基于地面激光三維的露天礦邊坡監(jiān)測研究

羅坤

摘要：地面三維激光掃描儀可以無接觸被測目標(biāo)而直接獲得其表面的高精度、高密度的空間三維坐標(biāo)，即點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后對其處理后并構(gòu)造出高精度、高分辨率的三維數(shù)字模型，因此，廣泛地應(yīng)用在邊坡變形監(jiān)測之中。論文詳細(xì)地介紹了地面三維激光掃描儀，在此基礎(chǔ)上結(jié)合露天礦山邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)及處理后成果的分析，探索了基于地面三維激光掃描的露天礦山邊坡變形監(jiān)測理論與方法。

關(guān)鍵詞：激光，三維，邊坡，變形監(jiān)測

Research on Slope Monitoring of Open Pit Mine Based on Surface Laser 3D

LUO Kun

（Geological Survey Brigade of Guizhou Coalfield Geology Bureau， Guiyang， Guizhou Province， 520100 China）

Abstract： The 3D laser scanner on the ground can directly obtain the high-precision and high-density 3D coordinates of the surface of the measured object， that is， the point cloud data， and then process them to construct a high-precision and high-resolution 3D digital model. Therefore， it is widely used in slope deformation monitoring. In this paper， the ground 3D laser scanner is introduced in detail. On this basis， combined with the analysis of slope monitoring data and processing results of open-pit mine， the theory and method of slope deformation monitoring of open-pit mine based on ground 3D laser scanning are explored.

Key Words： Laser; 3D; Slope; Deformation monitoring

本世紀(jì)以來，隨著礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用，國內(nèi)外露天礦采礦規(guī)模逐步擴(kuò)大，按現(xiàn)有礦山生產(chǎn)能力計(jì)算，國內(nèi)露天礦開采的鐵礦約占90%，有色金屬礦約占52%，煤炭礦占10%以下，還有持續(xù)增長的趨勢^[1]。隨著露天礦山開采的不斷進(jìn)行，逐漸步入深部開采階段，導(dǎo)致礦區(qū)的四周形成多個(gè)階梯狀臺階組成的邊坡。開采過程中，邊坡受日常的爆破振動、汽車運(yùn)輸過程中的擾動以及環(huán)境對巖體風(fēng)化作用等外界自然環(huán)境因素的影響，致使其穩(wěn)定性受到重大影響^[2]。邊坡穩(wěn)定性是礦山開采面對的一個(gè)重大問題，特別是近些年來，加上極端天氣多發(fā)，由此而誘發(fā)的礦山邊坡失穩(wěn)事故呈多發(fā)態(tài)勢^[3]。

邊坡在發(fā)生滑坡前，有一段遲緩的偏移過程，所以可以采用合適的方法對礦山的安全重要的邊坡進(jìn)行監(jiān)測。根據(jù)不同周期的數(shù)據(jù)，對邊坡整體的變化趨向進(jìn)行分析，找到變形嚴(yán)重區(qū)域并利用理論模型進(jìn)行預(yù)測^[4]。

1 研究區(qū)概況

某礦山經(jīng)過近20年來的露天開采，目前采空區(qū)形成深凹陷的橢圓形深坑（如圖1所示），長跨度約750m，寬約為450m，最小高程值為-36m;周邊高邊坡，邊坡與開采區(qū)高差均在100m以上，西邊達(dá)200m以上。圖中A區(qū)為目前開采區(qū)，其他區(qū)域?yàn)榉情_采區(qū)，而對非開采區(qū)進(jìn)行穩(wěn)定性監(jiān)測就是本文研究的內(nèi)容。根據(jù)實(shí)地勘察，礦區(qū)北邊的入口比鄰多個(gè)大面積的水坑或塘，隨著開采的不斷深入，周邊邊坡高差逐漸加大，若遇雨季，積水坑水也會向開采區(qū)滲透，這些不利因素，越來越影響礦山開采，這就使得開展礦區(qū)及邊坡安全監(jiān)測工作至關(guān)重要。本文選擇圖中B區(qū)為實(shí)驗(yàn)場地，該區(qū)域鄰近開采區(qū)，且在變形監(jiān)測之前已有局部邊坡發(fā)生了滑坡，邊坡上下最高以形成70米的陡峭，最低也有45米的陡峭，如果再無監(jiān)測地讓滑坡現(xiàn)象發(fā)生，會直接影響開采區(qū)的安全，所以對該區(qū)域進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究很有必要性和代表性。

圖1 某礦山鳥瞰圖

2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

利用掃描儀在數(shù)據(jù)采集過程中，與常規(guī)測量相同，需要對數(shù)據(jù)采集對象的空間位置和形態(tài)分布提前進(jìn)行考察，并通過考察情況確定方案，最終實(shí)現(xiàn)三維場景的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集，點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取的流程圖如圖2所示。

圖2 點(diǎn)云獲取步驟

3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

根據(jù)要求，礦山邊坡地面三維激光掃描周期為2019年6月-2019年11月，每月進(jìn)行一次觀測掃描，時(shí)間分別為（月/日）：6/25、7/20、8/11、9/15、10/19、11/4，每期進(jìn)行三站掃描完成，總共十八幅點(diǎn)云數(shù)據(jù)。為了能更精確地利用數(shù)據(jù)重建模型，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括：數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)、數(shù)據(jù)的去噪和簡化、三維建模。

3.1點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

為了獲得完整的邊坡模型，必須將收集的數(shù)據(jù)統(tǒng)一在實(shí)際的工程坐標(biāo)系下。本文中的配準(zhǔn)作業(yè)使用Rieglvz-1000地面3D激光掃描儀自己支持的Riscan Pro軟件，并使用其多站點(diǎn)注冊功能進(jìn)行自動拼接：首先，使用扁平法線過濾器模塊（Plane patch fiter）計(jì)算每個(gè)平面的法線，將最大平面誤差設(shè)置為0.01 m，并且每個(gè)平面中的最小點(diǎn)云數(shù)不得超過30;然后旋轉(zhuǎn)目標(biāo)點(diǎn)云以使其彼此更接近;最終根據(jù)同一地點(diǎn)兩個(gè)站點(diǎn)云之間的最遠(yuǎn)距離進(jìn)行調(diào)整，并使用最小二乘法計(jì)算搜索半徑，直到配準(zhǔn)誤差最小。

3.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪和簡化

斜坡表面的植被很少，主要是雜草、灌木和人工痕跡。 Riscan Pro集成點(diǎn)云處理軟件中的植被去除模塊可用于去除植被和去除信號點(diǎn)云。對于空氣對于灰塵顆粒和濃厚的誤差點(diǎn)云，可以選擇軟件偏差過濾器工具以反射率的形式顯示數(shù)據(jù)，偏差范圍的經(jīng)驗(yàn)值在0到50之間。

為了提高后表面重建的效率和質(zhì)量，有必要根據(jù)一定的要求減少數(shù)據(jù)量，即簡化數(shù)據(jù)。使用Riscan Pro中八叉樹數(shù)據(jù)抽稀方法進(jìn)行數(shù)據(jù)簡化。此方法可用于X，Y和Z數(shù)據(jù)，在上方設(shè)置抽稀密度。根據(jù)斜坡實(shí)際結(jié)構(gòu)的平整度，本文檔選擇了不同的抽稀密度來對數(shù)據(jù)抽稀。

圖3 數(shù)據(jù)簡化前后對比圖

3.3 三維建模

采用不規(guī)則三角網(wǎng)表示數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model），也稱DEM，DEM是一種連續(xù)表面的柵格制圖表達(dá)，此類數(shù)據(jù)主要取決于分辨率，由于構(gòu)成三角網(wǎng)的各個(gè)點(diǎn)都是原始數(shù)據(jù)，避免了內(nèi)插損失，所以DEM能很好地估計(jì)地勢的點(diǎn)和線來表示地形。本文利用Riscan Pro和Geomagic軟件相互輔助對研究區(qū)邊坡進(jìn)行了三維建模。按照Delaunay規(guī)則對預(yù)處理后的邊坡數(shù)據(jù)進(jìn)行剖分，構(gòu)建TIN，生成mesh模型圖如圖4。

圖4 邊坡Mesh模型

將預(yù)處理后數(shù)據(jù)導(dǎo)出為txt格式，將其導(dǎo)入Geomagic Studio13中。Geomagic Studio13軟件重建三維模型主要有點(diǎn)和多邊形處理階段，經(jīng)過處理，點(diǎn)云信息不免會缺失，可通過“填充孔”進(jìn)行多邊形的修補(bǔ)^[5]。

4 越堡礦山邊坡變形監(jiān)測與分析

處理數(shù)據(jù)后，將對其進(jìn)行監(jiān)測分析以確保穩(wěn)定性。本文的主要任務(wù)是利用獲得的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)分析露天礦的邊坡位移和變形趨勢。變形分析的主要內(nèi)容是：（1）邊坡的常規(guī)DEM重疊分析。在不同觀測日期收集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)形成的DEM將有所不同。疊加不同的DEM來分析這些變化并確定露天礦邊坡的表面位移^[6]; （2）邊坡切片疊加分析，為了更直觀地觀察邊坡變形并執(zhí)行由完整幾何模型的深度圖像形成的深度圖像分割，曲面對象模型的表面是使用2D深度點(diǎn)和3D空間點(diǎn)之間的一對一映射關(guān)系將其劃分為表面分割。對在不同時(shí)期獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成的坡度輪廓線也進(jìn)行了修改，并通過疊加多周期輪廓線來判斷坡度變化;（3） 近景攝影測量技術(shù)的比較驗(yàn)證，以消除該技術(shù)獨(dú)特的地面3D激光掃描還執(zhí)行攝影測量圖像數(shù)據(jù)收集和圖像控制點(diǎn)坐標(biāo)收集，使用同期攝影測量技術(shù)可處理和分析坡度數(shù)據(jù)，并與3D激光掃描技術(shù)進(jìn)行比較和分析并相互驗(yàn)證。通過以上分析和驗(yàn)證，可以對露天礦山邊坡的變形做出合理的推斷，為礦山邊坡的災(zāi)害管理提供科學(xué)依據(jù)^[7]。

以第1期模型作為基準(zhǔn)面，即測試模型，分別以后5期DEM模型作為參考模型，進(jìn)行DEM疊加。得出第二期（7月份）、第四期（9月份）、第五期（10月份）邊坡南端靠近開采區(qū)位置出現(xiàn)變形滑坡。

5 結(jié)束語

本文將地面三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用到某礦山的北半部分的西邊邊坡體實(shí)例監(jiān)測中，利用多時(shí)相邊坡整體DEM疊加分析方法基于邊坡面特征對邊坡整體進(jìn)行變形監(jiān)測與分析，相鄰DEM疊加差分圖顯示第二（7月份）、第四（9月份）和第五期（10月份）邊坡發(fā)生大程度的滑坡變形現(xiàn)象，證明了地面激光三維方法在變形監(jiān)測上的有效性。

參考文獻(xiàn)：

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