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基于三维激光扫描技术的矿区开采沉陷监测 作者姓名量主堕 专业名称 太丝型量堂皇型量王墨 指导教师姜蚩 论文提交日期 论文答辩日期 2 Q 兰生量且 2 Q 曼量生鱼旦 入学时间2 Q 量2 生窆旦 研究方向王趔量皇 王螳 职 称煎握 M I N ES U B S I D E N C EM o N I T o R I N GB A S E Do N3 D L A S E R S C A N N I N GT E C H N I Q U E AD i s s e r t a t i o ns u b m i t t e di nf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t so ft h ed e g r e eo f M A S T E RO F P H I L o S o P H Y f r o m S h a n d o n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y P a nG u a n 西i a n g S u p e r v i s o r P r o f e s s o rJ i a n gY a h C o l l e g eo fG e o m a t i c s M a y 2 0 1 5 声明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所 公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交 于其它任何学术机关作鉴定。 硕士生签名0 鸟次≥乙 日 A F F Ⅱ如门瞄L T I o N 乙夕l j ＼ Id e c l a r et h a tt h i sd i s s e r t a t i o n ，s u b m i t t e di nf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ea w a r do fM a s t e ro fP h i l o s o p h yi nS h a n d o n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n d T e c h n o l o g y , i sw h o l l ym yo w nw o r ku n l e s sr e f e r e n c e d o fa c k n o w l e d g e ．T h e d o c u m e n th a sn o tb e e ns u b m i t t e df o rq u a l i f i c a t i o na ta n yo t h e ra c a d e m i c i n s t i t u t e ． S i g n a t u r e p 跏拶飞 一 1 q D a t e 砂 j ＼扫、j ／ 山东科技大学硕士学位论文摘要 摘要 煤炭在国内占据着主体能源的地位，煤炭资源在国家经济命脉和能源安全保障中起 着重要基石的作用。煤炭开发活动对生态系统的影响源头在于地下采煤引起的地表沉 陷，做好煤炭井工开采地表沉陷的监测及预报工作对矿井开采规划及矿区生态环境保护 及恢复具有重要的现实意义。将三维激光扫描技术应用于矿区开采沉陷研究中，以面状 或带状点云数据代替传统的线状主断面观测点数据，在短时间内获得监测区域内密集的 点云数据，反应沉陷盆地的真实形态，大大地缩短了观测周期，提高了监测工作效果和 效率。因此，将其应用到矿区地表开采沉陷监测领域，探索其在该领域的应用方法及理 论，将具有极其现实的意义。 本文将三维激光扫描技术应用于矿区地表开采沉陷监测，对矿区煤矿开采影响区域 进行多次扫描，对采集获得的点云数据进行相关处理最终得到矿区开采沉陷盆地模型； 针对T r i m b l eG X 三维激光扫描仪与R T K 技术相结合应用于地表开采沉陷监测的精度进 行研究分析；讨论了利用三维激光扫描数据求取开采沉陷预计参数的原理；介绍了三维 激光扫描相关数据的相关应用以及将三维激光扫描数据进行格式转化或在其他平台进 行共享。 本文为矿区地表开采沉陷监测提供完整的、全面的、连续的、关联的三维数据获取 与处理的相关方法，为今后开采沉陷监测提供了新思路，具有重要的理论与实用价值。 关键词三维激光扫描技术开采沉陷参数预计点云数据三维建模沉陷监测 山东科技大学硕士学位论文 A b s t r a c t A b s t r a c t T h ec o a lo c c u p i e st h em a i np o s i t i o ni nd o m e s t i ce n e r g y , p l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h e f o u n d a t i o no ft h en a t i o n a le c o n o m ya n de n e r g ys e c u r i t y ．T h ei m p a c to nt h ee c o s y s t e mo fc o a l m i n i n ga c t i v i t i e sf r o ms u r f a c es u b s i d e n c ec a u s e db yu n d e r g r o u n dc o a lm i n i n g ，t h e r eh a s i m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et h a ti m p l e m e n t sc o a lm i n i n gs u r f a c es u b s i d e n c em o n i t o r i n g a n df o r e c a s tf o rt h ec o a lm i n i n gp l a n n i n ga n dm i n i n ga r e ae c o l o g i c a le n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n ． T h et e c h n o l o g yo f3 Dl a s e rs c a n n i n ga p p l y i n gf o rt h es t u d yo f m i n i n gs u b s i d e n c e ，s u b s t i t u t i n g t h et r a d i t i o n a ll i n e a rm a i ns e c t i o no b s e r v a t i o np o i n td a t af o rt h ep l a n a ro rb a n d e dp o i n tc l o u d d a t a , w h i c hC a no b t a i ni n f o r m a t i o ni nas h o r tp e r i o da n da p p e a rat r u ep i c t u r eo ft h ef o r mo f s u b s i d e n c eb a s i n ．T h u sg r e a t l yr e d u c i n gt h eo b s e r v a t i o nc y c l ea n di m p r o v i n gt h ee f f i c i e n c yo f t h em o n i t o r i n g ．T h e r e f o r e ，a p p l y i n gi tt ot h ef i e l do fm i n es u r f a c em i n i n gs u b s i d e n c e m o n i t o r i n g ，e x p l o r i n gi t sa p p l i c a t i o nm e t h o d sa n dt h e o r i e si nt h ef i e l d ，w i l lb eo fg r e a tr e a l i s t i c s i g n i f i c a n c e ． I nt h i sp a p e r , 3 Dl a s e rs c a n n i n gt e c h n o l o g yW a sa p p l i e dt oc o a l m i n i n gs u b s i d e n c e m o n i t o r i n g ，a n di ts c a n n e dt h ei n f l u e n c e dc o a lm i n i n ga r e af o rm a n yt i m e s ，g o tt h em o d e lo f m i n i n gs u b s i d e n c el a n db yr e l e v a n tp r o c e s s i n gt ot h eo b t a i n e dp o i n tc l o u dd a t a ；f o rT r i m b l e G X3 Dl a s e rs c a n n e rt e c h n o l o g yc o m b i n e dw i t hR T Kp r e c i s i o nu s e di ns u r f a c e m i n i n g s u b s i d e n c em o n i t o r i n gr e s e a r c ha n da n a l y s i s ； D i s c u s s i n gt h et h e o r yo f3 Dl a s e rs c a n n i n gd a t a t oc a l c u l a t et h ee x p e c t e dp a r a m e t e r so fm i n i n gs u b s i d e n c e ，t h ea n a l y s i so fa c c u r a c ya n d f e a s i b i l i t y ；i n t r o d u c i n gt h er e l a t e da p p l i c a t i o n so f3 Dl a s e rs c a n n i n gd a t aa n dt h e3 Dl a s e r s c a n n i n gd a t af o r m a tc o n v e r s i o nf o rs h a r i n gi no t h e rp l a t f o r m s ． T h i sa r t i c l ep r o v i d e sac o m p l e t e ，c o m p r e h e n s i v e ，c o n t i n u o u s ，a s s o c i a t e d3 Dd a t a a c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gm e t h o do fm i n i n gs u b s i d e n c em o n i t o r i n g ，i ta l s op r o v i d e san e w w a ya n dm a k e sa ni m p o r t a n tt e c h n i c a la n de c o n o m i cs i g n i f i c a n c et ot h em i n es u b s i d e n c e m o n i t o r i n g ． K e y w o r d s 3 Dl a s e rs c a n n i n gt e c h n o l o g y , m i n i n gs u b s i d e n c ep a r a m e t e re s t i m a t i n g ，p o i n t c l o u dd a t a , 3 Dm o d e l i n g ，d e f o r m a t i o nm o n i t o r i n g ． 山东科技大学硕士学位论文目录 目录 1 ．1 研究背景和意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．3 本文研究的主要内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 三维激光扫描系统简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．1 三维激光扫描系统的分类及测量原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．2 三维激光扫描技术的特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 2 ．3 三维激光扫描技术应用现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 2 ．4 三维激光扫描技术与传统测量的比较⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 7 2 ．5T r i m b l eG X 三维激光扫描系统及其配套软件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 7 3 三维激光扫描测量模式与数据预处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 2 3 ．1 三维激光扫描仪数据获取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 3 ．2 点云数据预处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 5 4 三维激光扫描技术应用在开采沉陷观测中的基本原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 4 ．1 三维激光扫描技术用于开采沉陷观测的基本原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 4 ．2 开采沉陷盆地预计模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 4 ．3 求预测参数模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 3 5 三维激光扫描数据用于开采沉陷参数预计精度分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 8 5 ．1 三维激光扫描仪误差来源与精度分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 8 5 ．2 三维激光扫描仪结合G P S 。R T K 作业方式的误差分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 5 ．3 三维激光扫描技术用于开采沉陷预计参数的分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 5 ．4 提高观测精度和数据精度的对策与措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 5 6 三维激光扫描数据的应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 6 6 ．1 空间几何关系量取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 6 6 ．2 地表下沉监测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 6 6 ．3 等值线绘制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 0 6 ．4 地表下沉盆地体积计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 6 ．5 地表水平移动量测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 3 6 ．6 特征地物变形分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 5 6 ．7 三维激光扫描数据的共享⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 5 7 总结与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 7 7 ．1 总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 7 7 ．2 论文展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 7 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 8 山东科技大学硕士学位论文 目录 攻读硕士期间主要成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 9 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 0 C o n t e n t s 些垄型垫奎兰堡主堂垡笙壅一 C o n t e n t s 1I n t r o d u c t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯’1 1 ．1R e s e a r c hb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯“ 1 ．2R e s e a r c hs t a t u s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯“二 1 ．3R e s e a r c hc o n t e n t s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。 Q 2I n t r o d u c t i o no f3 Dl a s e rs c a n n e rs y s t e m ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。 2 ．1T h eb a s i cp r i n c i p l ea n dt h ec l a s s i f i c a t i o no f 3 D l a s e rs c a n n 盯s y 5 t e m ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 2 ．23 Dl a s e rs c a n n e rf e a t u r e s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 2 ．33 Dl a s e rs c a n n n e rt e c h n o l o g ya p p l i c a t i o ns t a t u s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯- - 1 T 2 ．4m c o m p 撕s o n b e t w e e n3 Dl 绷s c 籼- n gt e c h n 0 1 0 9 ya n dt h e 仃a d i t i 咖a l m 淄嗍肥札⋯⋯二 2 ．5T r i m b l eG X3 Dl a s e rs c a n n n e rs y s t e ma n ds u p p o r t i n gs o R w 缸e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯‘“。 33 Dl a s e rs c a n n i n gp o i n tc l o u dd a t aa c q u i s i t i o n a n dp r e p r o c e s s m g ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯’‘厶 3 ．1P o i n tc l o u dd a t aa c q u i s i t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯二 3 ．2p o i n tc l o u dd a t ap r e p r o c e s s i n g ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯～ 43 Dl a s e rs c a 蚰i n gt e c h n o l o g yb a s i cp r i n c i p l ei nt h ea p p l i c a t i o n i nm i n i n gs u b s i d e n c e 。b s e r v a t i 。n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 4 。．1 3 Dl a s e rs c a n n i n gt e c h n o l o g y f 删o ro 虬b s e ⋯r v i n ⋯gt ⋯h eb ⋯a s i ⋯cp r ⋯i n c i ⋯p l e ⋯so f ⋯m i n ⋯i n g ⋯s u b ⋯s i d ⋯e n c ⋯e l ； 三．2 M i n i n gs u b s i d e n c e prediction竺■■3P4 ．r e d i c t e dp a r a m e t r i cm o d e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。 5T h et h e 。r y 。f3 D1 a s e rs c a 仰i n gd a t ae r r o ra n dp r e c i s i 。na 眦l y s i s u s e di nM i n i n g s u b s i d e n c ef o rp a r a m e t e r s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯～ 5 ．13 Dl a s e rs c a n n e re r r o ra n dp r e c i s i o na n a l y s i s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 5 ．2E r r o rA n a l y s i so f3 Dl a s e rs c a n n e rc o m b i n e dw i t h G P S - R T Ko p e r a t i o nm o d 已⋯’I 一⋯一⋯j “川 5 ．33 D1 a s e rs c a n n i n gt e c h n o l o g yu s e di nt h ea n a l y s i so f t h ee X p e c t e dp a r a m e t e r so fm I m n g S u 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．⋯⋯⋯．．⋯．⋯．⋯⋯⋯．⋯．．⋯．⋯⋯⋯⋯．．⋯．．⋯⋯⋯．⋯．⋯．⋯．⋯⋯．⋯．⋯⋯．⋯．⋯．⋯⋯⋯．．．6 7 7 ．2P r o s p e c t ⋯．．⋯．．⋯．．⋯．⋯⋯．⋯．⋯⋯．．⋯⋯。⋯．⋯⋯．⋯．．⋯⋯。⋯。⋯．⋯⋯．⋯。⋯⋯．⋯．⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯．6 7 A c k o w l e d g e m e n t s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 8 M a i nr e s e a r c hd u r i n gt h em a s t e r ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．⋯．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．6 9 M a i nR e f e r e n c eD o c u m e n t s ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7 0 山东科技大学硕士学位论文绪论 1 绪论 1 ．1 研究背景和意义 作为世界上的煤炭生产和利用最多的国家，在未来相当长的一段时间内，在我国一 次性能源消费中煤炭将一直占主体地位，随着国民经济的健康和快速发展，煤炭的需求 量也在稳步提高。2 0 1 0 年我国的煤炭产量接近3 2 亿吨，并以每年2 亿吨的速度增长， 根据预计，在“十二五”末，我国的煤炭需求量至少为4 0 亿吨。其中，煤炭产量的9 3 ％ 来自井下开采【l j 。 在为国民经济发展和社会前进做出巨大贡献的同时，煤炭资源的大规模开采也对矿 区环境带来了诸多问题，不少矿区的不合理开发行为不仅使得整个矿区的生态环境恶化 也造成当地社会不安定因素增加。造成这一系列问题的源头就是地下开采引起的地表沉 陷，矿区地表大规模积水、建筑物开裂、山体滑坡、耕地和植被破坏和公路、铁路等基 础设施破坏都跟地表沉陷有着直接联系。因此，做好地表开采沉陷的监测和预测工作对 于规划煤炭资源的合理开采、生态环境的保护和恢复、社会安定等都有着重大意义。 准确获取开采沉陷盆地形态是实现开采沉陷预测的基础性工作，传统的开采沉陷变 形监测方法只能通过在沉陷盆地主断面上布设一定密度的监测点对地表变形值进行测 量，并且传统观测站一般都是以线状方式进行布设，布设的监测点数非常有限，并且随 着监测周期的不断发展，经常出现由于观测点保护不当导致点位严重缺失的现象，这给 后续数据处理带来相当大的不便，以至于无法满足监测精度要求，所以引进新的沉陷监 测技术势在必行。 三维激光扫描技术是测绘领域继G P 之后又一项测绘新技术，已成为快速获取三维 空间信息的重要手段[ 2 1 。相对于传统测量方法，三维激光扫描技术具有获取数据速度快、 数据量大、高密度、高精度、实时性、主动性强、全数字特征、易自动化等优势，可以 真实描述扫描对象的整体结构及形态特性，快速准确生成三维数据模型，有效地避免基 于点数据进行分析造成的局部性和片面性。利用地面三维激光扫描技术进行矿区开采沉 陷研究以后，传统测量遇到的一些问题将会得到有效的解决。 所谓观测站，是指在开采影响范围内的地表、岩层内部或其他研究对象上，按一定 1 山东科技大学硕士学位论文绪论 要求设置的一系列互相联系的观测点。在采动过程中，根据需要定期观测这些测点的空 间位置及相对位置变化，以确定各测点的位移和点间的想对移动，从而掌握开采沉陷规 律【3 】o 观测站应设在地表移动盆地的主断面上；设站地区，在观测期间不受临近开采的影 响；观测线的长度至少大于地表移动盆地的一半；观测线上的点应有一定的密度，视开 采深度和设站目的而定如果是为了特殊目的而专门建立的观测站可以不受上面条件的 约束。观测站一般由两条观测线组成，分别沿煤层走向和沿煤层倾斜方向布设，它们一 般是互相垂直并且相交，具体情况根据实际目的与现场情况确定[ 3 1 。根据设站的目的， 合理地选择观测站的布设形式是很重要的，由于我国煤矿区回采工作面大多是沿煤层走 向方向较长，远远大于充分采动所要求的最小尺寸，因此为了检验观测成果的可靠性， 往往在充分采动区内设置两条相距5 0 - 7 0 m 的倾斜观测线，如图1 ．1 所示。 图1 ．1 常规观测线布置方式 F i g ．1 ．1 t h er o u t i n eo b s e r v a t i o nl i n ea r r a n g e m e n t 常规观测站的布设所需要布设的测点数量很大，测点的埋设需要投入大量的人员和 经费，从地表沉陷观测站监测经验来看，由于沉陷监测的持续时间通常都在一年以上， 在整个监测过程中，测点的破坏是难免的问题，有的甚至大部分测点被破坏，这直接导 致观测获取的数据不完整，所以采用新的观测方法和方式也是非常必要的。 2 山东科技大学硕士学位论文 绪论 1 ．1 ．2 三维激光扫描在地表开采沉陷监测的意义 地表移动和变形过程受到多种地质采矿因素的影响，是一个十分复杂的时空力学过 程，所以最可靠的办法是通过实地观测，依据对观测成果的分析研究来掌握地表移动规 律，为解决特殊开采提供科学的依据。 ①传统的地表岩移观测手段为设立地表观测站，地表观测站的观测大多采用全站 仪、水准仪等设备对地表的观测点进行平面测量和高程测量，日常的观测工作需要定期 用水准仪进行水准测量，全站仪进行平面坐标的获取，观测数据为离散型，只反映了地 表部分点的移动，无法获取区域监测数据。 ②三维激光扫描技术是近几年发展起来的一种新兴的测量技术。该技术能够快速获 得地表采样点的三维空间坐标，已成为空间数据获取的一种重要技术手段。同传统的观 测手段相比，三维激光扫描测量技术不需要合作目标，可以自动、连续、快速的采集数 据，以非接触方式直接获取物体表面每个采样点的空间三维坐标，得到一个表示实体的 点集合，我们称之为“点云” p o i n tc l o u d ，从而改变了传统的单点变形观测技术，使 传统的“点测量”方式变为“面测量”方式【4 7 J 。 ③利用三维激光扫描技术代替常规观测，只需获取开采期间内几个月的地面数据进 行动态求参，无需持续到地表沉陷稳定后，监测持续时间短，不需要埋设固定点，从而 避免了观测点的破坏。另一方面，三维激光扫描获得的是面数据，能够很好地捕捉到最 大下沉值，因此能够提高参数求取精度。 ④应用三维激光扫描技术进行变形监测，相当于布设了一个高密度的变形监测网， 为变形监测的研究提供了更为全面的实测数据。通过快速建立目标的三维模型并获取面 状或者带状高精度点云数据，来代替传统的线状主断面观测点数据，反应地表沉陷盆地 的真实形态，从而大大地提高的信息量的丰富程度，在后期数据处理时能够从点云信息 中获得更加真实和完整的地表移动以及裂缝等信息。地表沉陷短期观测站不需要埋设固 定监测点，从而大大地缩短了观测周期，提高了监测工作效果和效率。因此，将其应用 到地表移动观测领域，探索其在该领域的应用方法及理论，将具有极其现实的意义。 1 ．1 ．3 技术路线 本文关键技术是利用三维激光扫描技术快速获得矿区开采沉陷影响区域的点云数 据，分析三维激光扫描数据的精度以及求用其求取开采沉陷预计参数的可行性，并且通 3 山东科技大学硕士学位论文绪论 过三维激光扫描数据获取地表下沉信息且反映沉陷盆地的真实形态以及地表移动等信 息。其技术路线如下 图1 ．2 三维激光扫描系统技术路线 F i g ．1 ．2 T e c h n i c a lr o u t eo f3 Dl a s e rs c a I l _ r l e r 1 ．2 国内外研究现状 近年来，随着当今世界地球空间信息科学的发展，三维激光扫描技术已然成为一项 高新技术，在工程领域中得到广泛应用，并引起了广大科研人员的广泛关注和研究。它 克服了传统测量技术条件限制多、采集信息效率低等劣势，可以实现各种大型的、复杂 4 些查型垫奎堂堡主堂垡笙茎 堕笙 的、规则或不规则的实体或实景三维点云数据信息完整的采集，从而快速重构出实体目 标的三维模型以及线、面、体等各种制图数据。现在，国内外激光扫描仪已经运用到了 各个方面，传统的三维建模是基于图片信息的场景建模和表现，这种技术存在着缺少真 实感，三维几何信息不准确以及处理速度缓慢的缺点【4 1 。因此，近年来基于激光扫描技 术的三维建模技术成为了研究热点。激光扫描仪能够直接获取景物的深度信息，方便快 捷。此外，利用激光扫描技术进行三维重建能够有效恢复出具有准确几何信息和照片真 实感的三维模型。这些精确的三维模型不仅能够提供场景可视化和虚拟漫游方面的功 能，更可以满足数据的存档，测量和分析等更高层次的需求【5 J 。目前应用范围已经扩展 到工程测量、环境监测、历史遗产保护、逆向工程、数字城市3 D 建模、交通运输、变 形监测等诸多方面，显示出独特的、传统手段无法取代的优越性。 1 ．2 ．1 三维激光扫描技术国外研究现状 在国外，专家学者对三维激光扫描技术已经研究了数十载，取得了丰富的研究硕果， 并得到了极大的推广及应用，如历史文物保护、变形监测、数字城市3 D 建模等方面。 A l e s s a n d r o 等人以圣苏菲亚大教堂为例，将三维激光扫描仪对复杂和临危的历史建筑物 进行虚拟重建和仿真【6 J 。J o s eL u i sL e r m a 等将扫描仪应用于带有旧石器时代雕刻的山洞 建模中，并与近景摄影测量数据相结合，获得了真彩纹理影像和三维可操作的虚拟导航 世界【7 】。I ．S t a m o s 和E K ．A l l e n 组建了一个完整的系统，该系统能同时获取室外大型建筑 的深度图像和彩色图像，并最终得到具有照片真实感的三维模型【8 】；除此之外，F r u h 等 人使用2 D 激光扫描仪、数码照相机并同时借助航空图像和航空激光扫描数据恢复了建 筑物屋顶带有色彩的集合模型，得到了更为完整的街区三维模型【9 J 。J o n g ．S u kY o o n 等人 将地面三维激光扫描仪应用于隧道的常规监测，开发了一个试验模型应用与隧道监测 中，并通过扫描获得的点云数据中提取出隧道设施、隧道腔体以及隧道内的损坏、裂缝 等信息【l0 1 。I n i a nM o o r t h y 等人将三维激光扫描仪应用于农业监测和管理，通过地面三维 激光扫描仪获得的点云数据与高空平台设置的扫描仪获取的点云数据相结合，研究分析 出橄榄树的树高、树冠的体积、树冠的高度等结构参数L 1 1 1 。国外以上各个领域所开展的 研究和试验成果，对我国三维激光扫描技术研究起着推动作用。 5 山东科技大学硕士学位论文绪论 1 ．2 ．2 三维激光扫描技术国内研究现状 在国内，三维激光扫描技术研究开发与应用近几年才刚刚起步，但是由于国内各个 领域对这项新兴技术拥有极大的需求和关注，已经在相关的研究中取得了不错的成果。 三维激光扫描技术在变形监测的诸多应用中，主要用于监测地铁隧道、房屋、工业设备、 道路等建、构筑物的变形。托雷等将三维激光扫描技术应用于地铁隧道变形监测中，提 出狭长结构点拼接、隧道中轴线提取、基于局部曲面拟合的断面截取以及基于B 样条曲 线拟合对三维点云数据分析获得区段收敛变形趋势【1 2 】。王健等研究分析基于建筑物立面 测量的激光扫描仪数据预处理技术，分析了激光扫描仪数据的特征及噪声产生的原因， 提出了对海量、冗余、强噪声的扫描仪数据预处理的技术方案，并开发了相应的数据预 处理软件【l 引。马利等将三维激光扫描技术应用于道