专利名称：矿区沉陷车载式激光测量方法
技术领域：
本发明属于矿山测量领域，特别是矿区沉陷区测量领域，涉及一种矿区沉陷车载式激光测量方法，尤其是利用激光点测距、激光线扫描、激光三维扫描以及GPS/MU/加速值组合补偿技术的矿区沉陷车载式激光测量方法。
背景技术：
矿产资源的大规模开发和利用，给人类带来巨大的社会效益和经济效益的同时， 也给人类的生产和生活造成一系列的环境问题和开采损害。矿区开采沉陷是由于矿物开采后形成采空区，其上部岩层在重力等作用下发生冒落、断裂、挤压、弯曲、移动等变形，传播到地面形成的，是主要的人工地质灾害之一 [I]。矿区地表沉陷发生在地下开采上方和露天开采活动附近区域。地下开采导致了大面积采空区，采空区面积扩大到一定范围后，岩层移动发展到地表，使地表产生移动和变形。在开采影响波及到地表以后，结果是受采动影响的地表从原有标高向下沉陷，从而在采空区上方地表形成一个比采空区面积大得多的沉陷区域，称为地表移动盆地，危及周边工业企业与民居建筑的安全。矿区开采引发的地面沉陷灾害，直接破坏了地表土地的自然状态，形成地表裂缝，改变了地表大气降水径流和汇水条件，影响灌溉，降低了土地可耕性，加剧荒漠化程度，降低了土地使用价值；而且由于水平变形和不均匀沉陷，造成沉陷区内工业和民用建(构)筑物、水利设施、交通设施等产生裂缝和扭曲等变形，直接影响人们的安全生产和日常生活，还可能引发地表突然坍塌，带来灾难性的后果[2]。矿区开采引起的地面沉陷是一个复杂的过程，要认识这一复杂过程中包含的规律，必须对开采沉陷的野外数据进行大范围、高分辨率、高精度的采集、整理和分析，在精确的实测资料基础上，研究并建立各种预测计算模型[3-4]。因此，沉陷监测是开采沉陷研究至关重要的课题。高效、快速、高精度的沉陷监测数据可为地面沉陷灾害预测、损失评估提供可靠的依据，进而为地面沉陷提供合理的治理措施，从而有效地控制沉陷，降低地面沉陷造成的损失[5]。“十二五”期间，中国在资源和环境领域的发展目标是到2015年，新建和生产矿区的地质环境得到全面治理，历史遗留的矿区地质环境恢复治理率达到35%以上。在矿区地质与地表环境的监测及恢复治理工作中，矿区开采沉陷的快速高精度监测是重要组成部分，也是对科技提出的重大挑战，亟需研发矿区地表沉陷的快速高精度监测成套技术系统， 突破地表沉陷高精度自动化监测关键技术，为构建数字矿山[6]提供支撑。提升我国应对矿区地质灾害的能力、装备和技术条件，为矿区地质与地表环境的动态监测及恢复治理工作做出贡献。研究现状早在19世纪中叶，矿区开采沉陷问题就已受到人们关注。1860年德国铁路部门为验证地下开采对铁路的影响，在鲁尔矿区对铁路进行了下沉测量；19世纪末期开始，前苏联、波兰、德国、澳大利亚、英国、加拿大、日本和美国等国家，对开采引起的地表沉陷变形规律进行了深入的研究，并取得了丰硕的成果。我国地表沉陷变形规律的研究工作始于20 世纪50年代，开滦“黑鸭子”观测站的建立标志着我国开采沉陷变形观测及其研究的开始； 其后，开滦、抚顺、阜新、大同、峰峰、焦作、淮南、平顶山、芙蓉等矿区先后制定了地表移动观测规划，并建立了一批岩层与地表移动观测站[7]。回顾矿区开采沉陷，其监测技术手段已由传统的经纬仪测坐标、钢尺测边长、水准仪测高程发展到使用全站仪、测量机器人进行岩移测量。近年随着空间对地观测技术的发展，传统测量方法已逐渐为GPS监测方法所替代[8]，较好地解决了地表某点连续动态变化监测的问题。尽管利用GPS并结合常规测量手段可以取得较高的精度，但仍然面临一些基本问题1)GPS在时间域上的分辨率很高，但在空间域上的分辨率无法达到很高；2)要对大范围沉陷区域进行监测，必须布设和维护大量的监测点，需要投入大量人财物；3)基准点的稳定性；4)野外观测作业周期长；5)垂直向精度较低；6)由沉陷点、线数据构建沉陷面必须经过数值内插，难以保证结果的精度等。因此，迫切需要改进目前的监测方法，研制新的高精度自动监测手段[9]。SAR(Synthetic Aperture Radar, SAR)是一种使用微波探测地表目标的主动式成像传感器，具有全天候、全天时成像能力，并能穿透某些地物表面[10]。SAR图像的每一分辨元的影像信息记录地表反射的能量大小和相位信号，一般以复数表示，故称之为单视复影像(SingleLook Complex, SLC)。由于 D-InSAR(Differential SAR Interferometry, D-InSAR)测量的距离向变化是一定面积的空间平均变化的估值，适合从长时间尺度上表达整个区域场的沉降趋势，且测量精度达毫米级，近年来在城市地表沉降研究中得到了广泛的应用[11]。然而，矿区地表沉陷与城市地表沉降和地下流体运移引起的地表沉降过程有所不同[12]。城市地表沉降和开采地下水和石油等引起的地表沉降是一种慢渐变、累积的沉降过程，而矿区地表沉陷过程相对比较集中，其变形量和变形速度均较城市等地表沉降更为明显，破坏性也更大[13]。矿区地表沉陷发生的过程主要在开采区域开始回采后并延续至开采活动结束后的一段时期内[14]。其过程分开始阶段、活跃阶段和衰退阶段。在矿区开采的开始阶段和衰退阶段，由于每天的沉陷量较小，因此可以一月进行I 2次观测。 然而在活跃阶段，由于每天的沉陷量最大可以达到20 30mm，甚至更大，在这些沉陷剧烈的成像区域，D-InSAR干涉图将表现出一系列紧密的干涉条纹，引起干涉相位混叠现象，无法有效地进行沉陷测量[15]。而从开采沉陷的整个地表移动过程中，活跃阶段要占到80% 左右的时间[16]，因此D-InSAR观测技术目前还无法支撑矿区地表沉陷监测的业务化运行。20世纪90年代初，以LiDAR(Light Detection And Ranging)为代表的空间对地观测技术在三维空间信息的实时获取方面产生了重大突破。机载LiDAR技术比较适合矿区大范围区域的测绘工作，多用于矿区的DEM数据生产，测量精度为分米级[18]，不能满足地表沉陷监测毫米级的精度要求，而且飞行成本较高；地面激光扫描测量精度较高[19]，但是测量范围相对较小，无法满足矿区大范围区域沉陷监测工作需要[20]。“十二五”期间，我国将重点规划建设13个亿吨级煤炭基地，这势必会造成更大的区域性环境影响，产生更多、更大、更复杂的地面沉陷问题。为了矿区的可持续性发展， “十二五”期间我国将建成十个矿区监测示范区，建立国家级矿区地质环境动态监测网，建立定期监测与应急监测相结合的国家、地方和矿山企业三级监测体系，建设全国矿山地质环境动态监测信息系统和数据库，以实现对我国矿山地质环境动态变化趋势的有效监控， 而采用新技术和新方法来监测、分析和治理矿区地表沉陷是重要任务之一。通过激光三维扫描获取空间信息的技术又称“实景复制技术”，它可以对复杂的环境及空间进行扫描操作，并直接将各种大型的、复杂的、不规则、标准或非标准的实体或实景的三维数据完整的采集到计算机中，进而重构出目标的三维模型以及点、线、面、体、空间等各种制图数据。激光三维扫描是集光、机、电和计算机于一体的非接触测量技术，激光扫描测量技术具有测量速度快、自动化程度高、分辨率高、可靠性高和相对精度高的特点，与传统测量方式相比具有很大的优越性，显著地提高了生产效率和质量，是最直接的、最具潜力的三维模型数据自动获取技术。我们认为，将快速机动的车载移动测量与高分辨率、高精度激光测量技术进行高效集成，不受时间和空间限制，多角度、多分辨率、高效、高精度、快速机动地获取地表沉陷信息，快速识别并提取沉陷区范围变化、最大下沉区变化、下沉速度变化等特征信息，是矿区开采沉陷自动监测的可行途径。参考文献[I]刘国林，张连蓬，成枢，等.合成孔径雷达干涉测量与全球定位系统数据融合监测矿区地表沉降的可行性分析[J].测绘通报，2005，(11) 10-13[2]吴立新，王金庄，刘延安，等.建(构)筑物下采煤条带理论与实践[M]·北京 中国矿业大学出版社，1994[3]何国清，杨伦，凌庚娣，等.矿山开采沉陷学[M].徐州中国矿业大学出版社， 1991[4]吴侃，靳建明.时序分析在开采沉陷动态参数预计中的应用[J].中国矿业大学学报，2000，29 (4) :413-415[5]周复旦，赵长胜，丁佩，李定鹏.开采沉陷预计在矿区土地复垦中的应用[J]. 金属矿石，2010，(10) =147-150[6]吴立新，殷作如，邓智毅，等.论21世纪的矿山——数字矿山[J].煤炭学报， 2000，25(4) :337-342[7]郑彬，郭文兵，桑培淼.我国开采沉陷动态过程的研究现状与展望[J].现代矿业，2009，(3) 11-13[8]蔡福禄.GPS-RTK技术用于开采沉陷观测试验数据处理及精度分析[J].矿山测量，2010，(4) 31-33[9]陈基伟.GPS-InSAR合成方法进行地面沉降研究与展望[J].遥感信息，2003，
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发明内容
本发明集成了激光三维扫描测量单元(I)、激光点测距单元(2)、激光线测量单元
(3)、IMU单元(4)、差分GPS单元及主天线(5)、GPS第二天线(6)、车轮编码器(7)、控制计算机⑶、数据采集计算机(9)、发电机(10)、载体车(11)以及控制电路、供电线路和网络通信线路等设备实现“矿区沉陷车载式激光测量方法”。如图I所示，IMU安装于车顶中央⑷，差分GPS接收机及天线(5)位于其上，GPS 第二天线(6)安装在车头，车轮编码器(7)以联轴方式安装在载体车左后轮上。使用I台扫描范围角为90°的三维扫描测量单元(I)，精度lcm，测距80m，每秒可获取50万个三维点信息，安装在车顶前方，沿途获取地物高分辨率点云数据，实现对矿区沉陷区的高分辨率高精度三维建模。集成了加速度计的激光线扫描传感器(3)安装在车底盘前部，激光线测量范围与车底盘宽度一致，监测车行驶过程中，基于激光三角测量原理，激光线扫描车底地表区域，两台CCD相机从左右方向拍摄激光线轮廓，根据激光线轮廓变化并结合加速度值， 解算出地表沉陷数值。在车体的两侧设置2台激光测距传感器(2)，测量速度50kHz，精度优于0. 15mm，再现性0. 2 μ m，测距lm，用于测量地面与车体的距离。MU单元(4)、差分GPS 接收机及天线(5)、GPS第二天线(6)分别用来测量载体车的姿态和位置。激光单点测距传感器、激光线扫描传感器，以及LiDAR三维测量仪获取的车体与地面的距离、位姿数据及加速度信息相融合，得到沉陷区地表的数字高程模型。如图2所示，矿区沉陷车载式激光测量方法主要包括4个方面I)矿区沉陷车载式激光测量的运动状态模型矿区沉陷车载式激光测量系统中，载体车与各种传感器通过高强度的机械零件连接成一个刚性体，即所有传感器在载体车上的安装位置与姿态是固定的，在载体车运动过程中，它们之间的位置和姿态也是不变的。因此可以将矿区沉陷车载式激光测量系统的运动按照刚体运动来进行分析。矿区沉陷车载式激光测量系统的运动状态可用一个十八维的向量来表示
M = {Sx,Sy,Sz,Rx,Ry,Rz, Vx，Vy，V:, ωχ，ωγ, ω:, as，ay，α:, τσχ，my, m_}在刚体运动的惯性坐标系(空间直角坐标系)内，(Sx, Sy, SZ)T为矿区沉陷车载式激光测量系统的空间位移向量，(Rx，Ry，Rz)T为姿态向量，(Vx，Vy，Vz)T为速度向量，(ωχ，Wy,
ωζ)τ为角速度向量，(ax，ay，az)T为加速度向量，( 为角加速度向量。根据运动学关于位移、速度和加速度的关系有
^ ^χ νλΜ/T . V \ V01 r71 ΩνV+O,=+v0yt+UzJ50ζ K0JVJt \ 0 JSla ^dt\根据刚体运动动力学分析，位移对时间的一阶导数是速度、二阶导数是加速度，刚体在空间中的运动轨迹是平滑的，即一阶导数和二阶导数是连续的，因为刚体的速度和加速度不可能是无穷大的。根据运动学关于角位移、角速度和角加速度的关系有
IX (,M^ X \ O^t、RRy 八0+-Ry 八0+ωζ +\[^y{t)dt2Rl V0/K jOR: \ 0 JSlm ^dt\根据刚体运动动力学分析，角位移对时间的一阶导数是角速度、二阶导数是角加速度，刚体在空间中的姿态变化是平滑的，即一阶导数和二阶导数是连续的。从刚体的运动动力学分析可以看出，刚体在运动过程中，在一个时刻只可能在一个空间位置和姿态出现， 从而实现了矿区沉陷车载式激光测量系统运动的时间和空间的统一。2)基于GPS/MU/加速度计组合的颠簸误差补偿模型矿区沉陷区地形比较复杂，车载平台行驶过程中不可避免地会出现起伏颠簸，因此在激光测量数据中消除掉车体颠簸影响是准确测量地表高程信息的关键。本发明基于 GPS/IMU/加速度计组合测量，通过差分改正解算出车载平台移动过程中的精确位姿参数。(I)GPS定位的基本数据模型p/ (O = P； (/) + Δρ/ (/) + cSt, (0+ Δ{人(/) + Δ( 7. ( )其中片(O为观测历元t时刻，卫星j至接收机i之伪距；P!⑴为观测历元t时刻，卫星j至接收机i之几何距离；Δρ/ 为观测历元t时刻，卫星j轨道误差对伪距的影响；δ \ (t)为观测历元t时刻，接收机i相对于GPS标准时间之钟差；c为光速；Aijg G)为观测历元t时刻，电离层折射对伪距的影响；为观测历元t时刻，对流层折射对伪距的影响。
其中，GPS定位的主要误差来源有GPS卫星误差、信号传播误差和信号接收误差。 与GPS卫星有关的误差包括卫星钟差、卫星的轨道误差。控制此项误差要建立GPS差分系统，引入差分信号加以削弱或消除。信号传播误差主要来自电离层折射误差、多路径效应的影响和对流层折射的影响。这些涉及到GPS设备及工作环境，通过差分技术可减少部分影响，同时要考虑GPS接收机的性能。与接收机有关的误差包括接收机钟差、观测误差和载波相位观测值的整周模糊度影响。可利用其它传感器校正、重复观测、多源数据联合解算等方法加以控制。(2) IMU姿态误差模型IMU姿态误差主要来源于三轴陀螺和三轴加速度计的积分误差
权利要求
1.一种矿区沉陷车载式激光测量方法，其特征在于，矿区沉陷车载式激光测量系统由激光三维扫描测量单元(I)、激光点测距单元(2)、激光线测量单元(3) UMU单元(4)、差分 GPS单元及主天线(5)、GPS第二天线(6)、车轮编码器(7)、控制计算机(8)、数据采集计算机(9)、发电机(10)、载体车(11)以及控制电路、供电线路和网络通信线路等设备构成。
2.根据权利要求I所述的矿区沉陷车载式激光测量方法，其特征在于，IMU安装于车顶中央(4)，差分GPS接收机及天线(5)位于其上，GPS第二天线(6)安装在车头，车轮编码器(7)以联轴方式安装在载体车左后轮上。使用I台扫描范围角为90°的激光三维扫描测量单元(I)，精度1cm，测距80m，每秒可获取50万个三维点信息，安装在车顶前方，沿途获取地物高分辨率点云数据，实现对矿区沉陷区的高分辨率高精度三维建模。
3.根据权利要求I所述的矿区沉陷车载式激光测量方法，其特征在于，集成了加速度计的激光线扫描传感器(3)安装在车底盘前部，激光线测量范围与车底盘宽度一致，监测车行驶过程中，基于激光三角测量原理，激光线扫描车底地表区域，两台CCD相机从左右方向拍摄激光线轮廓，根据激光线轮廓变化并结合加速度值，解算出地表沉陷数值。
4.根据权利要求I所述的矿区沉陷车载式激光测量方法，其特征在于，在车体的两侧设置2台激光测距传感器(2)，测量速度50kHz，精度优于O. 15mm,再现性O. 2 μ m,测距Im, 用于测量地面与车体的距离。IMU单元(4)、差分GPS接收机及天线(5)、GPS第二天线(6) 分别用来测量载体车的姿态和位置。激光单点测距传感器、激光线扫描传感器，以及LiDAR 三维测量仪获取的车体与地面的距离、位姿数据及加速度信息相融合，得到沉陷区地表的数字高程模型。
5.根据权利要求2、3和4所述的矿区沉陷车载式激光测量方法，其特征在于，激光三维点云、激光线扫描数据与激光点测距值的融合与沉陷区地形高精度三维重建方法。针对矿区沉陷特点，以及激光三维扫描仪、激光线扫描数据、激光点测距数据特点与信息特征激光点测距系统能精确获取行驶路线上纵断面上的2个地表点数据，精度优于O. 15mm ;激光线扫描系统的测量范围可覆盖整个载体车底盘范围，获取的是在扫描平面内，被测对象表面相对激光线扫描系统测量原点的位置坐标，精度可达1_。车载激光三维扫描仪系统能远距离、大范围、快速获取沉陷区域高分辨率点云信息，精度可达1cm。
6.根据权利要求5所述的矿区沉陷车载式激光测量方法，其特征在于，对矿区沉陷区域地表点高程信息的两次测量结果进行求差，可精确解算出沉陷量，实现高效(速度O 60Km/h)、高分辨率(沉陷数据采样间隔小于lm，沉陷数据的空间定位精度优于5m)、大范围 (激光测量范围可覆盖行驶路线周围80m范围)、高精度(沉陷监测精度达到Icm)的矿区沉陷自动监测。
7.根据权利要求6所述的矿区沉陷车载式激光测量方法，其特征在于，矿区沉陷区地形比较复杂，车载平台行驶过程中不可避免地会出现起伏颠簸，因此在激光测量数据中消除掉车体颠簸影响是准确测量地表高程信息的关键。本发明基于GPS/MU/加速度计组合测量，建立了基于GPS/MU/加速度计组合的颠簸误差补偿模型，通过差分改正解算出车载平台移动过程中的精确位姿参数。
8.根据权利要求7所述的基于GPS/IMU/加速度计组合的颠簸误差补偿模型，其特征在于，需要建立GPS定位的基本数据模型、IMU姿态误差模型和集成加速度计的惯性补偿模型。其中，激光测量值是沉陷区纵断面高程信息和车体的颠簸的综合，在测量过程中使用GPS/IMU测定车载平台的位置与姿态参数后，利用加速度计测量出载体车体运动过程中激光传感器的颠簸偏移量；将集成在各传感器上的加速度计测量得到的加速度值对时间进行二次积分，建立惯性补偿模型，然后基于惯性补偿模型，对测得的激光测量值和加速度值进行有效融合和误差校正，对激光传感器获取的数据进行滤波，消除颠簸误差，最终实现沉陷区地表点高程信息的移动测量和高精确解算。
9.根据权利要求8所述的激光三维点云、激光线扫描数据与激光点测距值的融合与沉陷区地形高精度三维重建方法，其特征在于，在对车辆运动进行动力学分析的基础上，建立了基于多项式拟合的车辆运行轨迹处理方法、矿区沉陷车载式激光测量系统的运动状态模型、基于GPS/MU/加速度计组合的颠簸误差补偿模型方法、将激光三维点云、激光线扫描数据与激光点测距高程信息进行高效高精度融合，整体提高沉陷测量数据精度，实现快速、 多角度、高分辨率、高精度地沉陷区地表三维重建。
10.根据权利要求9所述的矿区沉陷车载式激光测量方法，其特征在于，矿区沉陷快速高精度动态监测与空间三维分析方法。利用“矿区沉陷车载式激光测量系统”对矿区沉陷区进行连续观测的基础上，建立沉陷区地表高精度三维模型，依据时间序列进行地表高程差异检测，自动识别出发生沉陷的区域，提取出沉陷特征，实现矿区沉陷快速高精度三维动态监测。在沉陷区域内建立矿区沉陷三维可视化模型，对观测点在水平、垂直以及任意方向上的空间三维移动向量及变形曲线进行分析；针对矿区沉陷情况的空间三维评估方法，实现对沉陷范围变化、最大下沉区变化、下沉速度变化的时间序列分析和空间三维分析评估。
全文摘要
本发明公开了一种面向矿区开采造成的地表沉陷监测需求，车载式激光三维扫描仪、激光线扫描系统与激光点测距系统高效集成的矿区沉陷车载式激光测量方法。利用本发明对矿区沉陷区进行连续观测，建立沉陷区地表高精度三维模型，基于时间序列进行地表高程差异检测，自动识别出沉陷区域，提取出沉陷特征；进而建立矿区沉陷三维可视化模型，对观测点在水平、垂直以及任意方向上的空间三维移动向量及变形曲线进行分析，实现对沉陷范围变化、最大下沉区变化、下沉速度变化的时间序列分析和空间三维分析评估，为矿区地质环境的监测及恢复治理提供决策依据。
文档编号G01C5/00GK102607512SQ201110026660
公开日2012年7月25日 申请日期2011年1月25日 优先权日2011年1月25日
发明者吴立新, 王植 申请人:吴立新, 王植