三维激光扫描技术在地表沉陷监测中的应用

首先阐述了三维激光扫描系统的数据采集流程,然后介绍了点云去噪、配准、拼接等数据预处理的方法,并将三维激光扫描技术与RTK技术相结合应用于地表开采沉陷监测中。实践表明,利用三维激光扫描技术可以满足矿区地表开采沉陷监测的需要。     

矿区开采沉陷预计的Geomagic法

利用三维激光扫描技术监测矿区开采沉陷,效率较高,但观测点云数量大、处理困难,目前缺乏成熟的软件进行矿区点云数据分析。为有效处理沉陷区的点云数据并实现沉陷区3D比较、剖面分析和开采沉陷预计参数求取,提出了一种矿区开采沉陷预计的Geomagic法。以某矿为例,首先利用Geomagic Studio软件建立了矿区数字地面模型(Digital terrain model,DTM);其次研究了开采沉陷发生前后的矿区数字地面模型3D对比方法,利用Geomagic Qualify软件分析得到沉陷区地表下沉三维视图;然后对地表下沉三维视图进行了剖面分析,提取走向方向与倾向方向的剖面点下沉值;最后利用剖面点下沉值求取了开采沉陷预计参数,并计算了剖面点的下沉预计值,将下沉预计值与提取的下沉值进行了对比分析,可知下沉拟合准确度达到92%,表明计算出的开采沉陷预计参数具有较高的精度,对于进一步推动三维激光扫描技术在矿区开采沉陷监测预计方面的应用有一定的参考价值。     

三维激光扫描技术在矿区沉陷土地复垦方案研究中的应用

三维激光扫描技术从出现到发展已有一段时间,但其应用尚处于起步阶段,尤其是在矿山开采沉陷领域。文中利用三维激光扫描技术对煤矿矿区地表大片沉陷土地进行数据采集,再通过对海量点云数据的拼接、滤波等的处理,得出沉陷地的精细地形图,进而实现矿区土地复垦方案的设计。     

基于机载LiDAR点云C2C算法的矿山沉陷监测研究

针对地表移动观测站和InSAR技术手段在矿山开采沉陷监测的局限性，利用机载激光雷达(Light Detection and Ranging, LiDAR)采集沉陷区三维点云数据，通过多时相点云构建地表数字沉陷模型(沉陷DEM),获取地表的移动变形特征。然而构建的沉陷DEM包含多种来源复杂且难以去除的噪声，限制了该技术在矿山开采沉陷监测的应用。提出将机载LiDAR点云直接比较的算法(Cloud to Cloud, C2C)进行矿山开采沉陷监测，以榆神矿区某工作面为研究区，将同期水准观测数据作为参考数据，并与三种主流点云插值算法构建的沉陷DEM进行对比，验证该算法的可行性和精度。结果表明，C2C算法能够快速获取高精度的沉陷值，其沉陷精度明显优于通过点云插值算法获取的计算结果，下沉曲线符合矿山开采沉陷的一般规律。该算法可以达到厘米级的精度，为矿山地表移动变形监测和生态环境修复提供了新的参考方案。     

我国矿山测量领域三维激光扫描技术的应用现状及存在问题

三维激光扫描作为一种非接触式测量技术,近年来在我国矿山测量领域得到了广泛应用,涉及了矿区边坡监测、露天矿储量管理、地表沉陷监测等方面。结合近年来的相关研究成果,系统分析了我国矿山测量领域三维激光扫描技术的应用现状,并对存在的问题进行了探讨。研究表明：矿山测量工程应用及科学研究中使用的三维激光扫描设备与配套软件以国外进口为主,国产设备与软件较少;从数据采集、处理、成果应用等方面分析,主要存在的问题有采集数据质量不佳、点云数据匹配精度有待提高、点云数据滤波算法精度不高、特殊监测领域的应用成果不明显等。在上述分析的基础上,认为该领域的主要研究方向为：①高精度的空天地一体化数据采集方案,如InSAR、LiDAR、倾斜摄影测量与地面三维激光扫描技术相结合;②具有自主知识产权的点云数据处理软件开发,包括点云数据智能匹配算法、智能化高精度点云数据滤波算法等;③三维激光点云数据后期成果应用,包括面状地物变形监测理论与方法、大数据技术与人工智能技术相结合的三维激光扫描实时动态监测方法。总体来说,进一步推进三维激光扫描技术在我国矿山测量领域的应用,有助于大幅提升相关工程技术人员的空间三维数据处理能力,进而提高工作效率。     

基于三维激光扫描技术的矿区建筑物变形监测方法

传统变形监测方法存在工作量大、监测点难以保护、监测时间长等不足,与传统监测方法相比,三维激光扫描技术具有非接触、高密度、高精度、信息量大、快速获取物体表面三维空间坐标等优点。结合相似材料模型试验,提出了基于三维激光扫描技术的矿区建筑物变形监测思路。首先采用全站式三维激光扫描仪分别对二维相似材料模型在5个不同开采时段进行整体扫描,将扫描数据通过点云数据后处理软件进行预处理,从中提取模型上黑白靶标即变形监测点的三维坐标;然后结合MATLAB语言编程,实现监测点由假定坐标到目标坐标的自动化转换,提高点云数据处理效率;最后根据试验得出的变形监测思路,对某矿区水塔进行了变形监测,并与全站仪的监测数据进行了对比分析。研究表明:采用三维激光扫描技术获取的水塔变形监测数据与全站仪获取的监测数据的最大误差仅为1.8 mm,远小于沉降变形监测10 mm的精度要求,可见对矿区建筑物采用三维激光扫描技术进行变形监测具有可行性。     

基于激光点云的沉陷区水平位移求取方法研究

三维激光扫描技术可用于监测沉陷地表或地物的垂直方向沉降,但由于缺少同名点信息,很难利用激光点云数据监测沉陷区的水平移动。通过构造水平移动的虚拟监测点,提出了一种水平移动的求取方法。首先,以房屋的移动量代替地表的移动量,将房屋点云的重心作为虚拟监测点;然后,以房屋特征点为参照对开采前后房屋点云数据进行人工粗配准,再使用ICP配准算法进行精确配准;最后,求取配准前后虚拟监测点的空间位置差值,从而求出水平移动量。通过实测点云数据对该方法进行应用研究,证明了该方法的有效性。     

三维激光扫描与DInSAR联合监测矿区地表动态沉降方法

为解决SRTM DEM(分辨率30 m)与雷达影像分辨率不匹配降低了DInSAR地表形变监测精度的问题,研究了1种三维激光扫描与DInSAR联合监测矿区地表动态沉陷方法。该方法首先利用地面三维激光扫描点云数据构建高分辨率、高精度DEM,然后由低分辨率SRTM DEM内插补充数据缺失区域以获取整个研究区域DEM,最后将其与高分辨率SAR影像进行时序差分处理,获取矿区地表动态沉降监测数据。利用覆盖某矿5景3 m分辨率的TerraSAR-X影像进行了验证。结果表明:相比现有的SRTM DEM监测结果,该方法减小了DEM误差对形变结果的影响,实现了矿区大范围、高精度、动态的地表沉降监测,具有较好的应用价值。     

三维激光扫描技术在开采沉陷监测中的应用

文中介绍了三维激光扫描系统的工作原理及在沉陷监测中的数据处理方法。针对三维激光扫描技术在沉陷监测中应用的精度问题,运用三维激光扫描技术对沉陷区进行监测,并将提取的下沉值与同期部分水准测量数据作比较分析。结果表明:三维激光监测所得到的沉陷情况与实地情况基本相符,能反映开采沉陷量及矿区沉陷趋势。文中还分析讨论了三维激光扫描技术在沉陷监测中技术优势和存在问题,对三维激光扫描技术在沉陷区监测中的实际应用具有参考辅助作用。     

三维激光扫描技术在国内矿山领域的应用

介绍了三维激光扫描技术在矿山采空区、矿山边坡、矿 山爆破、矿山开采沉陷、矿山储量５个领域的应用现状,着重 分析了实际应用中存在的问题,分析了点云数据获取高质量 化、点云覆盖范围最大化、点云数据处理高精度化的发展趋 势,指出三维激光扫描技术与新型测量技术和人工智能算法 相结合,开发数据处理软件融入矿山数据管理平台是实现智 慧矿山的重要保障.     

融合概率积分模型与D-InSAR的开采沉陷预计

矿区地表植被多,开采沉陷速度快、量值大,所产生的地质灾害较一般性的地表沉陷严重,极易使得2景SAR影像失去相干性,造成解缠错误。针对矿区SAR影像相干性较低、下沉盆地中央相位值易丢失的情况,结合合成孔径雷达干涉差分技术（Differential interferometric synthetic aperture radar,D-InSAR）和基于遗传算法的概率积分模型,提出了一种矿区开采下沉盆地预计方法。以该方法利用矿区下沉盆地边缘一定数量的相干系数较高且下沉较明显的D-InSAR监测值和下沉盆地中央最大下沉点与拐点附近的少量观测值对某矿II3720工作面进行试验,首先利用概率积分模型反演概率积分法预计参数并采用遗传算法进行多次优化,然后利用得到的参数对该工作面下沉盆地进行模拟预计,结果表明：通过该方法得出的下沉盆地参数及下沉值与实测值较接近,有助于弥补由于矿区SAR影像干涉效果不佳而导致的预计精度不高的不足,通过少量的观测数据可较为有效地预计矿区下沉盆地,对于提高矿山开采沉陷监测与预计的精度有一定的参考价值。     

Mining subsidence monitoring using the method of combining InSAR and GPS technology

Attempted to conduct a dynamic monitoring research on coal mining subsidence in western mining areas by using the method of combining D-InSAR and GPS technology. The observation points were installed on the main section and the three-dimensional coordinates of the points were measured by using the method of dynamic differential GPS. Meanwhile, the radar images of this subsidence area were processed by using the method of interferometry with daris software, and the interferogram of the subsidence area was obtained. Through this study, the GPS monitoring data and the InSAR deformation data were integrated and the dynamic subsidence contours of the experimental area were obtained. GPS/InSAR fusion technology provides a new technological means for large-scale dynamic monitoring of coal mining subsidence in western mountainous mining areas and shows good application prospects in coal mining subsidence monitoring and disaster warning.     

基于VB的某铁矿山地表沉陷预警信息系统开发

为减少矿山地表开采沉陷对矿区居民生活及生态环境的影响,采用VB语言开发了矿山地表沉陷预警信息系统。针对GIS软件的使用兼容性,以MapX为开发平台、VB为开发环境,采用ID编码关联技术建立了逻辑数据库,结合沉陷理论模型、概率积分模型、预警模型以及集成二次开发技术,采用可视化开发工具 Visual Studio 2008开发并实现了数据可视化入库。详细分析了该系统的数据库设计、系统结构及功能设计流程,并结合安徽某铁矿山实测数据,绘制了该矿区走向和倾向的地表下沉、水平移动、曲率、倾斜、水平变形曲线图。研究表明：该系统能够准确计算各监测周期的地表沉陷最大值,并与预警极限值进行对比计算,通过曲线图直观地显示出地表沉陷监测点的下沉情况,初步判断是否超过预警值,最终实现地表沉陷预警,对于确保该矿山安全生产有一定的参考价值。     

综合GPS技术与灰色模型的西郝庄铁矿开采沉陷预计

矿区开采产生的空区易引发地表沉陷、塌陷等一系列地质灾害问题,严重威胁矿区及周边生态环境。以西郝庄铁矿为例,在分析矿区地质特征的基础上,基于GPS监测技术原理,构建了西郝庄铁矿地表沉陷监测网;然后采用该GPS沉陷监测网获取的监测数据,基于灰色理论构建了G（1,1）沉陷预计模型,给出了监测点的沉陷预计公式;最后通过Matlab软件构建了矿区数字高程模型,并对矿区地表沉陷较严重的部位进行了预计。研究表明：①矿区大部分区域的累计沉陷值基本小于40 mm,发生地面塌陷的可能性较小,CD3#、CD4#、CD5#、CD6#点附近沉陷值较大,约60 mm;②G（1,1）模型的预计值与实测值的误差分别为1.38%（CD3#点）、0.56%（CD9#点）,预计值和实测值构建的矿区数字高程模型基本一致,表明G（1,1）模型对于矿区开采沉陷的预计有一定的精度。     

InSAR测量技术在矿区地表沉降监测中的应用

为了探讨InSAR测量技术在矿区进行地表沉降监测的可行性,首先采用传统的GPS测量矿区的地表沉降情况,并获得GPS地表沉降监测数据,然后采用瑞士的GAMMA软件处理矿区的主辅两景InSAR影像,通过相位解缠等操作最终得到矿区地表的沉降图。以淮北某矿区一个工作面的地面观测数据为例,通过仿射变换进行坐标转换把地面上GPS观测点转换到对应的InSAR栅格数据阵列中,对比分析二者的观测数据,可以发现InSAR监测结果与GPS观测结果具有一致性,能够满足矿区地表沉降监测的精度要求。     

三维激光扫描技术在沉陷监测中应用问题探讨

为了研究三维激光扫描在沉陷监测中应用的可行性、监测精度以及参与求参点的密度,采用三维激光扫描仪对开采引起的地表沉陷进行了观测,得到了整个区域的下沉值,通过设置部分固定测点,得到水平移动值.对这些数据,基于概率积分模型,使用非线性最优化方法求取了参数.研究结果表明:三维激光扫描可以应用于沉陷监测,获取沉陷盆地;监测精度可以达到毫米级,满足沉陷监测的要求;当采样间隔与采深之比达到2%时,即可求得稳定的与下沉值相关的参数,通过在工作面4个角点分别设置2～3个固定测点可获得水平移动系数.     

星村煤矿大采深极不充分采动条件下开采沉陷规律研究

星村煤矿约80%煤炭资源被村庄压覆,村庄压煤的合理开采是矿方面临的一项重大课题。为切实掌握本矿的开采沉陷规律,在东翼一采区布置了地表移动观测站,并进行了相应的地表移动与变形监测,取得了较为完整的地表移动变形观测资料。分析了该矿的地质采矿条件,对一采区地表移动变形观测资料进行拟合计算与分析,得出如下结论:该矿千米大采深极不充分采动地表移动具有下沉平缓、下沉速度慢、移动期相对较长、无活跃阶段等特点。     

基于D-InSAR技术和灰色Verhulst模型的矿区沉降监测与预计

针对在地形复杂的矿区沉降观测资料不易获取的问题,将合成孔径雷达差分干涉技术（D-InSAR）与灰色Verhulst模型相结合,提出了一种矿山开采沉陷监测和预计方法。该方法首先对覆盖大柳塔煤矿某工作面的12景TerraSAR-X雷达数据进行D-InSAR处理,获取观测站沉降值;然后根据沉降量与时间的关系建立了基于灰色Verhulst模型的预测函数,对开采沉陷发展规律进行分析。试验结果表明：3个测试点D-InSAR监测数据的绝对和相对误差分别为2.8~15 mm,0.9%~6%;结合灰色Verhulst模型预测的绝对和相对误差分别为3.4~18.8 mm,1.2%~5.7%。上述研究结果进一步表明,所提出的方法可有效弥补矿区沉降实测数据的不足,为实现矿区开采沉陷监测和预计的一体化软件设计提供参考。