曾　凱，姜　巖(.福州市勘測(cè)院福清分院，福建福州　350000; .山東科技大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，山東青島　6650)

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三維激光掃描技術(shù)在地表沉陷監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用*

曾凱1，姜巖2
(1.福州市勘測(cè)院福清分院，福建福州350000; 2.山東科技大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，山東青島266510)

摘要:首先闡述了三維激光掃描系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集流程，然后介紹了點(diǎn)云去噪、配準(zhǔn)、拼接等數(shù)據(jù)預(yù)處理的方法，并將三維激光掃描技術(shù)與RTK技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用于地表開(kāi)采沉陷監(jiān)測(cè)中。實(shí)踐表明，利用三維激光掃描技術(shù)可以滿足礦區(qū)地表開(kāi)采沉陷監(jiān)測(cè)的需要。

關(guān)鍵詞:三維激光掃描技術(shù);點(diǎn)云數(shù)據(jù);地表沉陷監(jiān)測(cè); RTK

0　引言

煤炭在國(guó)內(nèi)占著主體能源的地位，煤炭資源在國(guó)家經(jīng)濟(jì)命脈和能源安全保障方面起著重要基石的作用。而煤炭開(kāi)采引起的覆巖破壞以及地表沉陷導(dǎo)致煤礦生產(chǎn)安全和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)等問(wèn)題卻一直存在且非常嚴(yán)重，刻不容緩需要解決[1]。因此，全面做好煤炭開(kāi)采地表沉陷監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)、變形控制、礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)及恢復(fù)，實(shí)現(xiàn)煤炭生產(chǎn)與生態(tài)建設(shè)共同和諧、可持續(xù)發(fā)展的奮斗目標(biāo)。將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于礦區(qū)開(kāi)采沉陷研究中，以面狀或帶狀點(diǎn)云數(shù)據(jù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的線狀主斷面觀測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，從而獲得更加真實(shí)和完整的地表移動(dòng)以及裂縫等信息;地表沉陷短期觀測(cè)站不需要埋設(shè)固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)，從而大大地縮短了觀測(cè)周期，提高了監(jiān)測(cè)工作效果和效率。因此，將其應(yīng)用到礦區(qū)地表移動(dòng)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，探索其在該領(lǐng)域的應(yīng)用方法及理論，將具有極其現(xiàn)實(shí)的意義[2]。

1　三維激光掃描數(shù)據(jù)獲取及處理流程

本研究所采用的系統(tǒng)為美國(guó)Trimble公司生產(chǎn)的GX系列激光掃描測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括掃描儀、筆記本、電源供應(yīng)系統(tǒng)、專用配套標(biāo)靶和配套控制軟件以及處理軟件，其中三維激光掃描儀配套的軟件包括外業(yè)采集數(shù)據(jù)軟件Point Scape 4.0和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件Real Works Survey 6.5。

三維激光掃描儀獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度除了跟掃描儀本身構(gòu)造和性能有關(guān)外，測(cè)站點(diǎn)的選擇、控制點(diǎn)的選擇以及掃描環(huán)境等因素都對(duì)其有重要的影響。并且如何科學(xué)地對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，也是影響掃描精度的重要因素。

1.1數(shù)據(jù)獲取

三維激光掃描系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集流程，如圖1所示。分別在測(cè)站點(diǎn)與后視點(diǎn)架設(shè)掃描儀和標(biāo)靶，在Point Scape 4.0軟件中設(shè)置掃描過(guò)程中的參數(shù)，包括分辨率、掃描范圍的距離等，本研究設(shè)置的掃描分辨率為200* 200 mm，同時(shí)繪制現(xiàn)場(chǎng)草圖，對(duì)需要建模的實(shí)體進(jìn)行拍照。當(dāng)一個(gè)測(cè)站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)掃描完畢后，緊接著將掃描儀架設(shè)到下一個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)繼續(xù)上述步驟，此過(guò)程與全站儀數(shù)據(jù)采集相類似，直至將整個(gè)沉陷盆地掃描完畢為止。

1.2數(shù)據(jù)預(yù)處理

點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理對(duì)三維建模及數(shù)據(jù)分析起著重要的作用。點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理步驟包括點(diǎn)云去噪、點(diǎn)云配準(zhǔn)、點(diǎn)云拼接3個(gè)方面。1.2.1點(diǎn)云去噪

在掃描過(guò)程中，由于測(cè)量?jī)x器精度、作業(yè)人員經(jīng)驗(yàn)、被測(cè)目標(biāo)表面質(zhì)量、外界環(huán)境等多種因素的影響，極易產(chǎn)生一些測(cè)量誤差點(diǎn)(稱為噪聲點(diǎn))，這些噪聲點(diǎn)在三維建模的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生誤差影響，因此需要將這些掃描誤差點(diǎn)進(jìn)行剔除。本研究所產(chǎn)生的噪聲點(diǎn)主要來(lái)自于移動(dòng)的車輛、行人及建筑物周圍的高大樹(shù)木等異常點(diǎn)和散亂點(diǎn)，噪聲比較明顯，可以通過(guò)肉眼判斷，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分割，采取人機(jī)交互直接刪除的方式進(jìn)行剔除。本文數(shù)據(jù)處理是在Real Works Survey6.5軟件上進(jìn)行手動(dòng)處理[3]。去噪處理前后效果，見(jiàn)圖2。

圖1　三維激光掃描系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集流程圖Fig.1　Data collection process of 3D laser scanning system

圖2　去噪處理前后對(duì)比Fig.2　A comparison before and after removing noise of point clouds

1.2.2點(diǎn)云配準(zhǔn)

對(duì)于Trimble GX三維激光掃描系統(tǒng)，每個(gè)觀測(cè)站獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)都是以掃描儀中心為坐標(biāo)原點(diǎn)的局部坐標(biāo)系。因此需要將掃描采集得到的所有測(cè)站點(diǎn)云數(shù)據(jù)的局部坐標(biāo)系坐標(biāo)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成大地坐標(biāo)系坐標(biāo)，這樣才能為實(shí)際工程測(cè)量提供所需的數(shù)據(jù)。

以3個(gè)平面靶標(biāo)的幾何中心作為參考點(diǎn)，測(cè)量得到該3個(gè)參考點(diǎn)在掃描局部坐標(biāo)系和大地坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)，分別是(XS，YS，ZS)和(XT，YT，ZT)，掃描點(diǎn)云局部坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為大地坐標(biāo)系統(tǒng)公式為:

式中:K為比例因子; RX、RY和RZ分別是X、Y和Z軸的旋轉(zhuǎn)參數(shù);ΔX、ΔY和ΔZ分別是X、Y和Z軸方向的平移量[4]。

1.2.3點(diǎn)云拼接

由于視野角度限制、被測(cè)實(shí)體形狀復(fù)雜及面積過(guò)大等原因，掃描一站所采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)一般不能體現(xiàn)整個(gè)被測(cè)目標(biāo)實(shí)體真實(shí)三維形態(tài)空間信息。因此，根據(jù)掃描現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，應(yīng)從不同角度和不同位置對(duì)被測(cè)目標(biāo)進(jìn)行多次、全方位的掃描，最終將采集到的所有點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，并轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)中，這個(gè)過(guò)程稱為點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接。

2　應(yīng)用實(shí)例

以山東省某礦區(qū)3301工作面為例，在其開(kāi)采影響區(qū)域內(nèi)架設(shè)Trimble GX 3D三維激光掃描儀對(duì)地表移動(dòng)觀測(cè)站進(jìn)行分析。將三維激光掃描技術(shù)與RTK技術(shù)相結(jié)合對(duì)工作面進(jìn)行了兩次掃描，通過(guò)對(duì)采集獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)云去噪、點(diǎn)云配準(zhǔn)、點(diǎn)云拼接等處理后，最終得到整個(gè)礦區(qū)開(kāi)采沉陷盆地點(diǎn)云數(shù)據(jù)(見(jiàn)圖3)[5]。Trimble GX 3D掃描儀可以豎直60°旋轉(zhuǎn)以及水平360°旋轉(zhuǎn)，其數(shù)據(jù)采集速度為5 000點(diǎn)/s，單點(diǎn)定位精度為6 mm/50 m、12 mm/100 m，測(cè)距精度為4 mm/50 m、7 mm/100 m。與傳統(tǒng)測(cè)量方法相比，三維激光掃描測(cè)量方法可以快速、全面、高精度地監(jiān)測(cè)地表開(kāi)采前后移動(dòng)變形，所獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)能整體、細(xì)致地、直觀地分析地表的移動(dòng)變形。圖4為地表兩期三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，從圖中可以看出地表沉降情況，并且可以通過(guò)點(diǎn)取獲得任意一點(diǎn)的沉降信息。

圖3　預(yù)處理后點(diǎn)云數(shù)據(jù)Fig.3 Preprocessed point clouds

圖4　量取兩期點(diǎn)云高差ig.4　Measurement of point clouds' height difference in two stages

將兩期點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)預(yù)處理生成DEM模型后導(dǎo)入同一工程中，然后點(diǎn)擊Real Works Survey 6.5軟件中“twin－surface－inspection－tool”工具，對(duì)兩次掃描所得地表模型進(jìn)行分析，從而得到沉陷地表的下沉差值，如圖5所示。通過(guò)圖上灰度條，地表沉降區(qū)域的沉陷情況一目了然，并可對(duì)該區(qū)域任意點(diǎn)的下沉值或任意線的下沉情況作進(jìn)一步分析。沉陷地表任意點(diǎn)下沉差值分析，如圖6所示。

利用Real Works Survey 6.5軟件可將三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)直接生成等高線，也可先將點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成mesh三維模型，再根據(jù)mesh三維模型生成等高線。生成的等值線，如圖7所示。

三維激光掃描數(shù)據(jù)的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)量大并且還是離散型點(diǎn)云，這導(dǎo)致不同時(shí)期的點(diǎn)云數(shù)據(jù)之間的離散點(diǎn)不能夠完全匹配相同。為了得到不同時(shí)期點(diǎn)云同名點(diǎn)沉降等值線，即不同時(shí)期的地表變形情況，先將經(jīng)過(guò)后處理的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)化，然后將兩期點(diǎn)云數(shù)據(jù)以*.asc格式導(dǎo)出，獲得內(nèi)容格式為X坐標(biāo)，Y坐標(biāo)，Z坐標(biāo)的文本，對(duì)導(dǎo)出的數(shù)據(jù)經(jīng)算法處理然后利用Surfer軟件生成實(shí)測(cè)下沉等值線。正是因?yàn)椴煌瑫r(shí)期點(diǎn)云的點(diǎn)名不一樣，所以首先利用MATLAB軟件通過(guò)粒子群優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合預(yù)測(cè)方法進(jìn)行曲面重建[6]，獲得兩期同名點(diǎn)沉降高差，并且點(diǎn)云數(shù)據(jù)量過(guò)大，為了減少神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合時(shí)間，可以對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行重采樣抽稀數(shù)據(jù)，分若干部分進(jìn)行曲面重建，然后通過(guò)Surfer軟件進(jìn)行處理獲得礦區(qū)開(kāi)采沉陷下沉盆地模型，如圖8所示。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理得到兩次不同時(shí)期掃描間地表的下沉值，根據(jù)開(kāi)采沉陷中的概率積分的動(dòng)態(tài)預(yù)計(jì)模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)求參，獲得的沉陷參數(shù)，如表1所示。

圖5　地表沉陷下沉示意圖Fig.5 Surface subsidence schematic

圖7　部分點(diǎn)云生成的等值線Fig.7　Contour generated by using parts of point clouds

表1　概率積分法擬合參數(shù)Tab.1 Parameters of probability integral method

所求得的參數(shù)與該礦區(qū)類似地質(zhì)條件以往的穩(wěn)態(tài)觀測(cè)站求得的結(jié)果基本一致，說(shuō)明三維激光掃描儀應(yīng)用在礦區(qū)地表沉陷獲取的沉陷參數(shù)能夠滿足礦區(qū)動(dòng)態(tài)預(yù)計(jì)計(jì)算的要求，能夠指導(dǎo)礦區(qū)生產(chǎn)。

3　結(jié)束語(yǔ)

圖6　兩期道路點(diǎn)云數(shù)據(jù)檢測(cè)效果圖Fig.6 Data detection drawing of two phase of point clouds about road

圖8　地表下沉三維盆地Fig.8 3D surface subsidence basin

三維激光掃描技術(shù)具有高精度、高效率、非接觸性、快速性等優(yōu)點(diǎn)，在礦區(qū)地表沉陷監(jiān)測(cè)中與其他傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)相比有無(wú)可替代的優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)采集的數(shù)據(jù)量有限，并且工作效率也相對(duì)較低，而三維激光掃描技術(shù)能夠直觀反應(yīng)地表沉陷盆地的真實(shí)形態(tài)、完整的地表移動(dòng)以及裂縫等信息。本文將三維激光掃描技術(shù)與RTK技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用于地表移動(dòng)沉陷觀測(cè)中，替代傳統(tǒng)觀測(cè)方法，該方法不用埋設(shè)占用農(nóng)田的測(cè)點(diǎn)，降低了對(duì)耕種的影響，解決了設(shè)站用地和測(cè)點(diǎn)保護(hù)難等問(wèn)題，使地表移動(dòng)觀測(cè)工作成為可能。通過(guò)對(duì)三維激光掃描測(cè)量與常規(guī)測(cè)量結(jié)果對(duì)比分析，最終證實(shí)三維激光掃描技術(shù)可以滿足礦區(qū)地表開(kāi)采沉陷監(jiān)測(cè)的需求，為研究地表移動(dòng)規(guī)律和解決建筑物下開(kāi)采技術(shù)難題提供了參考，且研究成果具有一定的應(yīng)用推廣價(jià)值。

[參考文獻(xiàn)]

[1]吳侃，汪云甲，王歲權(quán)，等.礦山開(kāi)采沉陷監(jiān)測(cè)及預(yù)測(cè)新技術(shù)[M].北京.中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2012.

[2]張舒，吳侃，王響雷，等.三維激光掃描技術(shù)在沉陷監(jiān)測(cè)中應(yīng)用問(wèn)題探討[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2008，36(11):92－95.

[3]胡大賀，吳侃，陳冉麗.三維激光掃描用于開(kāi)采沉陷監(jiān)測(cè)研究[J].煤礦開(kāi)采，2013，18(1):20－22，35.

[4]陳永劍.地面三維激光掃描系統(tǒng)在露天礦監(jiān)測(cè)的應(yīng)用研究[D].太原:太原理工大學(xué)，2009.

[5]周大偉，吳侃，周鳴，等.地面三維激光掃描與RTK相結(jié)合建立開(kāi)采沉陷觀測(cè)站[J].測(cè)繪科學(xué)，2011，36(3):79－81.

[6]曾凱，姜巖，吳瑋.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在GPS高程擬合中的應(yīng)用[J].黑龍江工程學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2013(3):12－16.

Application of 3D Laser Scanning Technology in Surface Subsidence Monitoring

ZENG Kai1，JIANG Yan2
(1.Fuqing Branch of Fuzhou Investigation and Surveying Institute，F(xiàn)uzhou Fujian 350000，China; 2.College of Surveying and Mapping，Shandong University of Science and Technology，Qingdao Shandong 266510，China)

Abstract:This paper firstly expounds the data collection process of 3D laser scanning system，and introduces the data preprocessing methods of point cloud denoising，splicing，and registering etc.3D laser scanning technology combined with RTK technology is applied to the surface subsidence monitoring.Practice shows that 3D laser scanning technology can meet the needs of the surface subsidence monitoring in mining area.

Key words:3D laser scanning technology; point clouds; surface subsidence monitoring; RTK

作者簡(jiǎn)介:曾凱(1989～)，男，江西撫州人，碩士，助理工程師，現(xiàn)主要從事城市GPS測(cè)量、工程測(cè)量方面的工作。

*收稿日期:2015－03－23

文章編號(hào):1007－9394(2015)02－0028－03

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

中圖分類號(hào):P 225.2; TD 325