王 騰，查劍鋒，張 民，李得軍，蘭 青，楊默含，何 陳

(1.江蘇省資源環(huán)境信息工程重點實驗室，江蘇 徐州 221000；2.中國礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116；3.兗州煤業(yè)股份有限公司楊村煤礦，山東 濟寧 202118)

礦產(chǎn)資源的大規(guī)模開采，帶來經(jīng)濟效益的同時也給開采區(qū)域帶來了一系列消極影響。在開采過程中，巖體在開采區(qū)域移動并變形，形成了大面積采空區(qū)，導(dǎo)致地表的大型沉降[1]。其中，道路沉陷是地表沉降的主要形式之一。道路沉陷使路面產(chǎn)生裂縫、下沉、坑槽、跳車等路面病害，影響交通安全[2]。因此，研究礦區(qū)道路沉陷對于合理開采礦產(chǎn)資源，有效控制或減緩地表沉降以及開展沉陷區(qū)修復(fù)工作具有重要意義[3，4]。

目前，道路沉陷的監(jiān)測方法主要有4種：一是傳統(tǒng)的水準測量法，使用水準儀測量道路沉陷區(qū)高程，水準測量法操作簡便，在礦區(qū)沉陷監(jiān)測中應(yīng)用廣泛[5]；二是全站儀法，使用全站儀測量沉陷區(qū)地面點的三維坐標；三是GPS水準法，GPS技術(shù)具有其全天候、測量精度高、方法簡單，觀測速度快的優(yōu)點[6]；四是RS監(jiān)測方法，使用雷達差分干涉測量技術(shù)得到沉陷監(jiān)測結(jié)果[7]。

三維激光掃描技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)相比，有以下優(yōu)點：①高效性，三維激光掃描可以快速獲取點位信息，單點耗時僅幾毫秒，而且三維激光測量距離長，采取非接觸掃描目標的方式進行測量，可以有效提高作業(yè)效率[8]；②測量精度高，三維激光掃描測量的點位誤差為毫米級，目標點位的精度極高[9]；③分辨率高，三維激光掃描可以獲取海量單點數(shù)據(jù)，可以對道路進行高密度的表面信息，形成路面點云。

鑒于三維激光掃描技術(shù)優(yōu)點，大量學(xué)者將其用運用到了礦區(qū)形變監(jiān)測[10，11，14]、公路識別監(jiān)測[12，13]、建筑物監(jiān)測[15，16]、邊坡監(jiān)測[17，18]等諸多領(lǐng)域。本次研究對象為礦區(qū)道路沉降信息提取?，F(xiàn)有礦區(qū)形變監(jiān)測中，主要是利用三維激光掃描技術(shù)獲取礦區(qū)地面形變，克服了傳遞少量監(jiān)測點監(jiān)測的缺陷，能夠提供大量監(jiān)測數(shù)據(jù)，但存在拼接困難、數(shù)據(jù)量大、處理難度高等問題。公路識別監(jiān)測中，現(xiàn)有大量研究基于車載激光雷達識別道路標識線、道路建筑等，為無人駕駛等提供技術(shù)支持，同時也有相關(guān)研究基于三維激光掃面技術(shù)，就道路變形提取進行了相關(guān)研究，能為道路治理修復(fù)提供有效依據(jù)，但存在監(jiān)測精度較低等缺陷。張豪杰使用三維激光掃描技術(shù)，對礦區(qū)道路下沉進行分析，并繪制了道路下沉等值線圖[14]，但其監(jiān)測精度相對較低，對道路提取研究較少。鑒于此，本文采用基于控制網(wǎng)布設(shè)的三維激光掃描作業(yè)方式，提出了一種基于反射率、坡度等信息提取道路點云數(shù)據(jù)方法，在此基礎(chǔ)上繪制了道路表面模型，對道路沉降信息進行監(jiān)測，并在五溝煤礦S203省道進行實驗研究。

1 研究方法

在本次研究區(qū)域內(nèi)，道路兩邊為農(nóng)田、河流、樹木以及零散建筑物，這些材質(zhì)與道路材質(zhì)明顯不同，利用三維激光掃描儀得到的點云數(shù)據(jù)中，主要表現(xiàn)在其反射強度上，即道路與其它地物反射強度有明顯區(qū)別，即能夠利用反射強度值實現(xiàn)道路點云提取，此過程能夠剔除絕大多數(shù)非道路點。且道路為線性結(jié)構(gòu)，在寬度方向上高程其坡度應(yīng)大致相同，即非道路點與道路點構(gòu)成的坡度會存在明顯的異常，利用該特點能夠?qū)Τ鹾Y選得到的點云數(shù)據(jù)，進行二次篩選，得到最終道路點云數(shù)據(jù)。

利用已獲取的道路點云數(shù)據(jù)，構(gòu)建道路表面模型；將各期數(shù)據(jù)與原始道路數(shù)據(jù)進行差值處理即可得到下沉量。由于各期數(shù)據(jù)點位同原始道路點位不同，因此，根據(jù)各期數(shù)據(jù)點位信息，利用插值得到對應(yīng)在原始數(shù)據(jù)點位高程值，再進行差值運算即可得到對應(yīng)點位的下沉信息。繼而對下沉數(shù)據(jù)進行柵格化處理，可獲得道路下沉模型。數(shù)據(jù)插值以及柵格化處理可采用反距離加權(quán)、克里金插值等多種方式。道路各點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，因此，本文采用反距離加權(quán)法。

以待求點為中心，設(shè)定影響范圍R；將該影響范圍內(nèi)的所有點計入影響矩陣中，并計算各點距中心點的距離，用各點距離除以各點距中心距離之和作為該點對中心點的影響因子，中心點值為每個點對應(yīng)影響因子乘以該點值之和。具體公式如下：

式中，i為待求點；j為待求點周圍點；Wi，Wj代表對應(yīng)點下沉值；hj為周圍點距待求點距離值。

2 三維激光掃描實驗驗證

S203省道南北向自五溝礦上方通過，利用三維激光掃描儀對AB段進行掃描，并在其間布置水準控制點B0-B18，研究該礦的1016工作面開采對省道產(chǎn)生采動影響。

圖1 工作面井上下對照

使用三維激光掃描儀進行點云數(shù)據(jù)采集之前，構(gòu)建控制網(wǎng)；由于首級控制點較遠，所以需要布設(shè)對應(yīng)的次級控制點以連接首級控制點和掃描站點，使用三等水準進行高程測量；對應(yīng)的控制點設(shè)計如圖2所示，其中K是首級控制點，P是次級控制點，Z是對應(yīng)三維激光掃描儀對應(yīng)的站點。

圖2 控制網(wǎng)布設(shè)方案

使用RIGEL VZ-1000 全站式地面三維激光掃描儀獲取道路點云數(shù)據(jù)；Rigel VZ-1000架站的距離等需要進行道路面觀測，最佳距離為40～60m，密度設(shè)置在0.006mm，相鄰測站之間距離為90m，距離標靶距離為45m，用于拼接的標靶為4個，布設(shè)成不同高度的不規(guī)則形狀。

本次實驗采用后視定位，利用標靶作為公共點進行拼接，共測量得到2個控制點，而后以控制點作為三維激光掃描儀安置點并進行掃描，并按照儀器操作流程工作進行多站掃描，在獲取數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進行拼接等預(yù)處理操作，提取研究區(qū)域內(nèi)點云數(shù)據(jù)。實驗共進行了五期掃描作業(yè)(時間分別為2018年4月22日、2018年8月8日、2018年9月17日、2018年10月15日、2018年11月25日)，實驗流程如圖3所示。

圖3 激光掃描沉降區(qū)云數(shù)據(jù)獲取流程

2.1 點云數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于點云數(shù)據(jù)受表面粗糙度、點云密度等影響，數(shù)據(jù)不能直接使用，需要進行預(yù)處理。主要包括點云拼接、濾波、抽稀、分割等操作。

點云拼接時通過后視定向，首期通過后視定向一個控制點，然后其他站點以該控制點為基礎(chǔ)，依次通過4個控制標靶進行拼接，直至到最后一站。本文通過Riscan Pro軟件進行處理。本次實驗拼接誤差均在5mm以內(nèi)。點云數(shù)據(jù)拼接后模型如圖4所示，分割后的道路點云如圖5所示。

圖4 公路掃描全局圖

圖5 道路點云圖

點云濾波是為了去除噪聲點，可以通過人工干預(yù)或者使用去噪聲算法，針對部分明顯的點云，如樹木等，直接手動刪除；對隨機噪音，需要使用濾波算法，本文使用Riscan Pro中自帶的算法進行。由于點云采樣密度較高，在研究道路時，較高的點云數(shù)據(jù)處理困難，需要進行點云抽稀，Riscan Pro軟件中設(shè)置的八叉樹方法進行?；诜瓷渎势露鹊刃畔崿F(xiàn)道路點云提取。

在預(yù)處理完成后，可利用RISCAN PRO實現(xiàn)對研究區(qū)域內(nèi)點云數(shù)據(jù)的提取并將其點云數(shù)據(jù)導(dǎo)出，導(dǎo)出為文本文件，(N，X，Y，Z)；其中，N為點號信息，X，Y，Z表示對應(yīng)點的坐標分量。

2.2 計算各期下沉值并繪制道路下沉模型

導(dǎo)出處理后的道路點云數(shù)據(jù)后，計算各期數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)差值。由于每期道路點云點位不相同，差值處理前，應(yīng)根據(jù)各期數(shù)據(jù)點位信息對原始數(shù)據(jù)進行反距離插值求取對應(yīng)點位高程值。

得到各期下沉信息后，應(yīng)根據(jù)各期道路坐標值對其進行柵格化處理。進行柵格化處理時，應(yīng)充分考慮道路形狀以及各期道路是否發(fā)生水平移動，而后設(shè)定單位柵格長度。本次實驗道路發(fā)生了水平移動，本文就道路沉陷進行研究，因此忽略水平移動情況。

以網(wǎng)格格點為中心，利用反距離加權(quán)計算出各格點的下沉值，在進行反距離加權(quán)時，需考慮距離影響范圍，最終繪制出各期道路云圖，各期下沉情況如圖6至圖9所示。

圖6 四期道路下沉情況

并根據(jù)各期下沉模型，除去部分噪點，可以計算各期數(shù)據(jù)下沉最大值等信息；具體情況見表1。

表1 各期數(shù)據(jù)下沉最大值

2.3 與實測水準數(shù)據(jù)對比

通過與實測水準數(shù)據(jù)對比，水準點布設(shè)沿道路進行(點號為B0-B19)，以分析三維激光掃描數(shù)據(jù)進行插值求沉降的合理性，各期相對第一期數(shù)據(jù)下沉量，如圖7所示。使用對應(yīng)的點云數(shù)據(jù)，以3075為起點，每10m選擇一個點云數(shù)據(jù)，獲得相應(yīng)的下沉曲線，如圖8所示。

圖7 各期控制點下沉曲線

由于水準觀測點位于道路兩側(cè)，與實際道路中線下沉點存在一定差距；由圖7和圖8可知，水準控制點下沉值和道路中線下沉值兩者趨勢基本一致；對比點云數(shù)據(jù)與水準數(shù)據(jù)下沉值(圖9)，可知對應(yīng)水準控制點下沉值相差均在±1cm；利用三維激光掃描數(shù)據(jù)繪制出的道路中線能夠較好反應(yīng)下沉盆地。

圖8 各期道路中線下沉曲線

圖9 水準控制點與點云控制點下沉值之差

采空區(qū)中心位于2600附近，繪制了四期道路下沉模型(圖6)，下沉模型與采動下沉盆地相符；三維點云提取繪制的道路下沉云圖與實測水準數(shù)據(jù)趨勢相同；水準測得最大下沉值與三維激光分析下沉值基本吻合。模型能夠直觀地觀測道路下沉情況，并能夠在一定程度上反映出開采作業(yè)對道路的影響情況。本文提出方法能夠有效、快速、自動、準確地繪制出道路下沉圖，能夠為道路監(jiān)測提供依據(jù)。

3 結(jié) 語

基于三維激光掃描可以高密度、高效率、高精度提取道路表面模型的特點，本文提出一種將三維激光應(yīng)用到礦區(qū)道路沉陷監(jiān)測中的方法。首先，根據(jù)數(shù)據(jù)點位信息，利用插值得到對應(yīng)在原始數(shù)據(jù)點位高程值，進行差值得到各點位下沉值；在得到道路下沉數(shù)據(jù)后，對下沉數(shù)據(jù)進行柵格化處理，從而得到道路下沉模型。并在五溝煤礦沉陷區(qū)進行了實驗，能夠有效的反應(yīng)道路下沉圖，并提取道路中線繪制了道路中線下沉圖，與水準測量成果趨勢相同，且點云對應(yīng)控制點誤差在1cm，驗證了該方法的可行性。同時，可利用下沉信息進一步求取道路傾斜、曲率等變形信息，能為采動區(qū)道路監(jiān)測及維護進行指導(dǎo)和參考。