基于三维激光扫描的煤矿开采地表监测

李 磊，李建勋，李 旭

(陕西澄合山阳煤矿有限公司，陕西 澄合 715306)

很多煤矿开采需要研究地表的变化规律，降低煤矿开采对地表的破坏和影响，由此延长矿井的开采年限。煤矿开采对地表移动的影响是力学作用的过程，需要进行现场实地监测。煤矿开采一般都位于田野荒地附近，架设的监测仪器经常会被恶劣的自然环境破坏或者丢失，监测过程也因地形多变而出现数据不准、数据不全、数据监测困难等问题[1]。到目前为止还有很多煤矿的地表数据是不完整的。

针对上述问题，传统的解决方案是借助无人机设备动态快速监测，但无人机监测的成本较高，监测预算低的项目无法使用。而使用GPS或地面水准仪的方式进行监测又忽略了煤炭开采的地表监测需要更三维性的问题，煤矿开采造成最多的问题就是地表塌陷，不仅是地表下沉，而且是整个空间下沉的情况。GPS或地面水准仪只能监测到地表下沉的程度，却无法反映下沉的严重程度。

三维激光扫描技术是一种新发展的测量技术，可以代替地面水准仪等平面测量技术进行三维坐标的测量，适合需要空间测量的地区。三维激光扫描技术采集数据的速度非常快，可以避免仪器因长时间处于田野荒地而被破坏[2]。三维激光扫描技术的应用需要一定的设备支持，包括激光扫描仪、外接电源、PC机以及三角支架。通过各种设备的协作可以实现高密度、高速度、高精度扫描，从而获取煤矿地表相关数据。从传统的测量塌陷点变成了测量塌陷面，使检测数据更加具体、全面，而且不需要将测量点建设在农田当中，避免了占用农田，做到了绿色和环保监测。

1 三维激光扫描仪运行原理分析

三维激光扫描仪应具备两项基础功能：测距功能和扫描功能，将两项功能搭建在同一个系统当中，还应对采集的地表检测图像数据进行校验，因此，还应包含集成数字摄影设备和图像识别校正系统。在三维激光扫描仪的测距过程中，应用的原理为TOF脉冲原理。首先利用激光扫描仪按照坐标进行地表数据的扫描，获取扫描目标点是通过云数据的进行确定的。发射装置每秒要发出以百万计的扫描激光束，地表接收到这些光束后，激光脉冲在地面发生脉冲作用，并由地面的接收装置对反射后的脉冲进行接收，经由仪器获得相应的地表数据。地表的坐标获取通过三维激光扫描脉冲反射时间和激光传播速度等条件进行获取。激光脉冲横向扫描角度值设定为α，纵向扫描角度值设置为β。从三维激光扫描仪的内部系统进行各激光脉冲接触点的坐标的获取，直角坐标方式的数据可以通过以下公式进行计算：

(1)

式中：Cg为地表监测的三维激光扫描仪的激光在无阻碍的前提下的传播速度；t为扫描仪的扫描时间；Co为三维激光扫描仪的激光在无阻碍且真空的情况下的传播速度；ng为该三维激光扫描仪的特性参数。

三维激光扫描仪由时间计数器、激光发射器、信号接收器、反射镜、水平位移控制器、微型计算机和相机组成。其中反射镜的动力设施为马达，反射镜可以进行360°自动旋转[3]。相机与微型计算机相连，三维激光扫描仪的动力驱动可以进行两种选择，直接连接外接电源或自带电池，根据现场的具体情况可以随意切换。当使用外接电源工作紧急停电时，切换内置电池工作不会导致机械骤停，监测工作不会中断。三维激光扫描仪的支架只需要购买市面上对应型号的支架即可。

三维激光扫描仪可以进行自由旋转和摆动。微型计算机中安装的软件应为数据处理软件和Point cape软件。三维激光扫描仪的扫描速度可以达到8 000点/s，在天气晴朗的条件下扫描距离可达到500 m，扫描仪在反射镜进行90°旋转的情况下扫面距离也有正常扫描距离的一半。而在多云、光线不足的天气或阴雨天，扫描距离最远可达到300 m，反射镜进行90°旋转的情况下扫描距离可达到150 m左右。测量水平倾角小于12°，竖直倾角小于15°[4]。三维激光扫描仪的观测站点需要建立三维坐标系，如图1所示。

图1 三维坐标示意

取采样点命名为P，以P为中心建立直角坐标系(X，Y，Z)，取另一个检测点为S，扫描仪扫描的光线与X轴之间的夹角为b，S点与P点连线与X轴形成的夹角为a。坐标系的计算公式如下：

(2)

采用上述三维激光扫描仪进行煤矿开采地表监测，应将煤矿开采地区需要监测的区域设置为4个导线点，扫描顺序由一端的导向点向另一端的导线点依次进行扫描。水平位移控制器先控制各导线点的高程，然后扫描仪开始扫描数据，并将数据进行坐标转换[5]。

2 地表监测的三维数据获取

三维激光扫描仪将中心扫描点的坐标定为0，获取测量数据的流程如下：

数据获取可分为点坐标的获取和空间坐标的获取。这就涉及两期数据的采集，第一期数据的采集需要先布置扫描控制网，以坐标0点为起算点，在闭合导线上设置6个观察点，其中4个为常用观察点，2个为变化观察点[6]。变化观察点随着常用观察点的扫描顺序而变化，变化原则是一直围绕在常用观察点的两侧。在常用观察点上架设三维激光扫描仪，确保扫描仪旋转一周可以覆盖整个需要扫描的范围，完成第一次点坐标的数据采集。

图2 测量获取数据流程

在三维激光扫描仪点云数据的获取过程中，最重要的特征就是保证地表数据的完整性。因此需要对目标地点进行多视点的扫描，对云数据的精度影响最大的因素是三维点云空间数据的获取准确性。第一影响准确性的因素为激光束发射密度，在其他条件不变的情况下，激光束发射密度越大精确性越高。第二个影响激光扫描精度的因素为扫描仪与被观测地表之间的距离，在物体和扫描仪的距离保持不变的情况下，为提高三维地形点云数据的精准性，提升激光速发射的密度。但物理方式提升数据的精度存在弊端，最严重的一个技术缺陷是在监测的地表和激光光束之间有很多无法规避的障碍物。激光束在半路被阻拦，无法到达所监测的地表表面，此时扫描仪收集的数据就会存在数据缺陷。因此在增加光束密度的基础上，还应对地表进行多次扫描，变换角度进行扫描，降低数据缺失的概率。设置多角度扫描的关键点，每个扫描站点设置5个扫描关键点。将扫描的激光点云数据在扫描点拼接起来，高密度的点云数据比普通的点云数据精度更高。数据中包含很多错点、杂点、虚点，必需对数据进行处理，对错误数据进行剔除。基于上面说到的4个常用观察点，以坐标0点向X轴方向，距离为扫描仪直径的坐标点为第二个检测点。增加变化观察点的个数，由两个变化观测点变为3个，3个观察点连接呈三角状围住常用观察点进行扫描[7]。在常用观察点上架设三维激光扫描仪，并在变化观察点上放置反向标靶，反向标靶呈三角围绕三维激光扫描仪，16个观察点可同时进行数据采集。

将采集到的数据进行坐标转换，例如将点坐标Pa转换为空间坐标Pb，参照下面的公式：

Pb=(1+o1)Pa+△PⅡ

(3)

式中：o1为参数尺度；Pa为扫描仪的常用坐标点；△PⅡ为各监测点在坐标原点的统一坐标。通过公式进行坐标转换后，点坐标变为三维坐标。

3 地表监测的三维数据处理

数据处理步骤分为数据修改、坐标纠正、数据过滤和三维建模，最后通过单位建模的模型产品进行最终监测结果分析。

数据处理采用的是在计算机上提前安装好的Geomagic Qualify数据分析软件，将转换好的数据输入到该软件当中，扫描仪可在短时间内获取大量的数据，扫描仪对获取的数据进行无差别采集，在进行数据分析的时候首先要对目标之外的数据进行删除。只要将目标数据的特征输入计算机当中，它就会自动将错误的数据进行删除，为避免在删除中出现误删的情况，删除的数据暂时被储存到回收站当中，需要人工进行核对之后才能清空回收站[8-9]。

正确的数据中也存在因为扫描范围重叠而收集来的重复数据，虽然这些数据对后续的结果分析没有任何影响，但是会加大计算机的运算量，占据内存，所以重复的数据也应该删除，提升数据分析的效率。坐标纠正是数据处理中比较关键的环节，三维扫描将目标物的扫描数据统一成空间坐标后，进行坐标数据拼合[10]，省去了点坐标绘制平面图，再将平面图转化为三维图的过程，直接省去绘制平面图的步骤，将坐标进行拼合。

数据过滤看似和数据删除的功能相似，但区别很大，数据删除是指将非目标数据进行删除，而数据过滤是将正确数据中的噪声进行过滤。噪声可能是在获取数据时的合理误差带来的，也可能是扫描仪扫描的过程中带来的。噪声数据如果不进行降噪处理会造成曲线不光滑、三维模型精度低等结果。数据处理过后可以进行格网的建立。由于数据的离散性，需要将相邻的点数据进行连接，三维模型中的数据没有拓扑关系，所以在格网建立的时候要提前建立好数据之间的关系。将三维的离散数据投影在平面上，为模型的建立做准备[11]。在Geomagic Qualify数据分析软件中数据可以多种格式输入，该数据分析软件可以自动生成监测报告，数据分析结果中数据和图形一应俱全，可以满足大部分工作对煤矿开采地表监测的需求。

4 实例分析

为了验证基于三维激光扫描的煤矿开采地表监测方式和传统GPS监测方式相比，哪种方式误差最小，用两种方式对同一块煤矿开采区进行地表监测，对比数据误差率。基于三维激光扫描的监测方法的应用如上述分析，而GPS监测方法则需要布设观测站，具体方法参见文献[9]。

4.1 实验区基础信息

某采用顶煤开采方式的煤矿，煤矿走向长500 m，煤矿的整体可开采面积为3 659 m2，煤矿倾斜长度为走向长度的一半，煤层平均厚度为5.5～7.5 m，煤层存在一定倾角，倾角最大的地方不超过15°，煤层的顶板厚度为100 m，煤层上覆盖的多为黏土层和细沙层。

4.2 实例监测结果

使用传统方法和基于三维激光扫描的煤矿开采地表监测方式对上述煤矿进行地表监测测试，对比集中方式的检测误差率，实验结果见表1。

表1 误差率对比 单位：%

由表1可知，三种方式的数据误差不相上下，但两种方式的坐标误差就远远大于本文设计的方式。因此也导致本文设计的方法比传统方法误差率小。

另外，使用三维坐标展示煤矿监测情况，X轴、Y轴、Z轴的监测情况如图3所示。

由图3可以看出，坡顶部分沿着X轴方向有变化，也有向坡底运动的趋势，最大水平移动量为1.132 6 m，坡顶也在向Y轴正方向移动，最大水平位移为0.413 9 m，但坡底是沿着Y轴负方向移动，坡顶Z轴负方向位移较大，最大位移为-2.112 7 m。由此可以看出，运用三维激光扫描技术不仅可以清晰地看出不同方向上煤矿的变化情况，也可以对煤矿开采时期的地表情况进行监测。由此证明本文设计的方法对煤矿开采地表监测结果准确性较好，具有实用性。

5 结 语

为解决传统GPS监测方法中存在的问题，将三维激光扫描技术应用于煤矿开采地表监测中。将传统GPS监测对点和地面水平面的研究转化为对三维立体图像的研究，解决了野地荒田监测困难、信号弱导致数据收集不全的问题。文中不仅从理论层面分析了本文设计方法的可行性，还通过对比实验证明了基于三维激光扫描监测方法的可行性、实用性。希望通过本文研究为煤矿开采地表监测提供新思路。

图3 煤矿监测三维图