矿区沉陷车载式激光测量方法技术

本发明专利技术公开了一种面向矿区开采造成的地表沉陷监测需求，车载式激光三维扫描仪、激光线扫描系统与激光点测距系统高效集成的矿区沉陷车载式激光测量方法。利用本发明专利技术对矿区沉陷区进行连续观测，建立沉陷区地表高精度三维模型，基于时间序列进行地表高程差异检测，自动识别出沉陷区域，提取出沉陷特征；进而建立矿区沉陷三维可视化模型，对观测点在水平、垂直以及任意方向上的空间三维移动向量及变形曲线进行分析，实现对沉陷范围变化、最大下沉区变化、下沉速度变化的时间序列分析和空间三维分析评估，为矿区地质环境的监测及恢复治理提供决策依据。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于矿山测量领域，特别是矿区沉陷区测量领域，涉及一种，尤其是利用激光点测距、激光线扫描、激光三维扫描以及GPS/MU/加速值组合补偿技术的。
技术介绍
矿产资源的大规模开发和利用，给人类带来巨大的社会效益和经济效益的同时， 也给人类的生产和生活造成一系列的环境问题和开采损害。矿区开采沉陷是由于矿物开采后形成采空区，其上部岩层在重力等作用下发生冒落、断裂、挤压、弯曲、移动等变形，传播到地面形成的，是主要的人工地质灾害之一 。矿区地表沉陷发生在地下开采上方和露天开采活动附近区域。地下开采导致了大面积采空区，采空区面积扩大到一定范围后，岩层移动发展到地表，使地表产生移动和变形。在开采影响波及到地表以后，结果是受采动影响的地表从原有标高向下沉陷，从而在采空区上方地表形成一个比采空区面积大得多的沉陷区域，称为地表移动盆地，危及周边工业企业与民居建筑的安全。矿区开采引发的地面沉陷灾害，直接破坏了地表土地的自然状态，形成地表裂缝，改变了地表大气降水径流和汇水条件，影响灌溉，降低了土地可耕性，加剧荒漠化程度，降低了土地使用价值；而且由于水平变形和不均匀沉陷，造成沉陷区内工业和民用建(构)筑物、水利设施、交通设施等产生裂缝和扭曲等变形，直接影响人们的安全生产和日常生活，还可能引发地表突然坍塌，带来灾难性的后果。矿区开采引起的地面沉陷是一个复杂的过程，要认识这一复杂过程中包含的规律，必须对开采沉陷的野外数据进行大范围、高分辨率、高精度的采集、整理和分析，在精确的实测资料基础上，研究并建立各种预测计算模型。因此，沉陷监测是开采沉陷研究至关重要的课题。高效、快速、高精度的沉陷监测数据可为地面沉陷灾害预测、损失评估提供可靠的依据，进而为地面沉陷提供合理的治理措施，从而有效地控制沉陷，降低地面沉陷造成的损失。“十二五”期间，中国在资源和环境领域的发展目标是到2015年，新建和生产矿区的地质环境得到全面治理，历史遗留的矿区地质环境恢复治理率达到35%以上。在矿区地质与地表环境的监测及恢复治理工作中，矿区开采沉陷的快速高精度监测是重要组成部分，也是对科技提出的重大挑战，亟需研发矿区地表沉陷的快速高精度监测成套技术系统， 突破地表沉陷高精度自动化监测关键技术，为构建数字矿山提供支撑。提升我国应对矿区地质灾害的能力、装备和技术条件，为矿区地质与地表环境的动态监测及恢复治理工作做出贡献。研究现状早在19世纪中叶，矿区开采沉陷问题就已受到人们关注。1860年德国铁路部门为验证地下开采对铁路的影响，在鲁尔矿区对铁路进行了下沉测量；19世纪末期开始，前苏联、波兰、德国、澳大利亚、英国、加拿大、日本和美国等国家，对开采引起的地表沉陷变形规律进行了深入的研究，并取得了丰硕的成果。我国地表沉陷变形规律的研究工作始于20 世纪50年代，开滦“黑鸭子”观测站的建立标志着我国开采沉陷变形观测及其研究的开始； 其后，开滦、抚顺、阜新、大同、峰峰、焦作、淮南、平顶山、芙蓉等矿区先后制定了地表移动观测规划，并建立了一批岩层与地表移动观测站。回顾矿区开采沉陷，其监测技术手段已由传统的经纬仪测坐标、钢尺测边长、水准仪测高程发展到使用全站仪、测量机器人进行岩移测量。近年随着空间对地观测技术的发展，传统测量方法已逐渐为GPS监测方法所替代，较好地解决了地表某点连续动态变化监测的问题。尽管利用GPS并结合常规测量手段可以取得较高的精度，但仍然面临一些基本问题1)GPS在时间域上的分辨率很高，但在空间域上的分辨率无法达到很高；2)要对大范围沉陷区域进行监测，必须布设和维护大量的监测点，需要投入大量人财物；3)基准点的稳定性；4)野外观测作业周期长；5)垂直向精度较低；6)由沉陷点、线数据构建沉陷面必须经过数值内插，难以保证结果的精度等。因此，迫切需要改进目前的监测方法，研制新的高精度自动监测手段。SAR(Synthetic Aperture Radar, SAR)是一种使用微波探测地表目标的主动式成像传感器，具有全天候、全天时成像能力，并能穿透某些地物表面。SAR图像的每一分辨元的影像信息记录地表反射的能量大小和相位信号，一般以复数表示，故称之为单视复影像(SingleLook Complex, SLC)。由于 D-InSAR(Differential SAR Interferometry, D-InSAR)测量的距离向变化是一定面积的空间平均变化的估值，适合从长时间尺度上表达整个区域场的沉降趋势，且测量精度达毫米级，近年来在城市地表沉降研究中得到了广泛的应用。然而，矿区地表沉陷与城市地表沉降和地下流体运移引起的地表沉降过程有所不同。城市地表沉降和开采地下水和石油等引起的地表沉降是一种慢渐变、累积的沉降过程，而矿区地表沉陷过程相对比较集中，其变形量和变形速度均较城市等地表沉降更为明显，破坏性也更大。矿区地表沉陷发生的过程主要在开采区域开始回采后并延续至开采活动结束后的一段时期内。其过程分开始阶段、活跃阶段和衰退阶段。在矿区开采的开始阶段和衰退阶段，由于每天的沉陷量较小，因此可以一月进行I 2次观测。 然而在活跃阶段，由于每天的沉陷量最大可以达到20 30mm，甚至更大，在这些沉陷剧烈的成像区域，D-InSAR干涉图将表现出一系列紧密的干涉条纹，引起干涉相位混叠现象，无法有效地进行沉陷测量。而从开采沉陷的整个地表移动过程中，活跃阶段要占到80% 左右的时间，因此D-InSAR观测技术目前还无法支撑矿区地表沉陷监测的业务化运行。20世纪90年代初，以LiDAR(Light Detection And Ranging)为代表的空间对地观测技术在三维空间信息的实时获取方面产生了重大突破。机载LiDAR技术比较适合矿区大范围区域的测绘工作，多用于矿区的DEM数据生产，测量精度为分米级，不能满足地表沉陷监测毫米级的精度要求，而且飞行成本较高；地面激光扫描测量精度较高，但是测量范围相对较小，无法满足矿区大范围区域沉陷监测工作需要。“十二五”期间，我国将重点规划建设13个亿吨级煤炭基地，这势必会造成更大的区域性环境影响，产生更多、更大、更复杂的地面沉陷问题。为了矿区的可持续性发展， “十二五”期间我国将建成十个矿区监测示范区，建立国家级矿区地质环境动态监测网，建立定期监测与应急监测相结合的国家、地方和矿山企业三级监测体系，建设全国矿山地质环境动态监测信息系统和数据库，以实现对我国矿山地质环境动态变化趋势的有效监控， 而采用新技术和新方法来监测、分析和治理矿区地表沉陷是重要任务之一。通过激光三维扫描获取空间信息的技术又称“实景复制技术”，它可以对复杂的环境及空间进行扫描操作，并直接将各种大型的、复杂的、不规则、标准或非标准的实体或实景的三维数据完整的采集到计算机中，进而重构出目标的三维模型以及点、线、面、体、空间等各种制图数据。激光三维扫描是集光、机、电和计算机于一体的非接触测量技术，激光扫描测量技术具有测量速度快、自动化程度高、分辨率高、可靠性高和相对精度高的特点，与传统测量方式相比具有很大的优越性，显著地提高了生产效率和质量，是最直接的、最具潜力的三维模型数据自动获取技术。我们认为，将快速机动的车载移动测量与高分辨率、高精度激光测量技术进行高效集成，不受时间和空本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：吴立新，王植，
申请(专利权)人：吴立新，王植，
类型：发明
国别省市：