1.項(xiàng)目概況

為了更好地支撐寧東國(guó)家級(jí)煤炭資源綠色開發(fā)，2016年中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局部署實(shí)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(xiàng)目，由中國(guó)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(cè)繪勘查院參與。項(xiàng)目周期為2016—2018年。為解決傳統(tǒng)煤礦地面塌陷野外測(cè)量工作量大、周期長(zhǎng)、同時(shí)易受外界條件影響的問(wèn)題，開展了無(wú)人機(jī)機(jī)載三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用探索，通過(guò)典型采煤塌陷區(qū)無(wú)人機(jī)機(jī)載三維激光掃測(cè)量，分析地表變形量，初步建立一套效率高、精度高、自動(dòng)化程度高的地面沉陷監(jiān)測(cè)技術(shù)方法，促進(jìn)了煤礦地面塌陷監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展。

2.成果簡(jiǎn)介

（1）煤礦地面沉陷監(jiān)測(cè)的技術(shù)流程

根據(jù)煤礦監(jiān)測(cè)區(qū)地形特征和測(cè)量對(duì)象的形態(tài)，確定掃描測(cè)站點(diǎn)和控制點(diǎn)位置的布設(shè)方案，并在測(cè)區(qū)內(nèi)均勻布設(shè)一定數(shù)量的地表變形監(jiān)測(cè)標(biāo)志點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行點(diǎn)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(duì)三維激光掃描測(cè)量數(shù)據(jù)的精度進(jìn)行評(píng)價(jià)，最后對(duì)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(cè)技術(shù)流程。

（2）點(diǎn)云數(shù)據(jù)野外采集方法

點(diǎn)云數(shù)據(jù)外業(yè)采集過(guò)程中，由于地形特征、測(cè)量對(duì)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(wèn)題，在作業(yè)前，首先布設(shè)一定數(shù)量的沉陷監(jiān)測(cè)標(biāo)志點(diǎn)，便于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的接收及精度的驗(yàn)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(dòng)無(wú)人機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

根據(jù)機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)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(diǎn)，同時(shí)根據(jù)無(wú)人機(jī)電池電量、GPS基站架設(shè)位置及地形特征，多次試驗(yàn)，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(duì)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(tái)和激光雷達(dá)采用北京某公司生產(chǎn)的BT-856八旋翼無(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)照片

（3）點(diǎn)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(cè)物體的表面情況、操作者的熟練程度等因素影響，原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)包含著大量的噪聲點(diǎn)，為了最大程度減少測(cè)量數(shù)據(jù)的離散點(diǎn)和小振幅噪聲，必須對(duì)原始的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。首先進(jìn)行飛行軌跡解算、測(cè)區(qū)點(diǎn)云解算；其次進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接、去噪及抽稀等處理；最后對(duì)不同坐標(biāo)系的點(diǎn)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(diǎn)云數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理精度，在作業(yè)過(guò)程中，對(duì)異常點(diǎn)和散亂點(diǎn)采用軟件自動(dòng)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(guò)程中，刪除兩個(gè)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(bǔ)多邊形形成較為完整的三角網(wǎng)模型，并去除錯(cuò)誤的特征；其次，對(duì)多邊形數(shù)量的調(diào)整和平滑，并檢測(cè)與校正多邊形，以確定整個(gè)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)了礦區(qū)實(shí)際地形的大量點(diǎn)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(diǎn)變形信息。

（5）基于水準(zhǔn)測(cè)量數(shù)據(jù)的精度分析

為了驗(yàn)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(cè)標(biāo)志點(diǎn)水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與激光雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)的進(jìn)行對(duì)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(jī)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(cè)量不但工作量大、周期長(zhǎng)，易受外界條件影響，而且獲取的數(shù)據(jù)無(wú)法得到實(shí)際地形的細(xì)部特征。而機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)相對(duì)于其他搭載方式，具有受外界條件影響小、成本相對(duì)較低、作業(yè)周期短、精度高等優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)的出現(xiàn)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)野外測(cè)量工作的弊端，為煤礦地面塌陷監(jiān)測(cè)提供了新的技術(shù)手段，具有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值和產(chǎn)業(yè)化前景。