于啟升,吳 侃,鄭汝育

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院,江蘇徐州 221008)

利用三維激光掃描數(shù)據(jù)求取開采沉陷預(yù)計(jì)參數(shù)研究*

于啟升,吳 侃,鄭汝育

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院,江蘇徐州 221008)

三維激光掃描技術(shù)是一種新興的測(cè)繪技術(shù),它具有快速、實(shí)時(shí)、高效等優(yōu)點(diǎn),突破了傳統(tǒng)測(cè)繪手段的局限性,可以直接獲取三維坐標(biāo),目前正被廣泛應(yīng)用于測(cè)繪各個(gè)領(lǐng)域。為此 ,研究三維激光掃描儀數(shù)據(jù)應(yīng)用于地表沉陷參數(shù)求取問題,針對(duì)其特點(diǎn),利用VB6.0語(yǔ)言,采用模矢法編制了概率積分法求參程序,并將程序應(yīng)用于實(shí)際求參,實(shí)踐證明,效果較好。

三維激光掃描;數(shù)據(jù);觀測(cè)站;沉陷監(jiān)測(cè);概率積分參數(shù);精度

0 引言

開采沉陷預(yù)計(jì)參數(shù)是開采沉陷預(yù)計(jì)的基礎(chǔ),其取值的準(zhǔn)確性決定了地表移動(dòng)變形的預(yù)計(jì)精度。開采沉陷預(yù)計(jì)參數(shù)的影響因素主要有:覆巖的巖性和地層結(jié)構(gòu)、采深、采厚等[1]。每個(gè)礦區(qū)由于地質(zhì)采礦條件的差異開采沉陷預(yù)計(jì)參數(shù)不一樣,而以實(shí)測(cè)資料反演的參數(shù)最為精確可靠。

現(xiàn)有的求參方法包括利用特征點(diǎn)求參、曲線擬合求參、正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法求參等,這些常規(guī)的求參方法需要獲得觀測(cè)站的最終下沉值,且點(diǎn)數(shù)較少,受實(shí)測(cè)誤差影響較大。

1 數(shù)據(jù)獲取及數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

1.1 數(shù)據(jù)獲取

1)在已知的測(cè)點(diǎn)上架設(shè)儀器,對(duì)中整平,將掃描儀和筆記本連接,啟動(dòng) PointScape數(shù)據(jù)采集軟件,打開掃描儀電源,建立掃描儀與筆記本的通訊。精平儀器后,量測(cè)儀器高,輸入氣象、氣溫狀態(tài)參數(shù)及站點(diǎn)信息。

2)定向。精掃后視控制點(diǎn)上的標(biāo)靶,確定掃描的初始計(jì)算方向,可采用單點(diǎn)或多點(diǎn)后視。

3)掃描。掃描過程由 PointScape軟件控制,通過集成的數(shù)碼相機(jī)拍攝掃描對(duì)象的影像,在影像上選擇掃描區(qū)域,掃描儀根據(jù)軟件環(huán)境中設(shè)置的參數(shù) (行、列數(shù)和掃描的分辨率等)進(jìn)行單點(diǎn)或物體掃描,同時(shí)可以進(jìn)行球形掃描并根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)擬合出球體。

1.2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

1)點(diǎn)云拼接。由于采用的是基于實(shí)體的點(diǎn)云剔除方法,所以首先要將不同測(cè)站掃描得到的點(diǎn)云拼接到一起。如果不是全站式的或掃描的時(shí)候沒有測(cè)定坐標(biāo),首先應(yīng)該進(jìn)行點(diǎn)云拼接。

2)粗差剔除。對(duì)于比較明顯且容易刪除的干擾地物,要首先進(jìn)行人工裁剪,以免對(duì)后面的粗差剔除進(jìn)行干擾,并且可以減少數(shù)據(jù)量,方便處理。切割后將數(shù)據(jù)導(dǎo)出,格式為 x,y,z[2]。

3)重采樣。由于掃描時(shí)點(diǎn)云的密度不一樣,所以需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣,使數(shù)據(jù)均勻分布。本文中數(shù)據(jù)重采樣密度為 4～6 m。

經(jīng)過預(yù)處理的兩次測(cè)量數(shù)據(jù),用第一次測(cè)得數(shù)據(jù)點(diǎn)的高程減去第二次測(cè)得數(shù)據(jù)相應(yīng)點(diǎn)的高程,即得到了該點(diǎn)的此階段下沉值。

英語(yǔ)口語(yǔ)能力的提高受語(yǔ)言環(huán)境、學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)、詞匯量、思辨能力、交際策略等多種因素的制約。英語(yǔ)教學(xué)中，教師應(yīng)激發(fā)學(xué)習(xí)者的囗語(yǔ)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，采用多種訓(xùn)練方式為學(xué)習(xí)者提供提升口語(yǔ)表達(dá)能力的平臺(tái)，學(xué)習(xí)者也應(yīng)珍惜口語(yǔ)訓(xùn)練的機(jī)會(huì)，掌握技巧，學(xué)會(huì)運(yùn)用有效交際策略，從而全面提升高中生的跨文化交際能力。

2 求參模型

2.1 預(yù)計(jì)參數(shù)

表 1為運(yùn)算的參數(shù)及其在程序中的符號(hào)。分別按照對(duì)下沉值的影響大小排序。

表1 參數(shù)選取列表Tab.1 Parameter selection table

2.2 預(yù)計(jì)模型

概率積分法是因其所用的移動(dòng)和變形預(yù)計(jì)公式中含有概率積分(或其導(dǎo)數(shù))而得名。由于這種方法的基礎(chǔ)是隨機(jī)介質(zhì)理論,所以又叫隨機(jī)介質(zhì)理論法[3]。應(yīng)用概率積分的相關(guān)參數(shù)可以進(jìn)行開采沉陷預(yù)計(jì),這一模型在礦山開采沉陷中應(yīng)用最廣,處理數(shù)據(jù)時(shí)用該模型作為基礎(chǔ)。

移動(dòng)盆地內(nèi)任意點(diǎn)的下沉值計(jì)算公式為[3]:

式中:w(x,y)表示地表任意點(diǎn)下沉值;w0表示地表移動(dòng)盆地最大下沉值;wx,wy分別表示傾 (走)向半無限開采時(shí)走 (傾)向主斷面上任意點(diǎn)的下沉值;L表示走向長(zhǎng)度;l表示走向計(jì)算長(zhǎng)度;D表示傾向長(zhǎng)度;d表示傾向計(jì)算長(zhǎng)度;α表示煤層傾角;h1表示煤層下山采深;h2表示煤層上山采深;h表示煤層平均采深。

2.3 求參模型

求取地表移動(dòng)變形參數(shù)可以采用牛頓法、擬牛頓法、模矢法[4]等方法,考慮到模矢法求參有可靠的理論基礎(chǔ),且比較簡(jiǎn)單,收斂速度較快,能達(dá)到精度要求等,本文采用模矢法進(jìn)行求參,在求參程序中建立的誤差函數(shù)為:

式中:εB表示求參的擬合中誤差;n表示參與求參點(diǎn)的個(gè)數(shù);wB表示軟件中計(jì)算得到的下沉值;w實(shí)表示實(shí)測(cè)下沉值。

步長(zhǎng)選擇為參數(shù)初值的 5%,即步長(zhǎng) =參數(shù)初值 ×5%,開采影響傳播角的步長(zhǎng)選擇 0.5°。

3 實(shí)例及影響求參精度的因素分析

該實(shí)驗(yàn)以兗州煤業(yè)股份有限公司鮑店煤礦 103上02工作面為例進(jìn)行了動(dòng)態(tài)參數(shù)求取。

該工作面煤層厚度 5.84 m,煤層傾角α =3.4°,平均采深 H=470 m,工作面推進(jìn)速度約為 6m/d,掃描面積S約為20000m2。

通過運(yùn)行程序即得到最優(yōu)參數(shù)值為 [0.639 461 9,1.673 742,87.8°,-34,-26,60,0.26]。

3.1 求參點(diǎn)個(gè)數(shù)對(duì)求參精度的影響

針對(duì)以上實(shí)際問題,進(jìn)行了求參點(diǎn)個(gè)數(shù)對(duì)求參結(jié)果的影響實(shí)驗(yàn) (見表 2),主要從運(yùn)行時(shí)間和運(yùn)行結(jié)果的穩(wěn)定性來研究。對(duì)該表中數(shù)據(jù)的點(diǎn)個(gè)數(shù)和擬合中誤差兩欄數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,并通過 Excel繪制散點(diǎn)圖,如圖 1所示。圖 1中橫坐標(biāo)為求參點(diǎn)個(gè)數(shù),縱坐標(biāo)為擬合中誤差值。

圖1 求參點(diǎn)個(gè)數(shù)對(duì)擬合中誤差的影響Fig.1 The point number's impact on the fittingmean square error

由表 2和圖 1可以看出:當(dāng)求參點(diǎn)個(gè)數(shù)達(dá)到 600時(shí),擬合中誤差已經(jīng)接近最優(yōu)值;點(diǎn)數(shù)超過 600時(shí),擬合中誤差趨于穩(wěn)定。但是點(diǎn)數(shù)越多,求參軟件運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng),所以綜合各方面因素,得到求參點(diǎn)個(gè)數(shù)在 600～900時(shí)是最佳的求參密度。進(jìn)一步得到求參點(diǎn)個(gè)數(shù)與掃描面積和平均采深之間的函數(shù)表達(dá)式:

式中:k取值范圍為[14.10,21.15];n表示求參點(diǎn)個(gè)數(shù);S表示掃描面積;H表示平均采深。

3.2 參數(shù)初值選取對(duì)求參結(jié)果的影響

本文主要針對(duì)不同參數(shù)初值對(duì)求參結(jié)果的穩(wěn)定性和擬合中誤差的大小進(jìn)行研究,研究結(jié)果,見表 3,研究中迭代次數(shù)都為30次。

表2 求參點(diǎn)個(gè)數(shù)對(duì)參數(shù)穩(wěn)定性的影響Tab.2 The point number's impact on the stability of the parameters

表3 參數(shù)初值對(duì)求參精度的影響Tab.3 The initial parameters'impact on the accuracy of the parameters

分析表 3中數(shù)據(jù)可知,當(dāng)參數(shù)初值與實(shí)際相差較大時(shí),得到的最優(yōu)參數(shù)結(jié)果不穩(wěn)定,誤差較大。分析表中第 4行與第 5行,把第 4行求取的參數(shù)作為初值再次計(jì)算,即可得到比較接近于最優(yōu)參數(shù)值的計(jì)算結(jié)果,但是迭代次數(shù)較多,收斂速度較慢,運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)。所以參數(shù)初值的選取應(yīng)與實(shí)際參數(shù)相差較小以提高運(yùn)算速度,進(jìn)一步提高參數(shù)精度。

4 結(jié)論

采用三維激光掃描儀對(duì)開采引起的地表沉陷進(jìn)行觀測(cè),可以得到整個(gè)區(qū)域的下沉值,即可得到整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域的移動(dòng)變形情況。

求參軟件是建立在預(yù)計(jì)軟件的基礎(chǔ)之上,使用模矢法進(jìn)行求參,它是一種非線性最優(yōu)值的求解方法,該方法有可靠的理論基礎(chǔ),可以求得動(dòng)態(tài)開采過程中的動(dòng)態(tài)地表移動(dòng)參數(shù)。

求參時(shí)應(yīng)該選取比較接近實(shí)際的初值進(jìn)行求參計(jì)算以提高運(yùn)算速度。最終得到求參點(diǎn)個(gè)數(shù)與掃描面積和平均采深之間的函數(shù)關(guān)系為 n=k＊S/H,k的取值范圍為[14.10,21.15]。

[1]鄒友峰.開采沉陷預(yù)計(jì)參數(shù)的確定方法[J].焦作工學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2001,20(4):253～257.

[2]白志輝,張舒,王響雷,等.三維激光掃描點(diǎn)云粗差剔除方法研究[J].礦山測(cè)量,2009(2):13～15.

[3]何國(guó)清,楊倫,凌賡娣.礦山開采沉陷學(xué)[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,1994.

[4]吳侃,周鳴.礦區(qū)沉陷預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng) [M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,1999.

Mining Subsidence Prediction Parameters Acquiring with 3D Laser Scanning Data

YU Qi-sheng,WU Kan,Zheng Ru-yu
(School of Environment Science and Spatial Information,China University of Mining&Technology,Xuzhou Jiangsu 221008,China)

As newly emerged technology,3D laser scanning bears the advantagesof high-speed,real time,high-efficiency,et al.Compared with traditional survey methods,it can acquire the 3D coordinates of objects directly and has been widely applied in various fields.This article studies mainly on acquiring mining subsidence prediction parameters with 3D laser scanning data.According to the characteristic,an acquiring program based on Pattern Search,method has been developed with VB6.0.The application of this program in real project proves its better efficiency.

3D laser scanning;data;observation station;subsidence monitoring;probability-integral parameters;precision

TD 173+.4

A

1007-9394(2010)02-0001-03

2010-02-07

國(guó)家環(huán)保公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助(200809128)

于啟升 (1987～),男,山東臨沂人,碩士研究生,主要從事三維激光掃描、開采沉陷規(guī)律、開采損害及防護(hù)方面的研究。