无标石地表沉陷盆地多回波扫描获取方法研究

Along with the transferring of coal resources development center to large-scale mining in western eco-fragile regions and deep mining in eastern densely populated areas, sufficient data should be measured to satisfy the production planning and environmental protection need of the new condition. This program explores key techniques of obtaining information about displacement and deformation in subsidence areas through 3D laser without burying markstone, by means of free-setting stations, aiming at tackling existing problems of scarce data, limited coverage and measure points hard saving under current technology. In this study, we research the merits and faults of obtaining in cloud points with several forms of free-setting station, analyze different objects’ features in terms of echo, color and luminance in point cloud data. Then we find out the subsidence acquisition theory and Horizontal displacement extraction algorithm on the basis of authentic terrain point cloud data and typical terrain contour features, respectively. The research results will provide technological supports for breaking through bottleneck of current mining subsidence monitoring technique, implementing real-time, fast, efficient and overall observations, accelerating the development of mining subsidence research, as well promoting harmony and unity between the development and utility of coal resources and the protection of environment.

随着煤炭资源开发重心向西部生态脆弱区规模化开采和东部人口聚居区深部开采的转移，需要足够的实测资料为新形势下矿区生产规划和环境保护提供数据保障。针对现有沉陷数据获取方法中的测点保存困难、数据量少、覆盖面窄等缺陷，本项目研究基于三维激光扫描系统不埋标石、自由设站获取沉陷区整体移动变形信息的关键问题。项目在开展不同类型自由设站方法进行点云数据获取优缺点研究的基础上，分析各种类型地物（地貌）在点云数据回波特征、颜色特征、亮度特征中的呈现形式，进行真实地形、临时地貌、永久地物的准确分类；进而研究基于真实地形点云数据的沉陷求取理论和基于典型地物轮廓特征的水平移动提取算法，实现沉陷盆地移动变形信息的准确全面获取。研究成果为突破目前开采沉陷监测技术瓶颈，实现沉陷盆地实时、快速、高效、全面观测，促进开采沉陷研究快速发展，推动煤炭资源开发利用和生态环境保护的和谐统一提供技术支撑。

掌握开采引起的地表沉陷变形规律，对指导我国煤炭资源的有序规划开采和老采空区土地资源合理利用具有重要现实意义。针对现有沉陷数据获取方法中的测点保存困难、数据量少、覆盖面窄等缺陷，本项目研究了通过三维激光扫描系统融合短基线GPS的方法，实现不埋标石自由设站获取沉陷区整体移动变形信息中的关键问题。首先分析了三维激光扫描技术的误差来源，采用实测的方法获得了三维激光扫描不同应用场景可达到的精度，证明了三维激光扫描技术在矿区沉陷监测中的可用性，然后开展了三维激光扫描系统融合短基线GPS技术实现沉陷区全局坐标获取的实验分析工作，结果表明扫描半径不超过50m的三维激光扫描点云数据和采集时间不低于30分钟的短基线GPS数据在采用图形匹配方法融合后，可满足矿区沉陷监测的精度需求。提出了基于Lagrange算子与曲面拟合的点云滤波方法、基于点云均匀度的植被点分类方法和基于曲率特征的ICP配准方法等方法，实现了点云数据的地形/地物分类和整体点云的配准。在变形信息提取方面，完善了基于DEM的地表沉陷提取和基于树木特征的水平移动提取算法，提出了基于欧式距离的特征点/线提取方法和基于多级ICP迭代的地表变形提取方法，实现了基于点云数据的沉陷盆地移动变形信息自由设站准确获取。部分研究成果通过了中国煤炭工业协会组织的科技成果鉴定，成功应用于三个煤矿的开采沉陷监测工作中，解决了煤矿企业当前面临的开采沉陷监测难题，创造了良好的经济效益和社会效益。