焦曉雙 胡海峰 廉旭剛
(太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,山西 太原 030024)
三維激光掃描技術(shù)作為一種新的空間信息采集技術(shù),與常規(guī)觀測(cè)方法相比,在獲取模型表面三維空間坐標(biāo)方面,具有采集速度快、效率高等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。針對(duì)該技術(shù),羅德安等[3]對(duì)利用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行整體變形監(jiān)測(cè)的基本理論進(jìn)行了闡述;柏雯娟[4]提出了一種基于三維激光掃描技術(shù)的礦山開(kāi)采沉陷高精度監(jiān)測(cè)方法,認(rèn)為該技術(shù)在礦區(qū)沉陷變形監(jiān)測(cè)方面具有快速、高效的特點(diǎn),且監(jiān)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)值的誤差達(dá)到毫米級(jí)。為對(duì)礦區(qū)建筑物進(jìn)行高精度、高效率的變形監(jiān)測(cè),將三維激光掃描技術(shù)[5-7]與相似材料模型試驗(yàn)相結(jié)合,對(duì)基于三維激光掃描技術(shù)的礦區(qū)建筑物變形監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行研究。
利用三維激光掃描技術(shù)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系為如圖1所示的右手坐標(biāo)系[8],激光發(fā)射起點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)O,設(shè)備在水平狀態(tài)時(shí)的豎直軸為Z軸,掃描儀水平轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的初始方向?yàn)閄軸。設(shè)待測(cè)點(diǎn)P與原點(diǎn)O的距離為d,測(cè)得的水平掃描角和豎直掃描角分別為α、θ,則P點(diǎn)的三維坐標(biāo)可用下式進(jìn)行計(jì)算在如圖2所示的二維相似材料模型表面上布設(shè)了一系列黑白靶標(biāo),共布置了8行29列合計(jì)232個(gè)測(cè)點(diǎn),測(cè)點(diǎn)橫向間距為100 mm,在此基礎(chǔ)上采用全站式三維激光掃描儀對(duì)測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)進(jìn)行掃描,獲取各測(cè)點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。
圖1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)系Fig.1 Coordinate system of point clouds data
采用點(diǎn)云后處理軟件對(duì)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,進(jìn)而提取模型上黑白靶標(biāo)的三維坐標(biāo)(圖3)。
圖2 相似材料模型表面測(cè)點(diǎn)布置Fig.2 Distribution of the monitoring points in the surface of similar material model
圖3 模型觀測(cè)點(diǎn)特征提取Fig.3 Characteristics extraction of themonitoring points of the model
圖4 O-XYZ坐標(biāo)系與O′-X′Y′Z′坐標(biāo)系Fig.4 Coordinate system of O-XYZ and O′-X′Y′Z′
本研究試驗(yàn)僅獲取模型上同一測(cè)點(diǎn)在不同時(shí)刻X、Y方向的坐標(biāo)值,假定各測(cè)點(diǎn)Z方向的坐標(biāo)值為0,即各測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)系統(tǒng)為如圖4所示的O-XYZ目標(biāo)坐標(biāo)系。為將點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)由O′-X′Y′Z′坐標(biāo)系自動(dòng)轉(zhuǎn)換至O-XYZ坐標(biāo)系,本研究在模型左右兩側(cè)設(shè)定了不受開(kāi)采影響的固定點(diǎn)O、A、B、C(圖5),并且該類(lèi)點(diǎn)的坐標(biāo)值已知?;诓紶柹?參數(shù)轉(zhuǎn)換模型坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系[9-10],為提高坐標(biāo)轉(zhuǎn)換效率,采用MATLAB語(yǔ)言編寫(xiě)了如下程序:
圖5 固定點(diǎn)布設(shè)Fig.5 Setting of the fixed points
Function[aa]=bursa7(A,B)
Xa=A(;,1);Ya=A(;,2);Za=A(;,3);
Xa=B(;,1);Ya=B(;,2);Za=B(;,3);
L=[Xb-Xa;Yb-Ya;Zb-Za];
m=length(A);
If (m<3)
return;
end
C=[ones(m,1),zeros(m,1),zeros(m,1),zeros(m,1),-Za,Ya,Xa;
zeros(m,1),ones(m,1),zeros(m,1),Za,zeros(m,1),-Xa,Ya;
zeros(m,1),zeros(m,1),ones(m,1),-Ya,Xa,zeros(m,1),Za];
N=C′*C;W=C′*L;
aa=NW;
end
隨著模擬煤層開(kāi)挖,上覆巖層逐步產(chǎn)生了移動(dòng)變形,圖6為模擬煤層開(kāi)采過(guò)程中5個(gè)不同推進(jìn)距離(500,1 000,1 500,2 000,2 500 mm)條件下覆巖的下沉曲線,反映出隨著工作面不斷推進(jìn),煤層上覆巖層下沉量逐步增大的開(kāi)采沉陷一般規(guī)律[11-12]。
圖6 煤層上覆巖層下沉曲線Fig.6 Subsidence curve of the upperrock mass of coal seam ●—500 mm;■—1 000 mm;▲—1 500 mm;△—2 000 mm;○—2 500 mm
1.3.1 監(jiān)測(cè)效率分析
分別采用三維激光掃描儀和全站儀對(duì)不同數(shù)量(60、150、230)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了測(cè)量,所需時(shí)間見(jiàn)表1。分析表1可知:三維激光掃描耗時(shí)總體小于全站儀,且隨著觀測(cè)點(diǎn)數(shù)量增大,三維激光掃描的高效優(yōu)勢(shì)愈加明顯。
表1 測(cè)量耗時(shí)對(duì)比Table 1 Comparison of the measurementtime consumption of measurement
1.3.2 監(jiān)測(cè)精度分析
隨機(jī)選取60個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)作為精度分析樣本,將高精度全站儀(測(cè)距精度為1 mm+ 1.5×10-6D(D為測(cè)距),測(cè)角精度為0.5″)的測(cè)量數(shù)據(jù)作為真值,對(duì)三維激光掃描變形監(jiān)測(cè)精度進(jìn)行分析。將2組數(shù)據(jù)分別轉(zhuǎn)換至目標(biāo)坐標(biāo)系中。各測(cè)點(diǎn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)X、Y方向的真誤差如圖7所示。
根據(jù)真誤差,計(jì)算出各測(cè)點(diǎn)X方向的中誤差為0.45 mm,Y方向的中誤差為0.47 mm,點(diǎn)位中誤差為0.65 mm??紤]到本研究相似材料模型比例(1∶15),其所對(duì)應(yīng)的實(shí)際監(jiān)測(cè)誤差為9.75 mm,小于10 mm,可以滿(mǎn)足礦區(qū)沉陷變形監(jiān)測(cè)的精度要求(小于10 mm)[13-14]。
以某礦區(qū)的水塔為例,采用三維激光掃描技術(shù)對(duì)其進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)。在水塔外側(cè)布置了3行6列共18個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(間距為10 cm、行距均為20 cm),在測(cè)站附近布置了1個(gè)控制點(diǎn)作為三維激光掃描儀的后視控制點(diǎn),測(cè)點(diǎn)布置如圖8所示。
圖7 點(diǎn)云數(shù)據(jù)真誤差Fig.7 True error of point cloud data
根據(jù)本研究相似材料模型試驗(yàn)得出的變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理思路提取出水塔沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo),并與全站儀采集的該類(lèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)
行對(duì)比,其中測(cè)點(diǎn)的豎直坐標(biāo)監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知:通過(guò)三維激光掃描技術(shù)獲取的測(cè)點(diǎn)豎直方向的坐標(biāo)與全站儀獲取的數(shù)值相差較小,最大誤差僅為1.8 mm,遠(yuǎn)小于開(kāi)采沉陷監(jiān)測(cè)10 mm的精度要求。
表2 水塔表面測(cè)點(diǎn)豎直方向坐標(biāo)對(duì)比Table 2 Comparison of the vertical coordinates of themonitoring points on the surface of water tower m
為進(jìn)一步提升礦區(qū)建筑物變形監(jiān)測(cè)精度和工作效率,將三維激光掃描技術(shù)與相似材料模型試驗(yàn)相結(jié)合,對(duì)基于三維激光掃描技術(shù)的變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理流程進(jìn)行了詳細(xì)分析。某礦區(qū)水塔變形監(jiān)測(cè)實(shí)例分析表明,利用三維激光掃描技術(shù)獲取的變形監(jiān)測(cè)值與全站儀獲取的監(jiān)測(cè)值誤差較小,表明采用該技術(shù)進(jìn)行礦區(qū)建筑物變形監(jiān)測(cè)具有可行性。
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