工程中得到了广泛应用，但在变形监测领域的应用相对较少。将该技术应用到煤矿开采沉陷监测中，具有重要的现实意义。2三维激光扫描技术的工作原理图1坐标测量原理地面三维激光扫描仪是一种集多种高新技术于由此可得到激光脚点坐标的计算公式：sc。sc。s一体的新型空间信息数据获取系统。。，采用非接触rP式高速激

5、光测量方式，以点云的形式获取目标物三{Yp=ScosOsina维表面的几何图形数据，仪器主要是由激光测距仪、【Z。=Ssin0角度传感器、步进电机、倾斜补偿器以及数据存储器3研究区数据及处理组成。其扫描原理是依据测量激光束从发射到返回3．1研究区概况基金项目：煤炭联合基金(U1261206)。本文选择某矿区作为研究区域，该矿区井田东第5期矿山测量西长13．5km，南北宽平均约3～4km，面积约距越小，随着扫描距离的增加，点云密度逐渐稀疏。50km。矿区主体构造为两翼地层产状平缓，倾角10ITI范围内点云密度很大，而50I1之后点云的密度3。～l5。。研究T作面为走向长壁

6、布置，设计走向长衰减的很快，到80m以后点云就很少了。分析原2165m，倾斜长l70ITI，平均煤厚6．54in，可采储量因，主要有以下两点：为288．5万t。(1)在不考虑信号测量误差的影响下。地面激光3．2数据处理三维扫描的采样数据的精度主要取决于激光光斑的本次实验，所使用的仪器为徕卡ScanStation2全尺寸和光斑的点间距。仪器与被测点的距离越近．站式维激光扫描仪，所处理的数据为2010年3月激光光斑越小，分辨率越高，回波信号也越强，相应对沉陷区维激光扫描监测数据。的测量精度就越高，反之则测量精度越低。3．2．1原始点云分析(2)地表是起伏不平的，若激光束与地

7、表夹角过对本次研究区域地表扫描的某一段点云数据进小，在距扫描仪较远区域，激光束可能会被较高地表行研究，所得到点云分布图如图2，点云分析结果如或地物阻挡，导致较低地方很难被扫描到。因此，在表1，点云个数与仪器到点云距离的关系如图3所远处的地表点不仅稀疏，还会失去真实的地表信息，示。测量精度较低。3．2．2点云去噪对点云数据进行前期处理的主要目的是精确有效的去除杂乱无序的噪声数据，只保留被测区域的真实地表信息。利用三维激光扫描仪扫描一般建筑物外部、地表地形时，会扫描到它们旁边的物体，如植被、走动的人、移动的车辆等等，在扫描到这些物体的边界时，