一种基于三维激光扫描监测采矿塌陷区地面沉降的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于三维激光扫描监测采矿塌陷区地面沉降的方法，包括根据采矿塌陷区的范围和三维激光扫描仪的最佳扫描半径在围绕采矿塌陷区周边附近地表布设多个测站点；每个测站点旁相应地布置定位点；分别在测站点和定位点埋设两个混凝土监测墩，并安装可调平的前视基盘和后视基盘；在前视基盘上放置三维激光扫描仪，进行点云数据采集；在前视基盘和后视基盘上放置GPS定位仪，测量测站点和定位点的三维坐标；对各测站点获取的点云数据按采矿塌陷区坐标系下的绝对三维坐标进行拼接、滤波、去噪等处理，得到整个采矿塌陷区的地面扫描地形，从而获得采矿塌陷区地表的单次沉降变形和多期累计沉降变形值。通过采用本方法，大大提高了采矿塌陷区地面沉降监测的便利性、准确性和高效性，能够及时了解采矿塌陷区地表沉降的变化，为确保矿山安全运营和指导井下安全生产提供技术支撑。

【技术实现步骤摘要】
一种基于三维激光扫描监测采矿塌陷区地面沉降的方法
本专利技术属于岩土工程地表变形测量
，更具体涉及一种基于三维激光扫描监测采矿塌陷区地面沉降的方法，它适用于采矿塌陷区地面沉降长期监测。
技术介绍
目前，地下矿产资源的开发引起的各种环境问题接踵而至，其中矿区地表移动和沉陷尤为突出，每月的沉陷量可达1m。特别是采用崩落法开采的地下金属矿山，往往在地表形成大规模塌陷、开裂和沉降，成为金属矿山地下采矿的重大安全和地质环境问题。为了能够及时了解和预测采矿塌陷区地表沉降分布和演化规律，以便确保矿山安全运营和指导井下安全生产，迫切需要对采矿塌陷区的地表变形进行长期监测。传统的接触式测量方法(GPS、水准等)需要进入采矿塌陷区进行接触式监测，由于采矿塌陷区的岩层移动和地表变形尤为剧烈，在地下矿体开采过程中往往会在地表突然不断地产生大规模塌陷，严重威胁到测量人员的生命安全。此时，考虑到测量人员的人身安全，传统的接触式测量方法(GPS、水准等)已经无法满足采矿塌陷区地面沉降监测。近几年来，三维激光扫描技术作为发展起来的新兴非接触式变形监测方法，可以有效地对采矿塌陷区地表进行大范围的扫描沉降监测。目前采用三维激光扫描技术对采矿塌陷区地面沉降进行监测的方法主要是：在塌陷区附近地表测站点处架设三脚架，然后在三脚架上架设三维激光扫描仪获取采矿塌陷区地表点云数据。之后，依据相邻两测站点之间公共特征点或公共标靶球进行点云数据拼接，从而将其它测站点的点云数据转换到某一基准测站点坐标系下，并利用传统的接触式测量方法(GPS、水准、全站仪等)获取该基准测站点当地坐标系统下的三维坐标，进而得到整个塌陷区当地坐标系统下的高程数据。然而，现有的基于三维激光扫描的采矿塌陷区地面沉降监测装置和方法存在以下缺点：(1)由于采矿塌陷区附近地表变形较为剧烈，使得这些区域地表表层岩土体比较破碎和松软，这就导致了在采矿塌陷区附近地表架设三脚架往往很不稳定，即使通过调节使得三脚架上的圆角三角形盘处于水平状态，而当把比较笨重的三维激光扫描仪安装在三脚架上时，此时由于三维激光扫描仪的较大重量，往往导致三脚架的下端因插入到不稳定的地表表层岩土体而移动，从而使得三脚架的圆角三角盘倾斜而处于不水平状态，甚至有时有可能在测量过程中造成圆角三角盘从测量之初的水平状态变为不水平状态，从而导致测量结果的显著误差，无法应用到工程实际。虽然能在稍微远离采矿塌陷区比较稳定的区域架设三脚架，但是此时由于障碍物遮挡，及三维激光扫描仪架设高度有限而较深的塌陷部位难以被三维激光扫描仪直视的原因，往往难以获取采矿塌陷区地表的全部点云数据，特别是塌坑坑底的点云数据。所以，现有的采用三脚架来架设三维激光扫描仪的方法很难满足对采矿塌陷区的地面沉降进行监测。(2)在现有的三脚架上采用三维激光扫描仪获取采矿塌陷区地表点云数据和采用常用的接触式测量方法GPS定位仪获取基准测站点的三维坐标时，需要人工采用卷尺量取从三维激光扫描仪扫描高度的量高标志和GPS定位仪的天线量高标志到三脚架在地面的对中观测点的距离，这样往往因人为量高时，卷尺两端在对准量高标志和地面的对中观测点时存在显著误差，有时候该误差会达到10mm左右，这样的误差在对于矿区地表变形监测是不允许的，比如，一般采用水准对地表沉降进行测量时的测站误差允许值要求不大于1mm。所以，因人为量取三维激光扫描仪的扫描高度和GPS定位仪的天线高度，造成的误差有时是不满足工程测量要求的。另外，传统的采用三脚架来架设三维激光扫描仪和GPS定位仪的方法，在测量时都需要调节三脚架对中地面上的观测点，整个测量过程耗时长，操作复杂。(3)现有的对三维激光各测站点扫描所得的点云数据拼接的主要方法是依据两测站点之间公共特征点或公共标靶球进行拼接，这样往往会造成各测站点之间点云数据误差的累积，产生的传递误差随测站数增多而增大，极大地降低了扫描数据的精度。因此，为了对采矿塌陷区地表沉降进行长期有效的监测，迫切需要一种基于三维激光扫描的采矿塌陷区地面沉降监测装置和方法，达到准确和高效地获取采矿塌陷区的地表点云数据。
技术实现思路
为此，针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种基于三维激光扫描监测采矿塌陷区地面沉降的方法，该方法使用专门设计的前视基盘、后视基盘、可升降的支腿，装置结构简单，造价低廉。当由于地表变形使得监测墩倾斜时，能够通过实时调节，使得安装在监测墩上的基盘处于水平状态，并且在该装置上可以直接安装三维激光扫描仪，以及通过三角对中座和对中螺丝来安装GPS定位仪，保证在前视基盘上的中心凹盘和其边缘处定位孔里先后安装三维激光扫描仪和GPS定位仪。更为重要的是，本装置可以不需要量取三维激光扫描仪的扫描高度(当把三维激光扫描仪安装在本装置的前视基盘上时，扫描高度为零)，并且能够通过安装在前后视基盘上的激光测距仪准确地获取GPS定位仪的天线高度，大大提高了采矿塌陷区地表沉降监测的便利性、准确性和高效性。可广泛应用于采矿塌陷区地面沉陷长期监测。本专利技术的一种基于三维激光扫描监测采矿塌陷区地面沉降的方法，通过获取测站点与定位点的三维坐标，建立每个测站点获取的三维点云数据的坐标系，将不同测站点获取的三维点云数据基于坐标拼合，在采矿塌陷区周围不同角度观测了采矿塌陷区地表，避免被障碍物遮挡的面和塌坑坑底点的点云数据无法采集的问题，提高了采矿塌陷区点云数据的精确度，能更精确地获得前后时期测量出的采矿塌陷区的地表沉降值。为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种基于三维激光扫描监测采矿塌陷区地面沉降的方法，步骤S01.根据采矿塌陷区的范围和三维激光扫描仪的最佳扫描半径在围绕采矿塌陷区周边附近地表布设多个测站点，相邻两个测站点的间距为两倍的三维激光扫描仪的最佳扫描半径，采矿塌陷区的中心与各测站点的间距不大于两倍的三维激光扫描仪的扫描半径，使以每个测站点为中心位置绘制的所有圆形的面积覆盖采矿塌陷区，每个测站点旁布置相应的定位点，所述圆形的半径为三维激光扫描仪的扫描半径；步骤S02.分别在测站点和定位点埋设两个混凝土监测墩，每个混凝土监测墩的顶端面均竖立有三个可升降的支腿，三个支腿均与混凝土监测墩顶面垂直并呈等边三角分布，测站点的三个支腿顶端续接前视基盘，定位点的三个支腿顶端续接后视基盘，前视基盘和后视基盘顶面靠近边缘位置嵌有圆水平气泡；步骤S03.调节支腿长度使前视基盘和后视基盘水平，在前视基盘上放置三维激光扫描仪，在后视基盘的中心竖立十字螺钉，调节三维激光扫描仪上的目镜，使目镜里的十字标志对准十字螺钉顶端部位的十字丝。然后，通过三维激光扫描仪扫描采矿塌陷区并获得地面三维点云数据，，，，三维激光扫描仪的激光发射处为坐标原点，轴为三维激光扫描仪水平状态时的天顶方向，轴为目镜与十字丝连线的延长线，轴、轴与轴构成右手坐标系，为三维激光扫描仪测得的三维激光扫描仪的激光发射处到激光脚点的距离，三维激光扫描仪扫描时测得的水平和竖直扫描角分别为和，为不同激光脚点的编号；步骤S04.取下三维激光扫描仪和本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于三维激光扫描监测采矿塌陷区地面沉降的方法，其特征在于，步骤S01.根据采矿塌陷区的范围和三维激光扫描仪(5)的最佳扫描半径在围绕采矿塌陷区周边附近地表布设多个测站点，相邻两个测站点的间距为两倍的三维激光扫描仪(5)的最佳扫描半径，采矿塌陷区的中心与各测站点的间距不大于两倍的三维激光扫描仪(5)的扫描半径，使以每个测站点为中心位置绘制的所有圆形的面积覆盖采矿塌陷区，每个测站点旁布置相应的定位点，所述圆形的半径为三维激光扫描仪(5)的扫描半径；/n步骤S02.分别在测站点和定位点埋设两个混凝土监测墩(1)，每个混凝土监测墩(1)的顶端面均竖立有三个可升降的支腿(20)，三个支腿(20)均与混凝土监测墩(1)顶面垂直并呈等边三角分布，测站点的三个支腿(20)顶端续接前视基盘(21)，定位点的三个支腿(20)顶端续接后视基盘(31)，前视基盘(21)和后视基盘(31)顶面靠近边缘位置嵌有圆水平气泡(22)；/n步骤S03.调节支腿(20)长度使前视基盘(21)和后视基盘(31)水平，在前视基盘(21)上 放置三维激光扫描仪(5)，在后视基盘(31)的中心竖立十字螺钉(8)，调节三维激光扫描仪 (5)上的目镜，使目镜里的十字标志对准十字螺钉(8)顶端部位的十字丝(82)，然后，通过三 维激光扫描仪(5)扫描采矿塌陷区并获得地面三维点云数据...

【技术特征摘要】
1.一种基于三维激光扫描监测采矿塌陷区地面沉降的方法，其特征在于，步骤S01.根据采矿塌陷区的范围和三维激光扫描仪(5)的最佳扫描半径在围绕采矿塌陷区周边附近地表布设多个测站点，相邻两个测站点的间距为两倍的三维激光扫描仪(5)的最佳扫描半径，采矿塌陷区的中心与各测站点的间距不大于两倍的三维激光扫描仪(5)的扫描半径，使以每个测站点为中心位置绘制的所有圆形的面积覆盖采矿塌陷区，每个测站点旁布置相应的定位点，所述圆形的半径为三维激光扫描仪(5)的扫描半径；
步骤S02.分别在测站点和定位点埋设两个混凝土监测墩(1)，每个混凝土监测墩(1)的顶端面均竖立有三个可升降的支腿(20)，三个支腿(20)均与混凝土监测墩(1)顶面垂直并呈等边三角分布，测站点的三个支腿(20)顶端续接前视基盘(21)，定位点的三个支腿(20)顶端续接后视基盘(31)，前视基盘(21)和后视基盘(31)顶面靠近边缘位置嵌有圆水平气泡(22)；
步骤S03.调节支腿(20)长度使前视基盘(21)和后视基盘(31)水平，在前视基盘(21)上
放置三维激光扫描仪(5)，在后视基盘(31)的中心竖立十字螺钉(8)，调节三维激光扫描仪
(5)上的目镜，使目镜里的十字标志对准十字螺钉(8)顶端部位的十字丝(82)，然后，通过三
维激光扫描仪(5)扫描采矿塌陷区并获得地面三维点云数据，，，，三维激光扫描仪(5)的激光发射
处为坐标原点，轴为三维激光扫描仪(5)水平状态时的天顶方向，轴为目镜与十字
丝(82)连线的延长线，轴、轴与轴构成右手坐标系，为三维激光扫描仪(5)
测得的三维激光扫描仪(5)的激光发射处到激光脚点的距离，三维激光扫描仪(5)扫描时测
得的水平和竖直扫描角分别为和，为不同激光脚点的编号；
步骤S04.取下三维激光扫描仪(5)和十字螺钉(8)，在前视基盘(21)和后视基盘(31)上放置GPS定位仪(9)和激光测距仪(4)，用GPS定位仪(9)测量GPS定位仪(9)在测站点和定位点的三维坐标，然后，使该三维坐标的高程减去用激光测距仪(4)测得的GPS定位仪(9)的天线量高标志(91)到前视基盘(21)和后视基盘(31)的距离，得到测站点和定位点的三维坐标，分别对应于测站点上三维激光扫描仪(5)的三维坐标，和定位点的三维坐标；
步骤S05.按照步骤S03~S04，用三维激光扫描仪(5)在各个测站点采集点云数据，用GPS定位仪(9)采集各个测站点和定位点的三维坐标，然后把各个测站点和定位点的三维坐标导入到与GPS定位仪(9)配套的坐标数据后处理软件Magnettools中，进行基线解算和网平差，获得各个测站点和定位点在采矿塌陷区坐标系下的绝对三维坐标；
步骤S06.将各个测站点采集的点云数据导入到与三维激光扫描仪(5)配套的点云数据后处理软件MaptekI-SiteStudio，根据GPS定位仪(9)测得的各个测站点和定位点在采矿塌陷区坐标系下的绝对三维坐标，采用绝对三维坐标下的多站点云数据配准算法对各个测站点获取的点云数据进行拼接，具体步骤如下：
步骤J01.选取一组点云数据及对应的测站点和定位点在采矿塌陷区坐标系中的绝对三维坐标，依据采矿塌陷区坐标系中定位点和测站点的水平坐标向量确定对应点云数据在水平平面内的方位，并使采矿塌陷区坐标系中测站点的绝对三维坐标与对应点云数据中的原点平移映射，将点云数据经旋转平移转换到采矿塌陷区坐标系中，使所有激光脚点一一映射至采矿塌陷区坐标系中；
步骤J02.依次选取剩余的点云数据及对应的测站点和定位点在采矿塌陷区坐标系中的绝对三维坐标，重复步骤J01将剩余的各点云数据转换到采矿塌陷区坐标系中，待各拼接点云融合，从而获取整个采矿塌陷区的完整地表点云数据；
步骤S07.对整个采矿塌陷区的完整地表点云数据进行滤波、去噪处理，并生成整个采矿塌陷区的数字高程模型，从而获得整个采矿塌陷区的扫描地形，即获得采矿塌陷区地表各点的高程数据I10，I20，I30，···，In0；
步骤S08.在下一个观测期按照步骤S03~S07重复获取采矿塌陷区地表各点的高程数据I11，I21，I31，···，In1，...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏开宗，陈从新，张褚强，王月，王田龙，刘轩廷，
申请(专利权)人：中国科学院武汉岩土力学研究所，
类型：发明
国别省市：湖北;42