基于三维激光扫描技术的矿山高位边坡变形监测方法

李江涛 LI Jiang-tao

（苏尼特金曦黄金矿业有限责任公司，苏尼特右旗 011299）

0 引言

矿山高位边坡变形的复杂性和不可控性，常常威胁着施工人员的人身安全和财产安全。再加上环境因素及特定条件的催化，对于矿山开采进度造成了极大的不利影响。为解决上述问题，相关人员根据矿山边坡的实际情况，设计了变形监测方法，例如文献[1]和文献[2]提出的T-样条曲面拟合高位边坡变形监测方法、DIC 高位边坡变形监测方法，这两种监测方法虽然可以实现预期的检测目标，但是更加容易受到外部因素的干扰，导致监测的定向序列以及采集数据出现突变异常，导致监测粗差增加[3]。不仅如此，传统的边坡变形监测形式还存在单一、不稳定等问题，在实际中缺乏有针对性监测粗差解决档案，难以在不同的背景下对监测数据序列中的粗差进行有效检测和剔除[4]。为此提出对基于三维激光扫描技术的矿山高位边坡变形监测方法的设计与验证分析。

1 基于三维激光扫描的矿山高位边坡变形监测方法设计

1.1 布设多目标监测节点

需要根据实际的监测需求及标准，综合三维激光扫描技术，设定多目标的监测节点，以此为后续的监测数据采集和预处理奠定坚实的基础[5]。通常情况下，监测节点的部署一般是根据边坡的区域及划定的范围而布设的，需要具备一定的针对性和稳定性。可以先进行监测边缘值的测算，如公式（1）所示：

公式（1）中：Q 表示节点监测区域边缘值，m 表示预设范围，n 表示节点监测区域实测范围，κ 表示堆叠监测距离，表示定向采集覆盖范围。根据上述测定，完成对监测边缘值的测算。

调整横向的监测距离长为15.5km，宽度为7.5km。将控制网络划分应用等级A 和B 级，连接部署初始监测基点和接电脑，采用坐标精度不低于1m 的WGS-84 对具体变形位置进行定位。随后，根据矿山的边坡的具体情况，调整原本的监测基点位置，对重要位置进行重新测绘，新测点也将作为GPS 系统的核心监测点，其主要布置在矿山的高位边坡上。接下来，融合三维激光扫描技术，搭建多目标监测节点的部署结构，如图1 所示。

图1 多目标监测节点的部署结构图示

1.2 基础监测数据采集和预处理

矿山边坡实际上是一种临时或半永久性边坡，尤其是对于高位边坡来说，一旦受到外部冲击力的影响，达到一定的承压标准之后，便容易发生少量滑塌甚至局部性规模较大的滑塌。周围有村庄的严重的甚至会造成人员伤亡或重大经济损失。因此，综合实际的监测需求及标准，进行基础数据、信息的采集，并根据预设的标准对数据预处理。一般情况下，高位边坡具有位置高，坡角陡、基石不稳的特点，可以对周围的环境进行判定，测算出此时边坡的最低安全系数，主要是通过公式（2）计算得出：

公式（1）中：F 表示边坡的最低安全系数，g 表示边坡最低位移距离，e 表示定向安全偏差，φ 表示采集范围，c表示边坡的形变预估值。根据上述测定，完成对测试边坡最低安全系数的测算，将其设定为极限的安全系数标准，后续的监测也会围绕这一标准进行比对分析[11]。矿山边坡变形监测基准点的选择直接影响到GPS 监测数据的可靠性，这在一定程度上也要求GPS 相关监测装置的应用和连接，但是需要注意的是，基准点日常的应用可能会受各种不利因素的影响，所以必须将其与总控制系统进行关联搭接，构建范围更大的数据采集网。

1.3 建立改进IQR 粗差变形监测矩阵

粗差是高位边坡变形监测过程中最为常见、影响最大的一种问题。所以，综合三维激光扫描技术以及改进IQR技术，进行粗差变形监测矩阵设计。通常情况下，传统的监测矩阵多为单向的，虽然能够基本满足预期的监测任务要求，但是较容易受到外部环境及特定因素影响。所以为了提升监测质量，此次需要改变矩阵的内置监测结构。可以先利用部署的基准点及节点，采集实时的数据以及信息，通过改进IQR 技术建立监测转换矩阵结构，对边坡变形的位置进行描述，如图2 所示。

图2 改进IQR 边坡变形位置描述图示

根据图2，完成对改进IQR 边坡变形位置的描述和设定。在此基础之上，综合三维激光扫描技术设定矩阵监测结构以及矩阵的监测顺序，如公式（3）所示：

公式（3）中：K 表示矩阵监测顺序，W 表示可控监测距离，U0和C0分别表示两个阶段的监测数据变化参数。完成矩阵监测顺序的设定之后，调整初始设定的节点位置，融合三位激光扫描技术，根据监测元素的不断变化建立新的数据处理结构，从而得到内参数矩阵值，以此设定改进IQR 监测矩阵检校指标参数，如表1 所示。

表1 改进IQR 监测矩阵检校指标参数表

根据表1，完成对改进IQR 监测矩阵检校指标参数的设定与分析。接下来，利用三维激光扫描技术，在矩阵中构建一个定向的测绘程序，依据边坡的实际状态以及变形情况，不断调整测绘的距离以及范围，以此最大程度降低存在的监测粗差。但是需要注意的是，矩阵在应用的过程中，对于边坡变形的监测标准并不是固定的，而是随着实际的需求及标准做出对应的改变，在矩阵中形成可循环的检测结构，稳定实际的监测环境。

1.4 构建三维激光扫描高位边坡变形监测模型

根据所设计的监测矩阵及节点、基准点，先进行初始建模，设定任意的离散原始监测序列，通过有限次的监测生成即可转化成为有规律的监测序列，能够较好地反映边坡的实际状况。通过三维扫描技术，将观测变量看作是灰色变量，利用初始建模自身观测数据序列，分析监测数据及信息发展变化的固定规律，建立一个三维监测体系，并不断调整监测参数，如表2 所示。

表2 三维激光扫描边坡变形监测模型参数调整表

根据表2，完成对三维激光扫描边坡变形监测模型参数的设计与调整。随后，在此范围之内，综合三维激光扫描技术，扩大模型的实际监测范围，结合改进IQR 监测矩阵建立一个循环性更强的监测结构。利用模型获取到周期之内的监测数据，通过改进IQR 监测矩阵判断出边坡的变形情况，获取最终的监测结果，另外，在监测的过程中，三维激光技术，还会拍摄采集到较多的图片、视频、音频数据，也可以存储到模型对应的位置上，便于后续的对比与使用，强化该模型后续的应用能力。

1.5 点云重叠校正实现变形监测

所谓点云重叠校正实际上是针对边坡的变形状态，对最终获取的监测结果做出调整与修正。先设定一个基础的校正标准，如表3 所示。

表3 点云重叠校正标准设定表

根据表3，完成对点云重叠校正标准的设定与调整。接下来，利用点云重叠校正技术对获取的监测结果进行比对，测算出重叠监测区域的数据存在的偏差，如果其超出预设的标准，需要通过三维激光扫描技术进行偏差位置的锁定，重新调整实际的监测结构。利用模型加强对监测粗差的控制，避免出现大范围的监测误差。

此外，对于高精度形变监测修正而言，正常情况下GPS 定位双差观测值的残差为毫米级。此次，通过模型中的监测矩阵，分段对监测的区域做出调整，计算出双差观测值及监测载波相位值，如果两者之间的差距没有大于几毫米，说明监测结果不需要调整与校正；如果超出标准，则需要重新设定边坡的监测节点，划定监测范围。

2 方法测试

2.1 测试准备

综合三维激光扫描技术，对G 矿山工程高位边坡的变形监测情况进行分析。G 矿山区域周边的植被茂盛，还存在高压电线以及信号基站，数量较多，且密布在矿山的四周。不仅如此，该路段的山体较多，夏季雨水充沛，再加上外部因素及环境的变化频繁，更加容易发生滑坡、泥石流等灾害，监测环境较差。此外，高压电线与信号基站密布，对于所设定的监测装置也会产生较大的影响，无法获取更为精准、可靠的监测数据及信息。

因此，综合实际的需求及边坡变形监测方法，还需要进行相关监测环境的设定与搭建。首先，根据实际的监测规则，明确实际的监测范围，并将该区域划分为以下几个独立测定区域，即6 个单元区域。随后，在相关的区域中设置一定数量的监测节点，逐渐形成可靠性更强的监测结构，进行基础监测指标参数的设定，如表4 所示。

表4 基础监测指标参数设置表

根据表4，完成对基础监测指标的设定与调整，营造稳定的边坡变形监测环境。随后，综合三维激光扫描技术不断调整监测环境的覆盖范围，并对基础的数据采集，为接下来实际的测定奠定基础。

2.2 测试过程及结果分析

在上述搭建的测试环境之中，综合三维激光扫描技术，融合预设的监测需求及标准，进行具体的测验分析。在划定好的单元区域之中利用节点采集各个边坡的基础数据以及信息，采用特定格式转换为数据包，传输到总控制系统内的存储库里，以待后续使用。接下来，融合三维激光扫描技术，利用专业的设备及装置，对矿山高位边坡变形位置进行模糊识别，从而构建监测序列，具体如图3 所示。

图3 矿山高位边坡变形序列图示

根据图3，完成对矿山高位边坡变形序列的设定与分析。随即，确定了高位边坡大致的位置之后，接下来，利用MATLAB 监测软件进行监测得到数据采样，并利用三位激光扫描技术，对高位边坡进行实时测绘扫描，对比初始的标准进行相关分析。在测绘扫描中标定出6 个具体的边坡位置，测算出高位边坡变形的平均粗差，如公式（4）所示：

公式（4）中，D 表示高位边坡变形平均粗差，y 表示边坡变形定值，表示可控距离差，i 表示监测频次，δ 表示序列长度。根据上述测定，完成对最终测试结果的分析与验证研究，考虑到最终测试结果的真实性与可靠性，进行后续的分析，如图4 所示。

图4 测试结果对比分析图示

根据图4，完成对测试结果的分析：经过6 个独立单元区域的测试，对比于传统T-样条曲面拟合高位边坡变形监测小组、传统DIC 高位边坡变形监测小组，本次所设计的三维激光扫描边坡变形监测小组最终测试得出的高位边坡变形监测平均粗差被较好地控制在了0.8 以内，说明该方法的监测能力较强，对于高位边坡变形监测的针对性更强，误差可控，具有较高的实际应用价值。

3 结束语

总而言之，以上便是对基于三维激光扫描技术的矿山高位边坡变形监测方法的设计与验证分析，与初始的矿山监测形式相对比，此次综合三维激光扫描技术对于高位边坡变形程度进行监测，使监测过程变得更加灵敏、多变。与此同时，三维激光扫描技术的应用及融合，一定程度上还可以加快数据、信息采集与应用效率，通过多维测绘模式进行高位边坡虚拟模型的建立，在短时间内完成边坡区域高精度的曲面重建，帮助施工人员更为直观、准确地还原边坡的变形情况，设计贴合实际的监测方案，推动监测技术迈入一个新的发展台阶。