1.項目概況

為(wei) 了更好地支撐寧東(dong) 國家級煤炭資源綠色開發，2016年中國地質調查局部署實施了“秦嶺及寧東(dong) 礦產(chan) 資源集中開采區礦山地質環境調查”項目，由中國地質調查局西安地質調查中心承擔，寧夏回族自治區遙感測繪勘查院參與(yu) 。項目周期為(wei) 2016—2018年。為(wei) 解決(jue) 傳(chuan) 統煤礦地麵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應用探索，通過典型采煤塌陷區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、自動化程度高的地麵沉陷監測技術方法，促進了煤礦地麵塌陷監測技術的發展。

2.成果簡介

（1）煤礦地麵沉陷監測的技術流程

根據煤礦監測區地形特征和測量對象的形態，確定掃描測站點和控製點位置的布設方案，並在測區內(nei) 均勻布設一定數量的地表變形監測標誌點。在此基礎上，進行點雲(yun) 數據的外業(ye) 采集、內(nei) 業(ye) 處理和地麵數字模型的建立，並對三維激光掃描測量數據的精度進行評價(jia) ，最後對多期建模數據進行疊加分析，總結建立了一套適用於(yu) 礦區地麵沉陷監測技術流程。

（2）點雲(yun) 數據野外采集方法

點雲(yun) 數據外業(ye) 采集過程中，由於(yu) 地形特征、測量對象的形態、儀(yi) 器間匹配等多種因素的影響，使得外業(ye) 采集數據存在一定誤差。為(wei) 了解決(jue) 這一問題，在作業(ye) 前，首先布設一定數量的沉陷監測標誌點，便於(yu) 點雲(yun) 數據的接收及精度的驗證；其次，按照要求布設航線；最後，安裝調試ScanlookV-IV便攜式激光雷達掃描儀(yi) ，啟動無人機，進行數據采集。

根據機載激光雷達測量係統受天氣及地形因素影響小、能有效祛除植被等特點，同時根據無人機電池電量、GPS基站架設位置及地形特征，多次試驗，確定了適宜於(yu) 坡度較小礦區的最優(you) 航高（60m）、航帶寬參數（100m），對於(yu) 深溝等特殊地形進行航帶加密提高了數據采集精度。

飛行平台和激光雷達采用北京某公司生產(chan) 的BT-856八旋翼無人機係統和超輕便攜LIDAR係統SCANLOOK V係列（圖2），技術參數及性能指標見表1。

圖2 無人機載激光雷達係統照片

（3）點雲(yun) 數據內(nei) 業(ye) 處理方法

受掃描速度、設備精度、被測物體(ti) 的表麵情況、操作者的熟練程度等因素影響，原始點雲(yun) 數據包含著大量的噪聲點，為(wei) 了最大程度減少測量數據的離散點和小振幅噪聲，必須對原始的點雲(yun) 數據進行預處理。首先進行飛行軌跡解算、測區點雲(yun) 解算；其次進行點雲(yun) 數據的拚接、去噪及抽稀等處理；最後對不同坐標係的點雲(yun) 數據進行精確轉換，統一坐標係。

為(wei) 了提高點雲(yun) 數據內(nei) 業(ye) 處理精度，在作業(ye) 過程中，對異常點和散亂(luan) 點采用軟件自動判別和人工目視判別相結合的方法，進行去噪；在拚接過程中，刪除兩(liang) 個(ge) 飛行架次之間的重複數據，以減少數據量。

（4）建立地麵數字模型

首先構建三角網模型，修補多邊形形成較為(wei) 完整的三角網模型，並去除錯誤的特征；其次，對多邊形數量的調整和平滑，並檢測與(yu) 校正多邊形，以確定整個(ge) 三角網模型沒有相交的三角形；最後，提取輪廓線，構造曲麵和網格，建立模型（圖3）。

研究大量點雲(yun) 數據三維建模的方法，分析了PolyWorks軟件在礦區地麵沉陷方麵建模的適用性，總結了Delaunay三角化建模方法及三角網格模型優(you) 化方法。實現了礦區實際地形的大量點雲(yun) 數據的建模，並提取了兩(liang) 期數據的整體(ti) 變形信息和單點變形信息。

（5）基於(yu) 水準測量數據的精度分析

為(wei) 了驗證激光雷達數據的精度，將礦區已有的沉陷監測標誌點水準監測數據與(yu) 激光雷達測量數據的進行對比，得到最大誤差為(wei) 0.0828cm，平均誤差為(wei) 0.0375cm。結果表明，利用機載三維激光掃描技術獲取的礦區地麵沉陷信息是可行的，能達到很好的精度（表2）。

3.成果意義(yi)

傳(chuan) 統煤礦地麵塌陷野外測量不但工作量大、周期長，易受外界條件影響，而且獲取的數據無法得到實際地形的細部特征。而機載激光雷達測量係統相對於(yu) 其他搭載方式，具有受外界條件影響小、成本相對較低、作業(ye) 周期短、精度高等優(you) 點，該技術的出現彌補了傳(chuan) 統野外測量工作的弊端，為(wei) 煤礦地麵塌陷監測提供了新的技術手段，具有很好的推廣應用價(jia) 值和產(chan) 業(ye) 化前景。