李 磊，李建勛，李 旭

(陜西澄合山陽煤礦有限公司，陜西 澄合 715306)

很多煤礦開采需要研究地表的變化規(guī)律，降低煤礦開采對地表的破壞和影響，由此延長礦井的開采年限。煤礦開采對地表移動的影響是力學(xué)作用的過程，需要進(jìn)行現(xiàn)場實地監(jiān)測。煤礦開采一般都位于田野荒地附近，架設(shè)的監(jiān)測儀器經(jīng)常會被惡劣的自然環(huán)境破壞或者丟失，監(jiān)測過程也因地形多變而出現(xiàn)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)、數(shù)據(jù)不全、數(shù)據(jù)監(jiān)測困難等問題[1]。到目前為止還有很多煤礦的地表數(shù)據(jù)是不完整的。

針對上述問題，傳統(tǒng)的解決方案是借助無人機設(shè)備動態(tài)快速監(jiān)測，但無人機監(jiān)測的成本較高，監(jiān)測預(yù)算低的項目無法使用。而使用GPS或地面水準(zhǔn)儀的方式進(jìn)行監(jiān)測又忽略了煤炭開采的地表監(jiān)測需要更三維性的問題，煤礦開采造成最多的問題就是地表塌陷，不僅是地表下沉，而且是整個空間下沉的情況。GPS或地面水準(zhǔn)儀只能監(jiān)測到地表下沉的程度，卻無法反映下沉的嚴(yán)重程度。

三維激光掃描技術(shù)是一種新發(fā)展的測量技術(shù)，可以代替地面水準(zhǔn)儀等平面測量技術(shù)進(jìn)行三維坐標(biāo)的測量，適合需要空間測量的地區(qū)。三維激光掃描技術(shù)采集數(shù)據(jù)的速度非?？?，可以避免儀器因長時間處于田野荒地而被破壞[2]。三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用需要一定的設(shè)備支持，包括激光掃描儀、外接電源、PC機以及三角支架。通過各種設(shè)備的協(xié)作可以實現(xiàn)高密度、高速度、高精度掃描，從而獲取煤礦地表相關(guān)數(shù)據(jù)。從傳統(tǒng)的測量塌陷點變成了測量塌陷面，使檢測數(shù)據(jù)更加具體、全面，而且不需要將測量點建設(shè)在農(nóng)田當(dāng)中，避免了占用農(nóng)田，做到了綠色和環(huán)保監(jiān)測。

1 三維激光掃描儀運行原理分析

三維激光掃描儀應(yīng)具備兩項基礎(chǔ)功能：測距功能和掃描功能，將兩項功能搭建在同一個系統(tǒng)當(dāng)中，還應(yīng)對采集的地表檢測圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗，因此，還應(yīng)包含集成數(shù)字?jǐn)z影設(shè)備和圖像識別校正系統(tǒng)。在三維激光掃描儀的測距過程中，應(yīng)用的原理為TOF脈沖原理。首先利用激光掃描儀按照坐標(biāo)進(jìn)行地表數(shù)據(jù)的掃描，獲取掃描目標(biāo)點是通過云數(shù)據(jù)的進(jìn)行確定的。發(fā)射裝置每秒要發(fā)出以百萬計的掃描激光束，地表接收到這些光束后，激光脈沖在地面發(fā)生脈沖作用，并由地面的接收裝置對反射后的脈沖進(jìn)行接收，經(jīng)由儀器獲得相應(yīng)的地表數(shù)據(jù)。地表的坐標(biāo)獲取通過三維激光掃描脈沖反射時間和激光傳播速度等條件進(jìn)行獲取。激光脈沖橫向掃描角度值設(shè)定為α，縱向掃描角度值設(shè)置為β。從三維激光掃描儀的內(nèi)部系統(tǒng)進(jìn)行各激光脈沖接觸點的坐標(biāo)的獲取，直角坐標(biāo)方式的數(shù)據(jù)可以通過以下公式進(jìn)行計算：

(1)

式中：Cg為地表監(jiān)測的三維激光掃描儀的激光在無阻礙的前提下的傳播速度；t為掃描儀的掃描時間；Co為三維激光掃描儀的激光在無阻礙且真空的情況下的傳播速度；ng為該三維激光掃描儀的特性參數(shù)。

三維激光掃描儀由時間計數(shù)器、激光發(fā)射器、信號接收器、反射鏡、水平位移控制器、微型計算機和相機組成。其中反射鏡的動力設(shè)施為馬達(dá)，反射鏡可以進(jìn)行360°自動旋轉(zhuǎn)[3]。相機與微型計算機相連，三維激光掃描儀的動力驅(qū)動可以進(jìn)行兩種選擇，直接連接外接電源或自帶電池，根據(jù)現(xiàn)場的具體情況可以隨意切換。當(dāng)使用外接電源工作緊急停電時，切換內(nèi)置電池工作不會導(dǎo)致機械驟停，監(jiān)測工作不會中斷。三維激光掃描儀的支架只需要購買市面上對應(yīng)型號的支架即可。

三維激光掃描儀可以進(jìn)行自由旋轉(zhuǎn)和擺動。微型計算機中安裝的軟件應(yīng)為數(shù)據(jù)處理軟件和Point cape軟件。三維激光掃描儀的掃描速度可以達(dá)到8 000點/s，在天氣晴朗的條件下掃描距離可達(dá)到500 m，掃描儀在反射鏡進(jìn)行90°旋轉(zhuǎn)的情況下掃面距離也有正常掃描距離的一半。而在多云、光線不足的天氣或陰雨天，掃描距離最遠(yuǎn)可達(dá)到300 m，反射鏡進(jìn)行90°旋轉(zhuǎn)的情況下掃描距離可達(dá)到150 m左右。測量水平傾角小于12°，豎直傾角小于15°[4]。三維激光掃描儀的觀測站點需要建立三維坐標(biāo)系，如圖1所示。

圖1 三維坐標(biāo)示意

取采樣點命名為P，以P為中心建立直角坐標(biāo)系(X，Y，Z)，取另一個檢測點為S，掃描儀掃描的光線與X軸之間的夾角為b，S點與P點連線與X軸形成的夾角為a。坐標(biāo)系的計算公式如下：

(2)

采用上述三維激光掃描儀進(jìn)行煤礦開采地表監(jiān)測，應(yīng)將煤礦開采地區(qū)需要監(jiān)測的區(qū)域設(shè)置為4個導(dǎo)線點，掃描順序由一端的導(dǎo)向點向另一端的導(dǎo)線點依次進(jìn)行掃描。水平位移控制器先控制各導(dǎo)線點的高程，然后掃描儀開始掃描數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換[5]。

2 地表監(jiān)測的三維數(shù)據(jù)獲取

三維激光掃描儀將中心掃描點的坐標(biāo)定為0，獲取測量數(shù)據(jù)的流程如下：

數(shù)據(jù)獲取可分為點坐標(biāo)的獲取和空間坐標(biāo)的獲取。這就涉及兩期數(shù)據(jù)的采集，第一期數(shù)據(jù)的采集需要先布置掃描控制網(wǎng)，以坐標(biāo)0點為起算點，在閉合導(dǎo)線上設(shè)置6個觀察點，其中4個為常用觀察點，2個為變化觀察點[6]。變化觀察點隨著常用觀察點的掃描順序而變化，變化原則是一直圍繞在常用觀察點的兩側(cè)。在常用觀察點上架設(shè)三維激光掃描儀，確保掃描儀旋轉(zhuǎn)一周可以覆蓋整個需要掃描的范圍，完成第一次點坐標(biāo)的數(shù)據(jù)采集。

圖2 測量獲取數(shù)據(jù)流程

在三維激光掃描儀點云數(shù)據(jù)的獲取過程中，最重要的特征就是保證地表數(shù)據(jù)的完整性。因此需要對目標(biāo)地點進(jìn)行多視點的掃描，對云數(shù)據(jù)的精度影響最大的因素是三維點云空間數(shù)據(jù)的獲取準(zhǔn)確性。第一影響準(zhǔn)確性的因素為激光束發(fā)射密度，在其他條件不變的情況下，激光束發(fā)射密度越大精確性越高。第二個影響激光掃描精度的因素為掃描儀與被觀測地表之間的距離，在物體和掃描儀的距離保持不變的情況下，為提高三維地形點云數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性，提升激光速發(fā)射的密度。但物理方式提升數(shù)據(jù)的精度存在弊端，最嚴(yán)重的一個技術(shù)缺陷是在監(jiān)測的地表和激光光束之間有很多無法規(guī)避的障礙物。激光束在半路被阻攔，無法到達(dá)所監(jiān)測的地表表面，此時掃描儀收集的數(shù)據(jù)就會存在數(shù)據(jù)缺陷。因此在增加光束密度的基礎(chǔ)上，還應(yīng)對地表進(jìn)行多次掃描，變換角度進(jìn)行掃描，降低數(shù)據(jù)缺失的概率。設(shè)置多角度掃描的關(guān)鍵點，每個掃描站點設(shè)置5個掃描關(guān)鍵點。將掃描的激光點云數(shù)據(jù)在掃描點拼接起來，高密度的點云數(shù)據(jù)比普通的點云數(shù)據(jù)精度更高。數(shù)據(jù)中包含很多錯點、雜點、虛點，必需對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對錯誤數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除?；谏厦嬲f到的4個常用觀察點，以坐標(biāo)0點向X軸方向，距離為掃描儀直徑的坐標(biāo)點為第二個檢測點。增加變化觀察點的個數(shù)，由兩個變化觀測點變?yōu)?個，3個觀察點連接呈三角狀圍住常用觀察點進(jìn)行掃描[7]。在常用觀察點上架設(shè)三維激光掃描儀，并在變化觀察點上放置反向標(biāo)靶，反向標(biāo)靶呈三角圍繞三維激光掃描儀，16個觀察點可同時進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，例如將點坐標(biāo)Pa轉(zhuǎn)換為空間坐標(biāo)Pb，參照下面的公式：

Pb=(1+o1)Pa+△PⅡ

(3)

式中：o1為參數(shù)尺度；Pa為掃描儀的常用坐標(biāo)點；△PⅡ為各監(jiān)測點在坐標(biāo)原點的統(tǒng)一坐標(biāo)。通過公式進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后，點坐標(biāo)變?yōu)槿S坐標(biāo)。

3 地表監(jiān)測的三維數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理步驟分為數(shù)據(jù)修改、坐標(biāo)糾正、數(shù)據(jù)過濾和三維建模，最后通過單位建模的模型產(chǎn)品進(jìn)行最終監(jiān)測結(jié)果分析。

數(shù)據(jù)處理采用的是在計算機上提前安裝好的Geomagic Qualify數(shù)據(jù)分析軟件，將轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)輸入到該軟件當(dāng)中，掃描儀可在短時間內(nèi)獲取大量的數(shù)據(jù)，掃描儀對獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行無差別采集，在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的時候首先要對目標(biāo)之外的數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除。只要將目標(biāo)數(shù)據(jù)的特征輸入計算機當(dāng)中，它就會自動將錯誤的數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除，為避免在刪除中出現(xiàn)誤刪的情況，刪除的數(shù)據(jù)暫時被儲存到回收站當(dāng)中，需要人工進(jìn)行核對之后才能清空回收站[8-9]。

正確的數(shù)據(jù)中也存在因為掃描范圍重疊而收集來的重復(fù)數(shù)據(jù)，雖然這些數(shù)據(jù)對后續(xù)的結(jié)果分析沒有任何影響，但是會加大計算機的運算量，占據(jù)內(nèi)存，所以重復(fù)的數(shù)據(jù)也應(yīng)該刪除，提升數(shù)據(jù)分析的效率。坐標(biāo)糾正是數(shù)據(jù)處理中比較關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，三維掃描將目標(biāo)物的掃描數(shù)據(jù)統(tǒng)一成空間坐標(biāo)后，進(jìn)行坐標(biāo)數(shù)據(jù)拼合[10]，省去了點坐標(biāo)繪制平面圖，再將平面圖轉(zhuǎn)化為三維圖的過程，直接省去繪制平面圖的步驟，將坐標(biāo)進(jìn)行拼合。

數(shù)據(jù)過濾看似和數(shù)據(jù)刪除的功能相似，但區(qū)別很大，數(shù)據(jù)刪除是指將非目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除，而數(shù)據(jù)過濾是將正確數(shù)據(jù)中的噪聲進(jìn)行過濾。噪聲可能是在獲取數(shù)據(jù)時的合理誤差帶來的，也可能是掃描儀掃描的過程中帶來的。噪聲數(shù)據(jù)如果不進(jìn)行降噪處理會造成曲線不光滑、三維模型精度低等結(jié)果。數(shù)據(jù)處理過后可以進(jìn)行格網(wǎng)的建立。由于數(shù)據(jù)的離散性，需要將相鄰的點數(shù)據(jù)進(jìn)行連接，三維模型中的數(shù)據(jù)沒有拓?fù)潢P(guān)系，所以在格網(wǎng)建立的時候要提前建立好數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。將三維的離散數(shù)據(jù)投影在平面上，為模型的建立做準(zhǔn)備[11]。在Geomagic Qualify數(shù)據(jù)分析軟件中數(shù)據(jù)可以多種格式輸入，該數(shù)據(jù)分析軟件可以自動生成監(jiān)測報告，數(shù)據(jù)分析結(jié)果中數(shù)據(jù)和圖形一應(yīng)俱全，可以滿足大部分工作對煤礦開采地表監(jiān)測的需求。

4 實例分析

為了驗證基于三維激光掃描的煤礦開采地表監(jiān)測方式和傳統(tǒng)GPS監(jiān)測方式相比，哪種方式誤差最小，用兩種方式對同一塊煤礦開采區(qū)進(jìn)行地表監(jiān)測，對比數(shù)據(jù)誤差率?；谌S激光掃描的監(jiān)測方法的應(yīng)用如上述分析，而GPS監(jiān)測方法則需要布設(shè)觀測站，具體方法參見文獻(xiàn)[9]。

4.1 實驗區(qū)基礎(chǔ)信息

某采用頂煤開采方式的煤礦，煤礦走向長500 m，煤礦的整體可開采面積為3 659 m2，煤礦傾斜長度為走向長度的一半，煤層平均厚度為5.5～7.5 m，煤層存在一定傾角，傾角最大的地方不超過15°，煤層的頂板厚度為100 m，煤層上覆蓋的多為黏土層和細(xì)沙層。

4.2 實例監(jiān)測結(jié)果

使用傳統(tǒng)方法和基于三維激光掃描的煤礦開采地表監(jiān)測方式對上述煤礦進(jìn)行地表監(jiān)測測試，對比集中方式的檢測誤差率，實驗結(jié)果見表1。

表1 誤差率對比 單位：%

由表1可知，三種方式的數(shù)據(jù)誤差不相上下，但兩種方式的坐標(biāo)誤差就遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于本文設(shè)計的方式。因此也導(dǎo)致本文設(shè)計的方法比傳統(tǒng)方法誤差率小。

另外，使用三維坐標(biāo)展示煤礦監(jiān)測情況，X軸、Y軸、Z軸的監(jiān)測情況如圖3所示。

由圖3可以看出，坡頂部分沿著X軸方向有變化，也有向坡底運動的趨勢，最大水平移動量為1.132 6 m，坡頂也在向Y軸正方向移動，最大水平位移為0.413 9 m，但坡底是沿著Y軸負(fù)方向移動，坡頂Z軸負(fù)方向位移較大，最大位移為-2.112 7 m。由此可以看出，運用三維激光掃描技術(shù)不僅可以清晰地看出不同方向上煤礦的變化情況，也可以對煤礦開采時期的地表情況進(jìn)行監(jiān)測。由此證明本文設(shè)計的方法對煤礦開采地表監(jiān)測結(jié)果準(zhǔn)確性較好，具有實用性。

5 結(jié) 語

為解決傳統(tǒng)GPS監(jiān)測方法中存在的問題，將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于煤礦開采地表監(jiān)測中。將傳統(tǒng)GPS監(jiān)測對點和地面水平面的研究轉(zhuǎn)化為對三維立體圖像的研究，解決了野地荒田監(jiān)測困難、信號弱導(dǎo)致數(shù)據(jù)收集不全的問題。文中不僅從理論層面分析了本文設(shè)計方法的可行性，還通過對比實驗證明了基于三維激光掃描監(jiān)測方法的可行性、實用性。希望通過本文研究為煤礦開采地表監(jiān)測提供新思路。

圖3 煤礦監(jiān)測三維圖