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用三维激光图像扫描系统监测边坡变形: 一个案例研究
YUE Depeng1,*, WANG Jiping2 , ZHOU Jinxing3 , CHEN Xiaoxue4 , REN Huijun1
1北京大学林业学院, 北京林业大学森林资源培育与养护重点实验室, 教育部, 北京 100083, 中国
2中国林业研究院森林生态学、环境与保护研究所, 北京100091，中国
3 国家林业局林木育种与栽培重点实验室, 林业研究院, 北京 100091, 中国
4 北京中核测绘有限公司, 北京 100012, 中国
文摘: 采用一种 ILRIS-36D 的三维激光图像扫描系统对山西省平朔的安家岭矿带矿边坡进行监测。阐述了基本工作原理、性能指标、特点、数据采集和处理方法。对点云结果进行了详细的分析。采用重新缩放范围分析方法对边坡的变形特征进行了分析。结果表明, 边坡位移的趋势稳定, 滑坡危险性程度较低。这项工作表明, 三维激光图像扫描可以提供多参数, 高精度的长距离实时数据。这些数据可用于快速、准确地研究边坡的变形。
关键词: 三维激光图像扫描系统;ILRIS-36D;失真;边坡;监测
1导言
随着人口的增长和中国的快速发展和现代化, 对矿产资源的需求量越来越大。因此, 采矿作业的规模越来越大, 大规模的采矿工程也在不断地展开。这些努力给人民带来了可观的经济效益, 但也带来了许多问题。倾斜畸变的问题是特别关键的 [1-2]。了解如何监测边坡的变形和稳定性对预防地质灾害和促进矿区环境负责任和可持续发展具有重要意义。边坡变形预报和监测的早期研究主要依靠现象学预报和经验模型。这种方法导致了低精度的模拟和预测。计算机技术的发展使一些现代的数学理论, 如数值模拟、模糊数学或灰色系统理论, 在.....。
新的一种叫做三维激光扫描的测量技术, 由于其高精度和速度, 在采矿业中已成为热门, 超过了传统的 single-point 测量方法。该技术以高精度的方式捕捉集成、综合、连续、关联的全景坐标数据。它还描述了对象的框架和配置。因此, 由此产生的估算比其他的估计更接近实际的条件 [9-10]。本文介绍了山西省平朔安家岭矿露天煤矿的研究情况。采用重新缩放范围分析方法和三维激光图像扫描系统获得斜坡数据。由此可以分析其特征坡位移。本研究的结果可能对矿山安全生产起着重要的作用, 也可以为矿山企业的slopedeformation研究提供新的途径。
2 研究地点
安家岭矿露天矿位于中部平朔煤矿区南。地势由丘陵地带组成, 坡度平缓, 海拔介于两米之间。矿区属于温带大陆季风区。每年降雨雪在400和500毫米之间。然而, 降水量的数量在季节间很大。在夏天降雨雪是超过60% 总年降雨雪。径流的损失约为 30%, 导致地下水严重短缺。由于采矿技术的自然条件和极限, 大型地表采矿影响露天矿边坡的稳定性, 而且在露天开采边坡变形的预测精度不高时, 诱发边坡滑坡。
3 原理和方法
3.1 三维激光图像扫描系统的原理
大多数激光扫描仪目前使用飞行时间 (飞航) 来测量时间和距离。三维激光扫描仪发出的激光脉冲反射的物体。从这个距离, s, 水平角度, a, 和垂直扫描角度, theta;, 可以得到。三维激光扫描测量通常使用内部或本地坐标系。然后 x 在水平平面上, y 垂直于水平平面 x, z 垂直于水平平面 (见图。由此, 从 eq 中计算了三维激光点的坐标。
3.2 ILRIS-36D 激光扫描仪的特点
表一 ILRIS 36D 激光图像扫描仪的特性参数。
3.3数据采集
在研究区进行了为期一年的三次地面扫描测试: 每隔两天就获得数据。扫描对象上的整个数据云很难用一个方向捕捉, 因此在同一台站上扫描角度被改变, 以获得两个扫描图像。在两个车站, 从物体上获得大约 300 m 的图像。两个独特的圆形目标被设置为符号, 可以被确定为同名点的 IMAlign 模块的 Polyworks 软件。测量了这些符号中心点的三维坐标位移。
扫描过程中, 扫描仪被置于垂直于大地水准面的三脚架上。一条指示扫描仪位置的线条是通过多次扫描斜率来定义的。然后, 扫描仪通过无线链接连接到便携式计算机, 因此计算机操作员可以控制软件, 调整数码相机的参数, 并选择合适的扫描区域。通过调整光斑间距 (定义扫描密度的参数) 来确定点云的分辨率。
3.4数据处理
对三维激光扫描系统获得的原始点云数据进行了处理, 以确保数据完整性, 转换数据格式, 并对点云进行对齐。
- 点云数据预处理
三维扫描仪创建了一个点云的几何样本的表面上的主题。这些点被用来推断主题的形状。如果在每个点收集颜色信息, 则也会记录主题的颜色。彩色数据由数码相机获得。点云数据被转换成使用paser软件Polyworks 的标准格式。导出过程创建一个 pif 文件和 xyz 文件。
这项实验在研究区进行了一天, 每隔一天就能获得一点云。扫描仪的位置是在扫描过程中固定的。在本实验中, 两个扫描的图像, 其中至少有20% 叠加, 得到了两个不同的角度每个试验。
预处理后, 将数据输入 Polyworks 的 IMAlign 模块进行粗对准 (无花果二和三)。如图所示, 红色点代表同名点。
2) 确定符号的三维坐标
扫描中对应点的确切标识是一个必须考虑的问题, 因为扫描数据由许多点组成。在 Polyworks 的图像对准过程中, 符号不能被看作是唯一的同名点。这些符号也反映了位移的趋势。在本实验中, 将两个圆形目标设置为软件过程的符号, 然后把一个三维模型导出到 Polyworks 的 IMSpect 模块中。这是用于搜索斜坡上的圆形符号。图显示点云中的圆形字段可以由软件表示为一个小球。球团的中心坐标被当作符号的三维坐标.
3.5 r/s 分析方法
r/s 分析是首先提出的赫斯特, 谁试图评估的规模, r, 一个最佳的河流水库, 从不溢出或清空。s 表示数据的标准变体。r/s 分析的基本思想 (或重范围统计分析) 是改变时间步长, 研究记录的时间或一系列的观察在不同的时间。它的目的是提供一个评估的表观变异性如何改变的 time-period 的长度被考虑 [14-16]。定量信息是由赫斯特的指数, h。本文利用 r/s 方法对边坡的变形特性进行了分析。
第一个问题是在分析边坡变形时选择时间窗。为了平滑小样本量问题所产生的趋势, 测试观测周期常常被当作基本的时间窗口。在这项研究中, 一个 天 被当作基本的时间窗口。在一个研究的时间段, tau;, 如果 tm 是用来表示观察时间, 我们将获得 n 个记录。在这里, n = tau;/tm, 和 [xi; (n)] {n=1, 二, n} 是参照点的 n′th 坐标。平均, e [xi; (n)] 和均方偏差, s, 以下列方式发现。
第一步: 时间窗口的选择
第二步: x (t, tau;) 是累积偏差, 其中 (t = k·tm, 1le;kle;n)
第三步: r (tau;) 是 time-series 分析中参照点位移的范围
步骤四: 应用赫斯特经验公式
你现在确定无量纲比率 r (tau;)/s (tau;) 作为tau;的作用, r (tau;) 是范围, 这是参照点的最小和最大位移之间的区别, s (tau;) 是在周期tau;上的坐标xi; (n) 的标准偏差, 指数 h 是从 eq 中确定的赫斯特指数. (六) 最小二乘法拟合。
大量的斜坡测量是随着时间的推移而进行的。将时间序列划分为多个段, 计算了各点的位移赫斯特指数。如果在某一时间段内的位移比其他点明显不同, 斜率不稳定。因此, 参考点的位移变化有助于预测边坡的稳定状态。
4结果与讨论
4.1 基于三维激光扫描系统的分析
图5显示研究区的总体趋势相对稳定, 最大位移量仅在厘米阶上。扭曲是由位移和红色最大值排序的。以递减顺序为黄色、绿色、蓝色和淡蓝色区域。靠近河岸的红色区域位于一个高处, 梯度相对较大, 位移速度很高。蓝色区域位于平坦区域, 随着时间的推移, 位移很少。三维激光扫描系统表明: ①运动方向一般垂直于斜坡的结构面;(二) 沉降位移大于水平位移;位移与蠕变机理一致。在三维激光扫描过程中采集和处理彩色信息仍然需要工作, 因为彩色图像的对准和叠加存在某些缺陷。然而, 总之, 这个方法是一个凯越..。
4.2 基于 r/s 方法的分析与验证
我们收集了六个阶段的数据。符号中心坐标的六组位移数据相对于扫描仪的零坐标。
如图所示, 上面的 r (tau;) 的值是2.28、1.37 和1个。通过将 r/s 方法应用于两组位移数据, 得到了这些值。利用 non-linear 模拟绘制了指数拟合曲线。x 值指的是符号的三维坐标, y 值对应于时间。从曲线的趋势线计算的幂指数是赫斯特指数 (图)。在这个图中, 粉红色和黄色的曲线分别代表 y 和 z 坐标的赫斯特索引曲线, 为第一个点。对第二个点的相似分析结果显示在图中6 b。
通过对一个周期中每三天的一和二符号的位移坐标的时间序列进行处理, 计算出每个线段的 r 值。结果采用最小二乘法确定。如表三所示, 精度大于 0.89, 表明模拟良好。
这也表明, 边坡的畸变率是稳定的, 大滑移不会预料发生。这是真的, 因为每个点的位移 h 指数大约是一。如果赫斯特指数在长期监测中迅速变化, 那么斜坡不稳定, 预计任何时候都会发生滑坡。总之, 我们对边坡变形的监测结果表明, 三维激光扫描可用于 '面部' 接触较少的测量。该系统适用于测量边坡, 因为该方法简便, 监测结果易于理解。
该符号的赫斯特指数表明, 随着边坡宏观畸变的发展, 渐进畸变最大。当畸变超过峰值时, 边坡的局部屈曲转化为整体屈曲。当表面移动的块时, 赫斯特指数有相应的峰值和突变。因此, 边坡位移的分形特征, 从始至终的观测, 可以是预测滑坡的极为有用的信息。
5 总结
1) 三维激光扫描系统可进行高速、高密度、天长测量。该系统可以独立进行 '面' 量, 可以测量单个点。因此, ILRIS36D 的三维激光扫描系统比其他方法更准确地预测山体滑坡。该技术对边坡变形监测具有很大的潜力。
2) 基于 r/s 方法, 我们的结果表明, 仿真精度较高, 每点的赫斯特指数约为一。边坡的畸变率趋于平稳, 边坡不具有很大的滑移量。监测点的变化过程具有明显的 self-affine 性质。最重要的一点是, r/s 方法可以模拟位移变化的矢量, 并反映自然特性作为时间的函数。
感谢
作者希望对 li 海龙博士表示感谢, 他们通过彻底的审查帮助改进了论文。撰文人要感谢审评员的宝贵意见。这项工作得到了中国国家 '11 th 五年' 林业支持计划 (2006BAD03A1603) 的财政支持。
参考文献
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