CN109253717A - 一种矿区地表沉降三维激光扫描地表沉降监测设站方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了矿区地表沉降监测方法技术领域的一种基于三维激光扫描的矿区地表沉降监测点布设方法，利用泰森多边形内任何位置离该多边形样点的特性，将矿区沉陷区域有效地划分多个泰森多边形，然后在泰森多边形样点处布设地表沉降监测点，按照一定的顺序从最外层向内规划监测路线，按规划的路线在监测点上架设三维激光扫描仪，定期获取沉陷区点云数据，地表沉降稳定后计算沉陷区地表沉降情况；本发明通过将沉陷区域有效地划分多个泰森多边形，保证三维激光扫描数据分布均匀，避免了盲区，有效提高了三维激光扫描提取矿区地表速度和后期点云数据处理的效率，并减少了后期处理的误差，同时解决了当沉陷区随着煤层开采而积水后，监测点布设问题。

Description

一种矿区地表沉降三维激光扫描地表沉降监测设站方法

技术领域

本发明涉及矿区地表沉降监测方法技术领域，具体涉及一种矿区地表沉降三维激光扫描地表沉降监测设站方法。

背景技术

矿区地下开采会引起上覆岩层破断、移动以及地表沉陷，导致地表沉陷区的建筑物发生破坏，所以需要对矿区地表沉陷区进行有效的沉降监测，从而制定相应的措施来减小地表沉陷对地表建筑物的破坏。传统矿区地表沉陷监测方法主要在塌陷盆地的走向和倾向主断面上布设一定密度的监测点，然后采用水准仪、经纬仪、全站仪等仪器方法，获取监测点不同时间的高程和坐标，最终计算得到监测点自身的下沉和水平移动值，但是该方法存在观测工作量大、获取数据量少、难以反映沉陷区复杂的整体变形形态。

近年来，随着科技的进步，测量仪器和测量技术也得到了长足的发展，出现了三维激光扫描仪这样可以大面积、高密度获取观测数据的仪器，其具有数据获取速度快、精度高、非接触等优势，逐渐在矿区开采沉陷监测中被应用。但是目前仍没有一种针对三维激光扫描的矿区地表沉降监测点布设方法，导致后续监测以及数据处理过程中出现一些问题。现有采用三维激光扫描仪进行矿区沉降监测的方法中，存在三维激光扫描仪的设站不固定，观测站的观测顺序不固定，每期观测的观测站位置不固定，观测站间距不固定，后期数据处理时点云难以匹配等问题。基于此，本发明设计了一种矿区地表沉降三维激光扫描地表沉降监测设站方法，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种矿区地表沉降三维激光扫描地表沉降监测设站方法，以解决上述背景技术中提出的现有技术的不足。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：其特征在于：所述具体步骤如下：

第一步根据采煤工作面的位置、尺寸以及地质采矿条件，预计工作面开采引起的地表沉陷范围，并提取下沉盆地的边界；

第二步先根据三维激光扫描仪的扫描参数确定最佳扫描半径，从地表下沉范围的中心开始绘制正六边形，所述三维激光扫描仪最佳扫描半径作为所述正六边形的中心到端点的距离，所述正六边形的中心为所述三维激光扫描仪初始设站的位置，依次从中间的所述正六边形向外扩展绘制正六边形，直到所述正六边形可以覆盖所有的地表下沉范围；

第三步结合沉陷区的实际地形，综合考虑设站的安全性、通视性、易架站性等因素，将初始观测站位置在所述正六边形的范围内进行调整，从而达到最佳观测条件；

第四步对调整后的设站点建立Delaunay三角网，在此基础上生成泰森多边形；

第五步按照一定的顺序从最外层向内规划监测路线，先测最外层的监测点架设所述三维激光扫描仪，然后在第二圈的所述监测点上架设所述三维激光扫描仪，以此类推，直到所有所述监测点都监测完毕；

第六步按上述测量路线，定期在每个所述监测点上架设所述三维激光扫描仪，获取相应的三维点云数据，然后以每站所述泰森多边形的范围裁剪三维点云，再将所有所述观测站的扫描数据进行拼合，获得沉陷区地表的所述三维点云数据，即沉陷区高程数据；当监测过程中地表沉陷会引起地表积水时，若积水区域淹没了所述观测站的位置，则从内到外依次减少所述观测站，其余所述观测站位置不受影响，观测顺序也不受影响，所述积水区域可以采用测深仪获取水下高程；

第七步地表沉降稳定后，根据相邻两期测得的所述沉陷区地表高程数据，采用公式(1)计算采煤沉陷区的下沉情况：

w(x,y)＝H₁(x,y)-H₂(x,y) (1)。

优选的，所述一定的顺序为顺时针顺序或逆时针顺序。

优选的，所述式(1)中中，w(x,y)为地表坐标为(x,y)的下沉值，H₁(x,y)、H₂(x,y)为相邻两期测得坐标(x,y)的高程值。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)利用泰森多边形的特性，将沉陷区域有效地划分多个泰森多边形，三维激光扫描仪扫描范围更加合理，获取的点云数据分布更均匀，避免了盲区，有效提高了三维激光扫描提取矿区地表速度和后期点云数据处理的效率，减少了后期处理的误差；

(2)合理将沉陷区规划成多个泰森多边形，有效地将监测点的数目控制在最少；

(3)采动过程中沉陷区积水时，仅需将已制定的监测路线从里到外适当减小监测点即可，原监测计划改变较小，解决了当沉陷区随着煤层开采而积水后，监测点布设问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明流程图。

图2为本发明根据工作面的情况预计地表移动盆地外边界图。

图3为本发明初始设站位置图。

图4为本发明调整初始观测站位置图。

图5为本发明根据调整的观测站位置生成Delaunay三角网以及泰森多边形图。

图6为本发明规划测量的路线图。

图7为本发明积水后调整观测站位置图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-7，本发明提供一种技术方案：其特征在于：所述具体步骤如下：

第一步根据采煤工作面的位置、尺寸以及地质采矿条件，预计工作面开采引起的地表沉陷范围，并提取下沉盆地的边界；

第二步先根据三维激光扫描仪的扫描参数确定最佳扫描半径，从地表下沉范围的中心开始绘制正六边形，所述三维激光扫描仪最佳扫描半径作为所述正六边形的中心到端点的距离，所述正六边形的中心为所述三维激光扫描仪初始设站的位置，依次从中间的所述正六边形向外扩展绘制正六边形，直到所述正六边形可以覆盖所有的地表下沉范围；

第三步结合沉陷区的实际地形，综合考虑设站的安全性、通视性、易架站性等因素，将初始观测站位置在所述正六边形的范围内进行调整，从而达到最佳观测条件；

第四步对调整后的设站点建立Delaunay三角网，在此基础上生成泰森多边形；

第五步按照一定的顺序从最外层向内规划监测路线，先测最外层的监测点架设所述三维激光扫描仪，然后在第二圈的所述监测点上架设所述三维激光扫描仪，以此类推，直到所有所述监测点都监测完毕；

第六步按上述测量路线，定期在每个所述监测点上架设所述三维激光扫描仪，获取相应的三维点云数据，然后以每站所述泰森多边形的范围裁剪三维点云，再将所有所述观测站的扫描数据进行拼合，获得沉陷区地表的所述三维点云数据，即沉陷区高程数据；当监测过程中地表沉陷会引起地表积水时，若积水区域淹没了所述观测站的位置，则从内到外依次减少所述观测站，其余所述观测站位置不受影响，观测顺序也不受影响，所述积水区域可以采用测深仪获取水下高程；

第七步地表沉降稳定后，根据相邻两期测得的所述沉陷区地表高程数据，采用公式(1)计算采煤沉陷区的下沉情况：

w(x,y)＝H₁(x,y)-H₂(x,y) (1)。

其中，一定的顺序为顺时针顺序或逆时针顺序，式(1)中中，w(x,y)为地表坐标为(x,y)的下沉值，H₁(x,y)、H₂(x,y)为相邻两期测得坐标(x,y)的高程值。

本实施例的一个具体应用为：首先根据采煤工作面的位置、尺寸以及地质采矿条件，预计工作面开采引起的地表沉陷范围，并提取下沉盆地的边界；然后先根据三维激光扫描仪的扫描参数确定最佳扫描半径，从地表下沉范围的中心开始绘制正六边形，所述三维激光扫描仪最佳扫描半径作为所述正六边形的中心到端点的距离，所述正六边形的中心为所述三维激光扫描仪初始设站的位置，依次从中间的所述正六边形向外扩展绘制正六边形，直到所述正六边形可以覆盖所有的地表下沉范围；再结合沉陷区的实际地形，综合考虑设站的安全性、通视性、易架站性等因素，将初始观测站位置在所述正六边形的范围内进行调整，从而达到最佳观测条件；之后对调整后的设站点建立Delaunay三角网，在此基础上生成泰森多边形；再按照一定的顺序从最外层向内规划监测路线，先测最外层的监测点架设所述三维激光扫描仪，然后在第二圈的所述监测点上架设所述三维激光扫描仪，以此类推，直到所有所述监测点都监测完毕；然后按上述测量路线，定期在每个所述监测点上架设所述三维激光扫描仪，获取相应的三维点云数据，然后以每站所述泰森多边形的范围裁剪三维点云，再将所有所述观测站的扫描数据进行拼合，获得沉陷区地表的所述三维点云数据，即沉陷区高程数据；当监测过程中地表沉陷会引起地表积水时，若积水区域淹没了所述观测站的位置，则从内到外依次减少所述观测站，其余所述观测站位置不受影响，观测顺序也不受影响，所述积水区域可以采用测深仪获取水下高程；最后等到地表沉降稳定后，根据相邻两期测得的所述沉陷区地表高程数据，计算采煤沉陷区的下沉情况。计算采用公式w(x,y)＝H₁(x,y)-H₂(x,y)。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (3)

1.一种矿区地表沉降三维激光扫描地表沉降监测设站方法，其特征在于：所述具体步骤如下：

第一步 根据采煤工作面的位置、尺寸以及地质采矿条件，预计工作面开采引起的地表沉陷范围，并提取下沉盆地的边界；

第二步 先根据三维激光扫描仪的扫描参数确定最佳扫描半径，从地表下沉范围的中心开始绘制正六边形，所述三维激光扫描仪最佳扫描半径作为所述正六边形的中心到端点的距离，所述正六边形的中心为所述三维激光扫描仪初始设站的位置，依次从中间的所述正六边形向外扩展绘制正六边形，直到所述正六边形可以覆盖所有的地表下沉范围；

第三步 结合沉陷区的实际地形，综合考虑设站的安全性、通视性、易架站性等因素，将初始观测站位置在所述正六边形的范围内进行调整，从而达到最佳观测条件；

第四步 对调整后的设站点建立Delaunay三角网，在此基础上生成泰森多边形；

第五步 按照一定的顺序从最外层向内规划监测路线，先测最外层的监测点架设所述三维激光扫描仪，然后在第二圈的所述监测点上架设所述三维激光扫描仪，以此类推，直到所有所述监测点都监测完毕；

第六步 按上述测量路线，定期在每个所述监测点上架设所述三维激光扫描仪，获取相应的三维点云数据，然后以每站所述泰森多边形的范围裁剪三维点云，再将所有所述观测站的扫描数据进行拼合，获得沉陷区地表的所述三维点云数据，即沉陷区高程数据；当监测过程中地表沉陷会引起地表积水时，若积水区域淹没了所述观测站的位置，则从内到外依次减少所述观测站，其余所述观测站位置不受影响，观测顺序也不受影响，所述积水区域可以采用测深仪获取水下高程；

第七步 地表沉降稳定后，根据相邻两期测得的所述沉陷区地表高程数据，采用公式(1)计算采煤沉陷区的下沉情况：

w(x,y)＝H₁(x,y)-H₂(x,y) (1)。

2.根据权利要求1所述的一种矿区地表沉降三维激光扫描地表沉降监测设站方法，其特征在于：所述一定的顺序为顺时针顺序或逆时针顺序。

3.根据权利要求1所述的一种矿区地表沉降三维激光扫描地表沉降监测设站方法，其特征在于：所述式(1)中中，w(x,y)为地表坐标为(x,y)的下沉值，H₁(x,y)、H₂(x,y)为相邻两期测得坐标(x,y)的高程值。