三维激光扫描监测开采沉陷的精度分析

三维激光扫描监测开采沉陷的精度分析

摘要：高强度开采引起的地表沉陷问题日益严重，为了保护地面建筑物、水体、铁路等不受损害，并最大限度地提高煤炭资源采出率，必须研究煤矿开采引起的

地表移动规律。目前，常规的开采沉陷监测方法是在沉陷区布设观测站，利用全

站仪、水准仪观测监测点的空间位置，以此分析沉陷区的移动变形情况。该方法

具有观测站布设困难、工作量大、费用高、获取的数据量少、不能反映整体变形

情况等缺点。三维激光扫描是集成了多种高新技术的新型空间信息数据获取的手

段与工具。相较于传统测量技术，三维激光扫描测量技术无需合作目标，且具有

快速、高精度、高密度等优点。基于此，本文主要对三维激光扫描监测开采沉陷

的精度进行分析，希望通过本文的分析研究，给行业内人士以借鉴和启发。

关键词：三维激光扫描；监测开采；沉陷；精度分析

引言

目前研究地表沉陷规律及其参数的传统方法是建立地表移动观测站进行现场

观测，我国目前已在长壁采煤工作面建立了数百个地表移动观测站。通过现场实

地观测获得大量的观测资料，然后对资料进行综合分析处理，获得地表移动和变

形规律及其参数，再将获得的地表移动规律及参数应用到解决开采沉陷及“三下”

采煤实践问题中去。对于煤矿开采引起的地表沉陷规律及其观测方法，国内外学

者进行了大量的研究。地表沉陷现场观测主要的大地测量技术，如GPS观测技术、近景摄影测量技术、干涉合成孔径雷达（In-SAＲ）、基于连续运行GPS参考站系

统（COＲS）技术、三维激光扫描技术等。地表移动观测站是目前最常用、最可

靠的一种方法，是在观测的地表按一定的原则埋设观测点，在采动过程中，定期

观测这些测点在不同时间内的空间位置，便可确定这些测点的位移情况、点与点

之间的变形以及动态变形情况，缺点是观测时间长，野外工作量大，观测费用高，测点难以保护等。GPS观测得到点位坐标的三维精度相对较差，高程误差较大；

而其他观测技术的发展很快，但用于煤矿开采沉陷的观测研究并不十分广泛。三

维激光扫描技术作为一个新的观测技术，在矿区地表塌陷观测中逐步得到了应用，目前用于地表沉陷盆地的观测还鲜有报道。笔者通过采用三维激光扫描技术，对

某煤矿首采工作面高强度放顶煤开采引起的地表沉陷盆地进行了现场扫描观测，

并与所建立的传统地表移动观测站所得到的地表移动观测结果进行对比分析，研

究三维激光扫描技术用于地表沉陷观测的有关问题及其可行性，对于完善和发展

地表沉陷观测技术具有重要意义，同时也具有较好的推广应用前景。

1三维激光扫描技术的工作原理

三维激光扫描技术的工作原理主要是：地面三维激光扫描仪是一种集多种高

新技术于一体的新型空间信息数据获取系统，采用非接触式高速激光测量方式，

以点云的形式获取目标物三维表面的几何图形数据，仪器主要是由激光测距仪、

角度传感器、步进电机、倾斜补偿器以及数据存储器组成。其扫描原理是依据测

量激光束从发射到返回所用的时间计算距离观测值S，精密时钟控制编码器准确

地测量出横向扫描角度观测值α和纵向扫描角度观测值θ。此外，根据返回激光

信号的反射强度信息，与彩色相片相融合，还能得到该激光脚点的颜色信息。激

光扫描仪一般采用自定义的坐标系统：坐标原点位于激光束发射处；Z轴位于仪

器的竖向扫描面内，向上为正；X轴位于仪器的横向扫描面内与Z轴垂直，且垂

直于物体所在方向；Y轴位于仪器的横向扫描面内与X轴垂直，且与X轴、Y轴

构成左手坐标系，同时Y轴正方向指向物体。

2沉陷区域监测模拟试验

首先是数据采集。使用TrimbleGX200扫描仪对某矿区塌陷盆地进行扫描。在

观测站上整平扫描仪，打开配套的笔记本电脑，由Pointscape软件控制进行扫描。测站内容为划定的沉陷扫描区域，区域内所有测点标志和离测站最近的已知点。

对于开采沉陷的观测，需要获得的是沉陷地表的变形量，因此在第一次扫描后，

根据开采的具体情况，间隔一段时间进行第二次数据采集，根据两次三维扫描采

集的数据，进行沉陷下沉变形分析其次是三维建模及分析。对采集到的点云数据

利用软件进行预处理，包括噪声点剔除、点云裁剪及点云匹配；然后利用软件的

格网创建工具，生成沉陷地表的三维格网模型。此模型为一次观测结果所得，从

模型中可以看出扫描时刻地表沉陷的大致情况。对于一次扫描得到的沉陷地表模型，可进行体积计算、地表等高线绘制等分析。最后是地表信息的三维还原。在

监测区域内的初始点云数据经过去噪处理、再次采集等处理后，筛选得到符合标

准的地表信息数据。但实际测量过程中总会存在漏测等现象，导致部分区域的地

表信息不能被还原出来，因此需要采用适当的插值方法，由一旁的点云数据推算

得知此处的地表数据信息。经过插值处理后，即拥有了监测区域内完成的点云数据，运用特定软件的算法还原监测区域的地貌信息，构建出监测区域的网格模型，同时也为地表沉降、变形等分析提供必要的理论支持。

3数据处理

首先是原始点云分析。（1）在不考虑信号测量误差的影响下，地面激光三维扫描的采样数据的精度主要取决于激光光斑的尺寸和光斑的点间距。仪器与被测

点的距离越近，激光光斑越小，分辨率越高，回波信号也越强，相应的测量精度

就越高，反之则测量精度越低。（2）地表是起伏不平的，若激光束与地表夹角

过小，在距扫描仪较远区域，激光束可能会被较高地表或地物阻挡，导致较低地

方很难被扫描到。因此，在远处的地表点不仅稀疏，还会失去真实的地表信息，

测量精度较低。其次是重采样。通过三维激光扫描获得的点云数据量通常很大，

导致处理速度缓慢，不利于后续的三维建模，因此必须对点云数据进行重采样。

由于扫描参数中点云密度只表示在某一距离上点的间隔，超过这一距离时密度低

于设定值，反之则大于设定值，即在一个测站获取的物体表面点云数据距扫描仪

远的稀疏，距离近的则稠密，重采样后高于采样密度的点云将被抽稀（即剔除多

余的数据）。本研究区原始数据点云个数1599583个，经过去噪、以1m为间隔

进行重采样之后，剩余点云个数为37496个。

结语

总而言之，采用三维激光扫描现代化测绘技术，对高强度长壁综采放顶煤工

作面开采引起的地表沉陷盆地进行现场扫描观测，通过扫描观测及数据处理分析，建立了高强度开采地表沉陷盆地的三维数字高程模型。观测结果对比分析研究表明：三维激光扫描技术应用于煤矿地表沉陷盆地观测精度达到厘米级，观测精度

有待进一步提高。但该技术能快速高效地获取整个地表下沉盆地的沉陷数据，因

此用于煤矿沉陷区地表移动与变形观测可行。三维激光扫描作为一种新技术应用

到煤矿开采沉陷的观测中，在数据采集效率、速度等方面具有明显优势，克服了

传统的地表沉陷观测时间长，工作量大，观测成本高、测点难以保护等缺陷，具

有较好的推广应用前景。

参考文献：

［1］王婷婷，靳奉祥，单瑞.基于三维激光扫描技术的曲面变形监测［J］.测

绘通报，2011（3）：4－6.