劉 鈺，袁曼飛

(1. 國家測繪地理信息局第二地形隊，陜西 西安 710054; 2. 凱里華翔有色核工業(yè)工程勘測有限公司，貴州 凱里 556000)

近年來，隨著礦業(yè)的不斷發(fā)展，露天礦開采的深度也在不斷增加，同時國家的安全管理意識與安全生產(chǎn)要求不斷提高，露天礦山生產(chǎn)企業(yè)也對礦山邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測及邊坡安全評價越來越重視[1]。露天礦山邊坡的監(jiān)測手段不斷更新，傳統(tǒng)的監(jiān)測方法通常采用人工現(xiàn)場測量，而露天礦山邊坡陡峻，邊坡巖石松動難以站立，導致傳統(tǒng)測量工作費時、費力，更重要的是現(xiàn)場測量人員的人身安全無法保障[2]。礦山邊坡監(jiān)測時，監(jiān)測點通常布設成特定線狀形式，雖然可以局部反應出邊坡的變形特征，但是監(jiān)測數(shù)據(jù)信息極少，不能全面、真實的反映整個邊坡實際變形情況，降低了監(jiān)測成果數(shù)據(jù)的真實性和準確性。

3D激光掃描技術能夠全自動、非接觸、高效率、三維立體掃描獲得邊坡表面較全面的大量點云數(shù)據(jù)，能夠較真實地得到邊坡實體表面的三維的激光點云數(shù)據(jù)信息。根據(jù)設定的步距全面采集邊坡的真實三維數(shù)據(jù)，無需接觸被測實體表面，能快速獲得完整的原始數(shù)據(jù)，能夠真正做到實體三維模型的重構。因此，3D激光掃描技術在醫(yī)學、林業(yè)、文物保護、地質(zhì)工程、工程監(jiān)測等相關領域中得到廣泛應用[1-8]。

1 3D激光掃描技術在露天礦邊坡監(jiān)測應用分析

1.1 3D激光掃描測量工作原理

3D激光掃描儀的工作原理簡單、容易理解，但需要整個掃描系統(tǒng)中各個高精密的構件有序地集成來完成掃描。其工作原理是記錄掃描儀向測量實體發(fā)射和接收激光脈沖經(jīng)歷的精密時間間隔，同時記錄發(fā)射激光脈沖時的角度參數(shù)數(shù)據(jù)，通過內(nèi)置計算程序，計算被測實體反射激光脈沖的點所在掃描儀測量坐標系的空間位置坐標。按照設定步距快速掃描物體表面，則得到物體表面全部點云數(shù)據(jù)。如圖1所示3D激光掃描儀基本觀測數(shù)據(jù)包括邊坡對象點P與掃描儀中心距離S，發(fā)射和接受激光脈沖的天頂距β和水平角α，儀器內(nèi)置程序，根據(jù)這些基本測量數(shù)據(jù)計算出被測點相對掃描儀坐標系的三維坐標。

圖1 3D激光掃描儀的測量數(shù)據(jù)示意

3D激光掃描儀測量待定物體點坐標點P的計算公式，如公式(1)所示:

式(1)中：X,Y,Z表示被測物體相對掃描儀坐標系的三維坐標，m；S表示被測物體到掃描儀的傾斜距離，m；β表示掃描儀激光束的天頂距，(°)；α表示掃描儀的水平角，(°)。

1.2 數(shù)據(jù)采集基本流程

3D激光掃描儀數(shù)據(jù)采集有多種模式，有移動式和固定式。用于露天礦邊坡大范圍、長距離對象的掃描，通常采用固定式地面三維掃描儀。野外數(shù)據(jù)采集的基本操作流程，必須符合相關規(guī)范，否則在測量過程中，數(shù)據(jù)質(zhì)量、精度將無法保證，甚至產(chǎn)生數(shù)據(jù)錯誤。3D激光掃描儀采集數(shù)據(jù)的一般操作流程如下。

1)方案設計：根據(jù)露天礦采場的實地情況以及具體要求，設計由掃描方式、野外測量數(shù)據(jù)采集方法、掃描精度、采樣密度、基站數(shù)量、數(shù)據(jù)處理方式、成果精度等分項指標組成的技術方案。

2)安置儀器：根據(jù)技術設計方案，現(xiàn)場邊坡大小以及采場實際情況設計測站點位(如果長期監(jiān)測可以建立觀測墩臺或監(jiān)測房等設施)，將儀器架設在設計點位上，對中、整平掃描儀。

3)設備連接：根據(jù)實際情況配置電源，使用發(fā)電機或電纜等方式，為激光掃描儀和筆記本電腦提供能源。激光掃描儀連接電源后，連接筆記本電腦，利用筆記本電腦中的控制軟件對掃描進行全程操控，實現(xiàn)自動化掃描。

4)參數(shù)設置：設置掃描儀與筆記本的IP地址，使它們之間能夠通信和傳輸數(shù)據(jù)，利用掃描控制軟件進行掃描環(huán)境、掃描精度、掃描時間、掃描分辨率等各項參數(shù)的設置。

5)邊坡掃描：將掃描儀對準選定的邊坡區(qū)域，激光掃描儀根據(jù)設定參數(shù)開始對邊坡進行掃描。掃描開始后，掃描控制軟件會顯示掃描進度，已測點云和當前的掃描狀態(tài)及剩余的掃描時間等信息。

6)掃描完成：掃描進度完成后，檢查掃描數(shù)據(jù)質(zhì)量，如果出現(xiàn)明顯數(shù)據(jù)質(zhì)量問題(如空洞等)，檢查激光掃描儀設置及現(xiàn)場實際工作環(huán)境，選擇重新掃描或遷站。初步檢查無數(shù)據(jù)質(zhì)量問題，可搬站掃描覆蓋下一監(jiān)測范圍或設計范圍，最后完成野外掃描任務。

1.3 掃描數(shù)據(jù)誤差分析

1)與掃描儀相關誤差：激光掃描儀根據(jù)脈沖式或相位差式兩種方法，測出激光脈沖往返儀器與目標之間所耗的時間來計算距離，其測距誤差與時間測量精度直接相關。激光掃描儀測量的角度包括水平角和豎直角，測角誤差主要影響因素包括角度測量誤差、微小震動、步進馬達的控制誤差以及讀數(shù)誤差等[9]。

2)與觀測對象有關的誤差：觀測對象表面材質(zhì)、粗糙程度、反射率等各項指標差別較大，同時掃描激光束通常不能夠垂直到達對象表面，入射角也較大，并發(fā)生漫反射，使返回的激光信號產(chǎn)生多值、能量變?nèi)趸蛏踔羴G失，這些都會造成掃描點云數(shù)據(jù)呈現(xiàn)多值或空洞現(xiàn)象，產(chǎn)生誤差或錯誤。

3)與觀測條件有關誤差： 觀測環(huán)境條件不同產(chǎn)生誤差大小也有較大差異，外界觀測環(huán)境條件主要包括氣壓、水汽、陽光直射、氣溫、粉塵顆粒、周圍干擾等外部條件。外界觀測條件產(chǎn)生誤差主要包括環(huán)境對儀器內(nèi)部構件和激光傳播路徑的影響，影響儀器內(nèi)部高精密構件熱脹冷縮而發(fā)生變化，有溫差、陽光直射等，產(chǎn)生的微小影響而導致測量數(shù)據(jù)誤差甚至錯誤。極端觀測條件可以導致嚴重的問題(溫度過低致使不能開機、液晶屏幕無法顯示數(shù)據(jù))。激光在空氣中的傳播路徑中(空中雨霧等水汽、灰塵顆粒以及大氣壓、大氣密度變化)條件變化，會導致激光脈沖的傳播方向發(fā)生變化，產(chǎn)生折射或散射現(xiàn)象，使測量得到的點云數(shù)據(jù)精度降低。

1.4 點云拼接與配準

為了避免測量誤差過大和掃描范圍超限產(chǎn)生掃描盲區(qū)以及現(xiàn)場存在遮擋等問題，通常將露天礦邊坡模型掃描測量分割成多個子區(qū)域，分別進行掃描測量，測量結束后進行各個點云數(shù)據(jù)塊的拼接，在需要拼接的兩片點云之間進行采樣或設立配準點，最后建立完整的礦山邊坡模型。通常每次設站的采集數(shù)據(jù)都是在獨立坐標系下進行的，為了直接得到邊坡整體模型測量的工程數(shù)據(jù)，必須把各個測站采集得到的點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到工程坐標系的數(shù)據(jù)配準與轉(zhuǎn)換過程。常用的點云數(shù)據(jù)配準方法有3種：基于特征的點云配準、基于迭代最近點(ICP)算法的配準和GPS-RTK配準[10]。露天礦邊坡由巖體臺階組成且尺寸偏大，測量掃描時存在盲區(qū)和遮擋等不利因素，綜合分析各種方法優(yōu)缺點及工程實踐證明GPS-RTK 配準是工程監(jiān)測點云數(shù)據(jù)配準較適合的方法，且配準精度高、效率快、操作方便。

1.5 邊坡變形監(jiān)測分析

基于3D激光掃描儀的邊坡監(jiān)測是利用掃描得到的多個周期監(jiān)測數(shù)據(jù)進行相關疊加分析處理，得到邊坡變形數(shù)據(jù)，進行邊坡變形量分析的過程。對露天礦邊坡進行多個周期監(jiān)測，拼接配準后構建各個周期數(shù)據(jù)點云模型，然后利用點云數(shù)據(jù)建立DEM模型，采用多時相邊坡整體DEM疊加分析方法，獲得各個周期之間的露天礦邊坡變形信息。多時相邊坡整體DEM疊加分析方法是以第1次監(jiān)測的邊坡數(shù)據(jù)整體模型作為基準，作為后面各期掃描監(jiān)測模型的參照模型，使模型的法線相匹配(或以上一個監(jiān)測周期模型為基準與下一周期模型匹配，比較兩個相鄰周期的數(shù)據(jù)模型)，然后進行兩個DEM疊加分析，得到露天礦邊坡整體 DEM 差分圖，比較、分析邊坡整體變化(或各相鄰兩周期變化)以及局部變化量。

2 工程應用案例分析

2.1 工程概況

以某露天礦山為例，采空區(qū)長約 0.76 km，寬約0.55 km，周邊高邊坡，呈深凹陷的橢圓形深坑，邊坡與開采區(qū)高差均大于100 m，部分邊坡超過200 m?，F(xiàn)場布設了兩個測站進行邊坡掃描，邊坡現(xiàn)場狀態(tài)如圖2所示。監(jiān)測時間為一年，每月監(jiān)測一次，監(jiān)測采用加拿大的Optech ILRIS-LR遠程地面3D激光掃描儀進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)掃描，掃描點云如圖3所示。

圖2 部分邊坡現(xiàn)場照片

利用南方S86 GPS進行控制點、配準點數(shù)據(jù)采集三維坐標數(shù)據(jù)。在現(xiàn)場邊坡上布設了兩個GPS-RTK控制點，連接附近CORS網(wǎng)，測定這兩個RTK點三維坐標數(shù)據(jù)(精度為：平面優(yōu)于1 cm,高程優(yōu)于2.5 cm)，用于兩個掃描站點的點云數(shù)據(jù)配準。拼接配準后的邊坡點云模型，通過實地測量與模型采樣對比分析，模型精度優(yōu)于25 cm。

圖3 掃描點云數(shù)據(jù)截圖(部分)

2.2 掃描儀標稱精度指標

目前，適用于露天礦邊坡監(jiān)測的3D激光掃描儀一般是測地型地面掃描儀。加拿大的Optech ILRIS-LR遠程地面3D激光掃描儀比較廣泛的應用于邊坡。

該型號3D激光掃描儀最大測程3.0 km，可以滿足大部分露天礦邊坡監(jiān)測需要，測角精度和測距精度比較穩(wěn)定。提高精度通常將測站點設置在距離邊坡較近的位置，設置較小區(qū)域范圍進行掃描，同時多個測站配準拼接后形成一個完整的邊坡模型，然后再進行邊坡數(shù)據(jù)分析。

2.3 邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

對各個周期監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，采用多時相邊坡整體DEM疊加分析，主要采用兩種方法：累計變形量分析和周期間變形量分析。其中發(fā)現(xiàn)第7周期數(shù)據(jù)與第8周期數(shù)據(jù)DEM疊加分析變化較大。如圖4所示。

圖4 邊坡第7與第8周期DEM疊加分析(截圖)

圖4為通過DEM疊加分析，第7和第8周期數(shù)據(jù)模型疊加分析變化較大位置，棕色和藍色為變化超過±1.0 m的部分，第8周期數(shù)據(jù)低于第7周期為棕色，反之，高出則為藍色，產(chǎn)生的主要原因是降雨導致邊坡臺階巖體垮塌，使得模型數(shù)據(jù)變低。本案例基于3D激光掃描儀的露天礦邊坡監(jiān)測安全評價體系，總體趨勢穩(wěn)定，沒有發(fā)生滑坡趨勢，但由于多年風化和雨水侵蝕，邊坡臺階巖體邊緣容易發(fā)生垮塌，在雨季有滾落大型石塊危險。

3 結 語

根據(jù)3D激光掃描儀的工作原理及誤差分析，理論上3D激光掃描完全可以用于高精度變形監(jiān)測，但是邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集精度會直接影響監(jiān)測精度和效果，邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)精度與控制點精度、點云精度有關系。同時點云配準模型方法也會損失部分測量成果的精度。

通過系統(tǒng)分析以及工程案例驗證，3D激光掃描儀能用于露天礦邊坡監(jiān)測，地面3D激光掃描技術能夠彌補傳統(tǒng)監(jiān)測中單點、接觸測量的局限性，保證了測量人員的人身安全，可有效分析整體邊坡變化以及變化趨勢。但是，由于露天礦邊坡環(huán)境的特殊性，如巖縫中生長草木等植物，植被生長變化，直接降低區(qū)域分析效果。因此，在數(shù)據(jù)處理前可以先進行點云數(shù)據(jù)粗差剔除，采取邊坡特征點、特征剖面線、邊坡切片疊加分析、區(qū)域統(tǒng)計分析法等方法進行處理數(shù)據(jù)，進而獲得較高精度的邊坡形變數(shù)據(jù)信息。