基于矿山地表沉陷监测技术的理论与应用研究

[摘 要]近年来，伴随着矿山企业对矿石开采力度的加大，开采规模不断扩张，由矿石开采引起的地表沉陷已经对安全生产和生态环境产生了严重的破坏。随着我公司三新战略的推进和新采矿方法的逐步实施，针对地表沉陷的研究已经引起了公司的高度重视，为了能及时地了解和掌握地表沉陷变形规律，为矿区的安全开采和塌陷区环境综合治理提供科学依据，必须定期进行沉陷观测，以便采取防护措施。该文针对矿山地表沉陷监测技术进行了理论概述并在其应用方面进行了研究。

[关键词]地表沉陷 GPS-RTK 三维 激光 扫描 高精度

中图分类号：F416.1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）21-0389-01地表沉陷监测是对开采沉陷区域进行测量，以确定其空间位置随时间而产生的变化特征，是一种区域性的变形监测。其任务是对沉陷区域上的监测点进行重复性观测，是一项长期且具有周期性的工作。当前，地表沉陷监测的发展趋势是在传统监测技术的基础上不断引入其它新的方法，从而不断提高监测精度等技术指标，既克服了传统人工监测的弊端，又能不断向着高精度、实时性、智能化的方向发展。

1 监测技术的理论概述

传统的矿区地表沉陷监测方法主要有平面导线测量和水准高程测量、GPS测量。这两种方法都属于基于点的监测，都需要稳定可靠的测量控制点。控制点的位置分布及其稳定性将会直接影响矿区地面监测点的观测精度。对于大面积矿区而言，需要布设数量较多的监测点，因此作业成本高，工作量大，观测周期长，观测结果也只反映监测点的形变量，难以得到大范围内的整体形变结果。相比较而言，三维激光扫描技术作为一种新型的地面观测技术，可以快速的获得整个区域的空间位置及三维模型，它是继GPS空间定位系统之后又一项测绘技术新突破。

1.1 数字化全站仪

在矿山测量领域，随着测绘仪器和信息技术的不断发展，全站仪在地面控制测量、地形测绘、自动化成图、数据采集中发挥着重要的作用。全站仪测量作为一种传统的地面沉陷监测方法，它对现场作业条件要求比较严格，监测点之间必须互相通视，而且需要依仗非常多的外业工作量，且在外业操作过程中会受到现场地形、地貌的影响，难以自动化地展开工作。在开采沉陷观测中，由于全站仪具有高精度测角、测距和数据处理存储的特殊功能，使用正确的方式和方法可完全代替水准测量，减少了水准高程测量和平面导线测量不能同步进行带来的工作量，并且数据采集自动化程度高，减少了人力数据处理的劳动强度，从而可以全面采集监测点坐标信息。

1.2 GPS-RTK技术

随着全球定位技术的快速发展，测量方式也发生了革命性的变化。 GPS-RTK技术作为测量领域发展的一个新突破，已经在矿山地表沉陷监测方面得到广泛应用，具有以下优势：（1）外业工作不受地形、气候等诸多因素的影响，各个观测点之间无需完全通视，可以全天候作业；（2）应用操作简便，观测时间短，定位速度快。既可以保证点位观测精度，又可以提高外业效率；（3）定位精度高，数据安全可靠，消除了常规测量的误差累积，为保证地表沉陷监测的准确性提供了保障；（4）数据采集自动化程度高，保证了测量成果的客观性和可靠性，降低了人力数据处理的劳动强度；（5）数据传输、处理、存储能力强，与计算机、全站仪等测量仪器通信方便。

1.3 三维激光扫描仪

三维激光扫描技术是测绘领域的新技术，按照测量原理不同，可分为脉冲式扫描仪和相位式扫描仪。其原理都是通过测距系统获取扫描仪到待测物体的距离，再通过测角系统获取扫描仪至待测物体的水平角和垂直角，计算出待测区域的三维坐标信息，然后在扫描的过程中完成对物体的全方位扫描。它突破了传统的单点测量技术，可以大面积、高分辨率的快速获取被测区域的三维坐标数据。三维激光扫描是近年来迅速发展起来的一种新型空间数据获取手段和工具。它的出现与发展，为矿山地表沉陷监测提供了一种新的解决办法，因而在矿山地表沉陷监测中受到越来越广泛的关注。

2 三维激光扫描技术在地表沉陷监测中的应用

2.1 外业扫描

整个扫描的工作流程包括外业数据采集和内业数据处理两部分，其中数据采集是一个不断循环的流程。野外扫描时，根据现场地表环境正确选择扫描仪和拼接靶标的架设位置，以确保各站扫描的数据能够覆盖整个扫描区域，同时需要扫描一定的公共靶标，实现不同站点云数据的拼接。扫描过程中应根据工程需要，结合现场实际条件，配合全站仪一起使用，对扫描区域内的明显地物点、监测点进行精确的坐标测量，对获取高质量三维数据、提高测量精度、全面反映地表状况有着十分重要的意义。

2.2 数据处理

用三维激光扫描仪进行地表扫描，采集的信息包括精确深度信息的点云数据和由七千万像素组成的彩色照片信息。实际应用中的点云处理流程，主要分为两部分，一部分是在Scene软件中完成点云的导入、预处理、注册拼接及导出；另一部分是在Geomagic软件中进行点云数据建模，并导入到相关矿山软件中。利用三维激光扫描仪获得的是海量的点云数据，处理如此庞大的数据，对计算机的性能要求很高，并且处理过程繁杂，因此需要对点云数据进行压缩并保持数据的精度。它可以在较短时间内完成对实体形变发生前后表面监测点的三维空间坐标进行抓取，并最终以点云数据的形式存储于计算机数据库中，从而快速实现三维空间模型的建立。

2.3 技术优势

⑴实现了远距离非接触测量，无需对目标物体表面进行任何处理，对于人员难以触及和比较危险的地表区域进行测量具有明显优势。

⑵突破了传统测量方式，实现了从点测量向面测量的过渡，具有测量速度快、精度高、数字化、自动化等特点。

⑶后期处理软件功能强大，能满足大部分测量工作需求，同时提供二次开发功能，扫描数据格式转换方便，输出简单、快捷，与常用软件兼容性好。

3 结语

本文阐述了目前矿山测量中几种常用的地表沉陷监测技术，重点讲解了三维激光扫描技术在矿山地表沉陷监测中的应用，通过对采集的数据进行处理，可以很快获得整个地表的三维可视化模型，为掌握地表沉陷变化趋势提供了可靠的数据，对矿区地安全开采及其环境综合治理有着重要的指导意义。

参考文献

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