激光测量技术在地表沉降观测中的应用

武鸽

摘 要：传统的采空区地表沉降测量工作时间长，占用大量的人力、物力，基于此笔者对激光测量在采空区地表沉降中的应用进行了分析，文章首先对分析了激光测量的基本原理，其次对数据的获取进行了设计，进而给出了数据数据的流程，最后给出了开采沉陷DEM，激光测量结果与传统的测量结果高度吻合，为采空区地表沉降的观测提供方了一种新的可以借鉴的方法。

关键词：激光测量;地表沉降;观测分析

在对矿井开采后的塌陷区进行测量时，传统的测量方法是在煤矿采空区上布设一定数量的监测点，对监测点的数据进行定时或者不定时的观测、分析，根据监测数据来动态的反映出塌陷区的变化特征，并对还未塌陷的区域的地层移动变化情况进行预测预报[1～2]。传统的地表沉降预测具有技术成熟，应用发广泛等特点，但是也存在工作量大，监测点数量布置有效，数据监测点容易遭到破坏，投入大等缺点。近些年来随着技术的不断发展，测量技术设备也日趋先进，出现了如：测量机器人、差分干涉测量（DinSAR）、GPS-RTK测量技术等[3～6]。激光测量技术是近些年来在测量领域中发展较为迅速的先进技术，具有数据获取快、非接触、高精度直接获取测量对象表面三维数据等显著优势，基于此，笔者对该技术在矿井开采后地表观测中的应用进行分析，以期更好的促进该技术的应用。

1 工作基本原理

激光掃描测量技术中最为明显的优势是面陈密集点云，其能够精细的构建出来的地表模型，且可以精准的确定空间关系，激光测量技术可以快速取得测量对象的变形数据，通过对数据的后期处理，可以得到测量对象精细的三维模型，这些构成了变形监测工作的基础，通过对监测的变形对象进行二次、三次甚至更多次数的监测，通过对监测数据进行对比分析，可以较为快捷迅速的确定监测对象具体位置的变化情况。

2 监测数据获取

监测数据的获取分为2个阶段进行，第一个阶段数据采集采用的设备是Leica HD4400，第二阶段数据采集采用的设备是FARO Focus3D，两个阶段数据采集均是在设定控制网的基础上进行，然后运用激光测量技术进行测量。

第一阶段数据测量。控制网的测量布置为先从A5点算起，依次观测A4、A9、A8、A7、A6、A9。在测量控制点中A4、A8、A9为已安设的测量点，A6、A7是后期测量增加点位，A4、A9、A8、A7、A6、A9构成闭合导线。激光测量数据的采集工作则是在A1、A2～ A9等测量点位上分别假设激光测量仪，对测点周边变形情况进行全方位的扫描，从而取得整个测量区域内的所有扫描点云数据。具体如下图1所示。

第二阶段数据测量。控制网布设如第一阶段数据测量控制点布置一致。激光测量数据的采集工作则是在A4、A5、A6三个测量点上布设激光测量装置，在三个测量点的邻近位置布置4个激光测量的反向标靶，在进行激光测量的同时利用全站仪计算出4个激光反向标靶的具体三维位置坐标，全程共进行21个站点数据的采集。

3 数据处理

3.1 坐标转换及数据整合处理

激光测量装置测得的数据坐标值均可以在设备自带的软件中进行统一的大地测量坐标处理，在第一、第二两个阶段的测量工作中，A4、A5站点都是测量工作的起算点，在后期的坐标及测量数据整合处理中，需要将2个测量点位的测量数据整合到同一个坐标体系中。

3.2 数据降噪处理

数据降噪主要是过滤掉由于植物级其他障碍物等原因产生的噪声点，具体分2个步骤进行处理。第一步是将激光测量结果数据依据测量区的平面坐标划分成64个分区，然后将分区数据分别导入到Cyclone应用程序中，依据操作人员的经验，运用人工交互方法，对明显的噪声点进行过滤，然后再将过滤后的所有分区数据再进行整合到一个整体。第二步是运用中值法来过滤掉低矮植物带来的噪声点，将测量区域划分成0.1m×0.1m的细小网格，对网格内的数据进行中值处理，这就过滤掉了由于低矮植物带来的噪声值。

3.3 数据建模

数据建模是依据克里金插值法对数据进行处理的基础上，以0.2m×0.2m的网格为基础进行数据测重新采集并建立三维模型。

3.4 成果分析

图2是根据测量数据得出的沉降下沉同心圆图，与实际的由于煤层开采引起的地表沉降的形态基本是吻合的，由于测量过程及数据处理中有一部数据存在缺失，导致图2测量结果中部分区域出现一定的混乱现象，在进行数据处理，降噪过程中部分噪声点未被踢出，图2中的小矩形框框出来的区域就是噪声点引起的斑点。但是总体上看，激光测量得到的结果与采用传统测量方法得到的测量结果是十分一致的。

4 总结

激光跟踪测量技术在煤矿开采地表沉降观测中能够较为准确的获取开采沉陷的数据值，开采沉陷DEM可以直观，清晰、全面的反映出开采深陷状态，为采空区地表沉降的观测提供方了一种新的可以借鉴的方法，激光测量结果与传统的地表沉降测量结果高度吻合。采用激光测量进行采空区地表沉降时应十分注重数据的后处理工作，尽量避免由于数据处理给测量结果带来的不利影响。

参考文献：

[1]李永超，高腾飞，李建军，佟文亮.D-InSAR技术在岱庄生建煤矿地面沉降监测中的应用[J].矿山测量，2018， 46（03）：49-53.

[2]孟禹弛.基于雷达影像的矿区地面沉降监测系统的研究与实现[D].北京：中国矿业大学，2017.

[3]成枢.地面沉降变形预计模型与监测技术研究[D].济南：山东科技大学，2005.

[4]田辉.辽阳-鞍山地区典型区域地面沉降现状及其机理研究[D].长春：吉林大学，2015.

[5]王晓琴，刘永芳，李晓旭.三维激光扫描技术在地表岩移观测中的应用[J].矿业工程，2017，15（06）：41-43.

[6]李永强，刘会云，毛杰，牛路标，闫阳阳.三维激光扫描技术在煤矿沉陷区监测应用[J].测绘工程，2015，24（07）：43-47.