1.項目概況

為了更好地支撐寧東國家級煤炭資源綠色開發(fā)，2016年中國地質(zhì)調(diào)查局部署實施了“秦嶺及寧東礦產(chǎn)資源集中開采區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查”項目，由中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心承擔(dān)，寧夏回族自治區(qū)遙感測繪勘查院參與。項目周期為2016—2018年。為解決傳統(tǒng)煤礦地面塌陷野外測量工作量大、周期長、同時易受外界條件影響的問題，開展了無人機機載三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用探索，通過典型采煤塌陷區(qū)無人機機載三維激光掃測量，分析地表變形量，初步建立一套效率高、精度高、自動化程度高的地面沉陷監(jiān)測技術(shù)方法，促進(jìn)了煤礦地面塌陷監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展。

2.成果簡介

（1）煤礦地面沉陷監(jiān)測的技術(shù)流程

根據(jù)煤礦監(jiān)測區(qū)地形特征和測量對象的形態(tài)，確定掃描測站點和控制點位置的布設(shè)方案，并在測區(qū)內(nèi)均勻布設(shè)一定數(shù)量的地表變形監(jiān)測標(biāo)志點。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行點云數(shù)據(jù)的外業(yè)采集、內(nèi)業(yè)處理和地面數(shù)字模型的建立，并對三維激光掃描測量數(shù)據(jù)的精度進(jìn)行評價，最后對多期建模數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析，總結(jié)建立了一套適用于礦區(qū)地面沉陷監(jiān)測技術(shù)流程。

（2）點云數(shù)據(jù)野外采集方法

點云數(shù)據(jù)外業(yè)采集過程中，由于地形特征、測量對象的形態(tài)、儀器間匹配等多種因素的影響，使得外業(yè)采集數(shù)據(jù)存在一定誤差。為了解決這一問題，在作業(yè)前，首先布設(shè)一定數(shù)量的沉陷監(jiān)測標(biāo)志點，便于點云數(shù)據(jù)的接收及精度的驗證；其次，按照要求布設(shè)航線；最后，安裝調(diào)試ScanlookV-IV便攜式激光雷達(dá)掃描儀，啟動無人機，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

根據(jù)機載激光雷達(dá)測量系統(tǒng)受天氣及地形因素影響小、能有效祛除植被等特點，同時根據(jù)無人機電池電量、GPS基站架設(shè)位置及地形特征，多次試驗，確定了適宜于坡度較小礦區(qū)的最優(yōu)航高（60m）、航帶寬參數(shù)（100m），對于深溝等特殊地形進(jìn)行航帶加密提高了數(shù)據(jù)采集精度。

飛行平臺和激光雷達(dá)采用北京某公司生產(chǎn)的BT-856八旋翼無人機系統(tǒng)和超輕便攜LIDAR系統(tǒng)SCANLOOK V系列（圖2），技術(shù)參數(shù)及性能指標(biāo)見表1。

圖2 無人機載激光雷達(dá)系統(tǒng)照片

（3）點云數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理方法

受掃描速度、設(shè)備精度、被測物體的表面情況、操作者的熟練程度等因素影響，原始點云數(shù)據(jù)包含著大量的噪聲點，為了最大程度減少測量數(shù)據(jù)的離散點和小振幅噪聲，必須對原始的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。首先進(jìn)行飛行軌跡解算、測區(qū)點云解算；其次進(jìn)行點云數(shù)據(jù)的拼接、去噪及抽稀等處理；最后對不同坐標(biāo)系的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行精確轉(zhuǎn)換，統(tǒng)一坐標(biāo)系。

為了提高點云數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理精度，在作業(yè)過程中，對異常點和散亂點采用軟件自動判別和人工目視判別相結(jié)合的方法，進(jìn)行去噪；在拼接過程中，刪除兩個飛行架次之間的重復(fù)數(shù)據(jù)，以減少數(shù)據(jù)量。

（4）建立地面數(shù)字模型

首先構(gòu)建三角網(wǎng)模型，修補多邊形形成較為完整的三角網(wǎng)模型，并去除錯誤的特征；其次，對多邊形數(shù)量的調(diào)整和平滑，并檢測與校正多邊形，以確定整個三角網(wǎng)模型沒有相交的三角形；最后，提取輪廓線，構(gòu)造曲面和網(wǎng)格，建立模型（圖3）。

研究大量點云數(shù)據(jù)三維建模的方法，分析了PolyWorks軟件在礦區(qū)地面沉陷方面建模的適用性，總結(jié)了Delaunay三角化建模方法及三角網(wǎng)格模型優(yōu)化方法。實現(xiàn)了礦區(qū)實際地形的大量點云數(shù)據(jù)的建模，并提取了兩期數(shù)據(jù)的整體變形信息和單點變形信息。

（5）基于水準(zhǔn)測量數(shù)據(jù)的精度分析

為了驗證激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的精度，將礦區(qū)已有的沉陷監(jiān)測標(biāo)志點水準(zhǔn)監(jiān)測數(shù)據(jù)與激光雷達(dá)測量數(shù)據(jù)的進(jìn)行對比，得到最大誤差為0.0828cm，平均誤差為0.0375cm。結(jié)果表明，利用機載三維激光掃描技術(shù)獲取的礦區(qū)地面沉陷信息是可行的，能達(dá)到很好的精度（表2）。

3.成果意義

傳統(tǒng)煤礦地面塌陷野外測量不但工作量大、周期長，易受外界條件影響，而且獲取的數(shù)據(jù)無法得到實際地形的細(xì)部特征。而機載激光雷達(dá)測量系統(tǒng)相對于其他搭載方式，具有受外界條件影響小、成本相對較低、作業(yè)周期短、精度高等優(yōu)點，該技術(shù)的出現(xiàn)彌補了傳統(tǒng)野外測量工作的弊端，為煤礦地面塌陷監(jiān)測提供了新的技術(shù)手段，具有很好的推廣應(yīng)用價值和產(chǎn)業(yè)化前景。