專利名稱：礦區(qū)沉陷車載式激光測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于礦山測(cè)量領(lǐng)域，特別是礦區(qū)沉陷區(qū)測(cè)量領(lǐng)域，涉及一種礦區(qū)沉陷車載式激光測(cè)量方法，尤其是利用激光點(diǎn)測(cè)距、激光線掃描、激光三維掃描以及GPS/MU/加速值組合補(bǔ)償技術(shù)的礦區(qū)沉陷車載式激光測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
礦產(chǎn)資源的大規(guī)模開發(fā)和利用，給人類帶來巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)， 也給人類的生產(chǎn)和生活造成一系列的環(huán)境問題和開采損害。礦區(qū)開采沉陷是由于礦物開采后形成采空區(qū)，其上部巖層在重力等作用下發(fā)生冒落、斷裂、擠壓、彎曲、移動(dòng)等變形，傳播到地面形成的，是主要的人工地質(zhì)災(zāi)害之一 [I]。礦區(qū)地表沉陷發(fā)生在地下開采上方和露天開采活動(dòng)附近區(qū)域。地下開采導(dǎo)致了大面積采空區(qū)，采空區(qū)面積擴(kuò)大到一定范圍后，巖層移動(dòng)發(fā)展到地表，使地表產(chǎn)生移動(dòng)和變形。在開采影響波及到地表以后，結(jié)果是受采動(dòng)影響的地表從原有標(biāo)高向下沉陷，從而在采空區(qū)上方地表形成一個(gè)比采空區(qū)面積大得多的沉陷區(qū)域，稱為地表移動(dòng)盆地，危及周邊工業(yè)企業(yè)與民居建筑的安全。礦區(qū)開采引發(fā)的地面沉陷災(zāi)害，直接破壞了地表土地的自然狀態(tài)，形成地表裂縫，改變了地表大氣降水徑流和匯水條件，影響灌溉，降低了土地可耕性，加劇荒漠化程度，降低了土地使用價(jià)值；而且由于水平變形和不均勻沉陷，造成沉陷區(qū)內(nèi)工業(yè)和民用建(構(gòu))筑物、水利設(shè)施、交通設(shè)施等產(chǎn)生裂縫和扭曲等變形，直接影響人們的安全生產(chǎn)和日常生活，還可能引發(fā)地表突然坍塌，帶來災(zāi)難性的后果[2]。礦區(qū)開采引起的地面沉陷是一個(gè)復(fù)雜的過程，要認(rèn)識(shí)這一復(fù)雜過程中包含的規(guī)律，必須對(duì)開采沉陷的野外數(shù)據(jù)進(jìn)行大范圍、高分辨率、高精度的采集、整理和分析，在精確的實(shí)測(cè)資料基礎(chǔ)上，研究并建立各種預(yù)測(cè)計(jì)算模型[3-4]。因此，沉陷監(jiān)測(cè)是開采沉陷研究至關(guān)重要的課題。高效、快速、高精度的沉陷監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可為地面沉陷災(zāi)害預(yù)測(cè)、損失評(píng)估提供可靠的依據(jù)，進(jìn)而為地面沉陷提供合理的治理措施，從而有效地控制沉陷，降低地面沉陷造成的損失[5]。“十二五”期間，中國在資源和環(huán)境領(lǐng)域的發(fā)展目標(biāo)是到2015年，新建和生產(chǎn)礦區(qū)的地質(zhì)環(huán)境得到全面治理，歷史遺留的礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理率達(dá)到35%以上。在礦區(qū)地質(zhì)與地表環(huán)境的監(jiān)測(cè)及恢復(fù)治理工作中，礦區(qū)開采沉陷的快速高精度監(jiān)測(cè)是重要組成部分，也是對(duì)科技提出的重大挑戰(zhàn)，亟需研發(fā)礦區(qū)地表沉陷的快速高精度監(jiān)測(cè)成套技術(shù)系統(tǒng)， 突破地表沉陷高精度自動(dòng)化監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)，為構(gòu)建數(shù)字礦山[6]提供支撐。提升我國應(yīng)對(duì)礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的能力、裝備和技術(shù)條件，為礦區(qū)地質(zhì)與地表環(huán)境的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及恢復(fù)治理工作做出貢獻(xiàn)。研究現(xiàn)狀早在19世紀(jì)中葉，礦區(qū)開采沉陷問題就已受到人們關(guān)注。1860年德國鐵路部門為驗(yàn)證地下開采對(duì)鐵路的影響，在魯爾礦區(qū)對(duì)鐵路進(jìn)行了下沉測(cè)量；19世紀(jì)末期開始，前蘇聯(lián)、波蘭、德國、澳大利亞、英國、加拿大、日本和美國等國家，對(duì)開采引起的地表沉陷變形規(guī)律進(jìn)行了深入的研究，并取得了豐碩的成果。我國地表沉陷變形規(guī)律的研究工作始于20 世紀(jì)50年代，開灤“黑鴨子”觀測(cè)站的建立標(biāo)志著我國開采沉陷變形觀測(cè)及其研究的開始； 其后，開灤、撫順、阜新、大同、峰峰、焦作、淮南、平頂山、芙蓉等礦區(qū)先后制定了地表移動(dòng)觀測(cè)規(guī)劃，并建立了一批巖層與地表移動(dòng)觀測(cè)站[7]?；仡櫟V區(qū)開采沉陷，其監(jiān)測(cè)技術(shù)手段已由傳統(tǒng)的經(jīng)緯儀測(cè)坐標(biāo)、鋼尺測(cè)邊長、水準(zhǔn)儀測(cè)高程發(fā)展到使用全站儀、測(cè)量機(jī)器人進(jìn)行巖移測(cè)量。近年隨著空間對(duì)地觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)測(cè)量方法已逐漸為GPS監(jiān)測(cè)方法所替代[8]，較好地解決了地表某點(diǎn)連續(xù)動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)的問題。盡管利用GPS并結(jié)合常規(guī)測(cè)量手段可以取得較高的精度，但仍然面臨一些基本問題1)GPS在時(shí)間域上的分辨率很高，但在空間域上的分辨率無法達(dá)到很高；2)要對(duì)大范圍沉陷區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)，必須布設(shè)和維護(hù)大量的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，需要投入大量人財(cái)物；3)基準(zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定性；4)野外觀測(cè)作業(yè)周期長；5)垂直向精度較低；6)由沉陷點(diǎn)、線數(shù)據(jù)構(gòu)建沉陷面必須經(jīng)過數(shù)值內(nèi)插，難以保證結(jié)果的精度等。因此，迫切需要改進(jìn)目前的監(jiān)測(cè)方法，研制新的高精度自動(dòng)監(jiān)測(cè)手段[9]。SAR(Synthetic Aperture Radar, SAR)是一種使用微波探測(cè)地表目標(biāo)的主動(dòng)式成像傳感器，具有全天候、全天時(shí)成像能力，并能穿透某些地物表面[10]。SAR圖像的每一分辨元的影像信息記錄地表反射的能量大小和相位信號(hào)，一般以復(fù)數(shù)表示，故稱之為單視復(fù)影像(SingleLook Complex, SLC)。由于 D-InSAR(Differential SAR Interferometry, D-InSAR)測(cè)量的距離向變化是一定面積的空間平均變化的估值，適合從長時(shí)間尺度上表達(dá)整個(gè)區(qū)域場(chǎng)的沉降趨勢(shì)，且測(cè)量精度達(dá)毫米級(jí)，近年來在城市地表沉降研究中得到了廣泛的應(yīng)用[11]。然而，礦區(qū)地表沉陷與城市地表沉降和地下流體運(yùn)移引起的地表沉降過程有所不同[12]。城市地表沉降和開采地下水和石油等引起的地表沉降是一種慢漸變、累積的沉降過程，而礦區(qū)地表沉陷過程相對(duì)比較集中，其變形量和變形速度均較城市等地表沉降更為明顯，破壞性也更大[13]。礦區(qū)地表沉陷發(fā)生的過程主要在開采區(qū)域開始回采后并延續(xù)至開采活動(dòng)結(jié)束后的一段時(shí)期內(nèi)[14]。其過程分開始階段、活躍階段和衰退階段。在礦區(qū)開采的開始階段和衰退階段，由于每天的沉陷量較小，因此可以一月進(jìn)行I 2次觀測(cè)。 然而在活躍階段，由于每天的沉陷量最大可以達(dá)到20 30mm，甚至更大，在這些沉陷劇烈的成像區(qū)域，D-InSAR干涉圖將表現(xiàn)出一系列緊密的干涉條紋，引起干涉相位混疊現(xiàn)象，無法有效地進(jìn)行沉陷測(cè)量[15]。而從開采沉陷的整個(gè)地表移動(dòng)過程中，活躍階段要占到80% 左右的時(shí)間[16]，因此D-InSAR觀測(cè)技術(shù)目前還無法支撐礦區(qū)地表沉陷監(jiān)測(cè)的業(yè)務(wù)化運(yùn)行。20世紀(jì)90年代初，以LiDAR(Light Detection And Ranging)為代表的空間對(duì)地觀測(cè)技術(shù)在三維空間信息的實(shí)時(shí)獲取方面產(chǎn)生了重大突破。機(jī)載LiDAR技術(shù)比較適合礦區(qū)大范圍區(qū)域的測(cè)繪工作，多用于礦區(qū)的DEM數(shù)據(jù)生產(chǎn)，測(cè)量精度為分米級(jí)[18]，不能滿足地表沉陷監(jiān)測(cè)毫米級(jí)的精度要求，而且飛行成本較高；地面激光掃描測(cè)量精度較高[19]，但是測(cè)量范圍相對(duì)較小，無法滿足礦區(qū)大范圍區(qū)域沉陷監(jiān)測(cè)工作需要[20]?！笆濉逼陂g，我國將重點(diǎn)規(guī)劃建設(shè)13個(gè)億噸級(jí)煤炭基地，這勢(shì)必會(huì)造成更大的區(qū)域性環(huán)境影響，產(chǎn)生更多、更大、更復(fù)雜的地面沉陷問題。為了礦區(qū)的可持續(xù)性發(fā)展， “十二五”期間我國將建成十個(gè)礦區(qū)監(jiān)測(cè)示范區(qū)，建立國家級(jí)礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)，建立定期監(jiān)測(cè)與應(yīng)急監(jiān)測(cè)相結(jié)合的國家、地方和礦山企業(yè)三級(jí)監(jiān)測(cè)體系，建設(shè)全國礦山地質(zhì)環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫，以實(shí)現(xiàn)對(duì)我國礦山地質(zhì)環(huán)境動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)的有效監(jiān)控， 而采用新技術(shù)和新方法來監(jiān)測(cè)、分析和治理礦區(qū)地表沉陷是重要任務(wù)之一。通過激光三維掃描獲取空間信息的技術(shù)又稱“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”，它可以對(duì)復(fù)雜的環(huán)境及空間進(jìn)行掃描操作，并直接將各種大型的、復(fù)雜的、不規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)或非標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)體或?qū)嵕暗娜S數(shù)據(jù)完整的采集到計(jì)算機(jī)中，進(jìn)而重構(gòu)出目標(biāo)的三維模型以及點(diǎn)、線、面、體、空間等各種制圖數(shù)據(jù)。激光三維掃描是集光、機(jī)、電和計(jì)算機(jī)于一體的非接觸測(cè)量技術(shù)，激光掃描測(cè)量技術(shù)具有測(cè)量速度快、自動(dòng)化程度高、分辨率高、可靠性高和相對(duì)精度高的特點(diǎn)，與傳統(tǒng)測(cè)量方式相比具有很大的優(yōu)越性，顯著地提高了生產(chǎn)效率和質(zhì)量，是最直接的、最具潛力的三維模型數(shù)據(jù)自動(dòng)獲取技術(shù)。我們認(rèn)為，將快速機(jī)動(dòng)的車載移動(dòng)測(cè)量與高分辨率、高精度激光測(cè)量技術(shù)進(jìn)行高效集成，不受時(shí)間和空間限制，多角度、多分辨率、高效、高精度、快速機(jī)動(dòng)地獲取地表沉陷信息，快速識(shí)別并提取沉陷區(qū)范圍變化、最大下沉區(qū)變化、下沉速度變化等特征信息，是礦區(qū)開采沉陷自動(dòng)監(jiān)測(cè)的可行途徑。參考文獻(xiàn)[I]劉國林，張連蓬，成樞，等.合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量與全球定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合監(jiān)測(cè)礦區(qū)地表沉降的可行性分析[J].測(cè)繪通報(bào)，2005，(11) 10-13[2]吳立新，王金莊，劉延安，等.建(構(gòu))筑物下采煤條帶理論與實(shí)踐[M]·北京 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發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明集成了激光三維掃描測(cè)量單元(I)、激光點(diǎn)測(cè)距單元(2)、激光線測(cè)量單元
(3)、IMU單元(4)、差分GPS單元及主天線(5)、GPS第二天線(6)、車輪編碼器(7)、控制計(jì)算機(jī)⑶、數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)(9)、發(fā)電機(jī)(10)、載體車(11)以及控制電路、供電線路和網(wǎng)絡(luò)通信線路等設(shè)備實(shí)現(xiàn)“礦區(qū)沉陷車載式激光測(cè)量方法”。如圖I所示，IMU安裝于車頂中央⑷，差分GPS接收機(jī)及天線(5)位于其上，GPS 第二天線(6)安裝在車頭，車輪編碼器(7)以聯(lián)軸方式安裝在載體車左后輪上。使用I臺(tái)掃描范圍角為90°的三維掃描測(cè)量單元(I)，精度lcm，測(cè)距80m，每秒可獲取50萬個(gè)三維點(diǎn)信息，安裝在車頂前方，沿途獲取地物高分辨率點(diǎn)云數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦區(qū)沉陷區(qū)的高分辨率高精度三維建模。集成了加速度計(jì)的激光線掃描傳感器(3)安裝在車底盤前部，激光線測(cè)量范圍與車底盤寬度一致，監(jiān)測(cè)車行駛過程中，基于激光三角測(cè)量原理，激光線掃描車底地表區(qū)域，兩臺(tái)CCD相機(jī)從左右方向拍攝激光線輪廓，根據(jù)激光線輪廓變化并結(jié)合加速度值， 解算出地表沉陷數(shù)值。在車體的兩側(cè)設(shè)置2臺(tái)激光測(cè)距傳感器(2)，測(cè)量速度50kHz，精度優(yōu)于0. 15mm，再現(xiàn)性0. 2 μ m，測(cè)距l(xiāng)m，用于測(cè)量地面與車體的距離。MU單元(4)、差分GPS 接收機(jī)及天線(5)、GPS第二天線(6)分別用來測(cè)量載體車的姿態(tài)和位置。激光單點(diǎn)測(cè)距傳感器、激光線掃描傳感器，以及LiDAR三維測(cè)量儀獲取的車體與地面的距離、位姿數(shù)據(jù)及加速度信息相融合，得到沉陷區(qū)地表的數(shù)字高程模型。如圖2所示，礦區(qū)沉陷車載式激光測(cè)量方法主要包括4個(gè)方面I)礦區(qū)沉陷車載式激光測(cè)量的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)模型礦區(qū)沉陷車載式激光測(cè)量系統(tǒng)中，載體車與各種傳感器通過高強(qiáng)度的機(jī)械零件連接成一個(gè)剛性體，即所有傳感器在載體車上的安裝位置與姿態(tài)是固定的，在載體車運(yùn)動(dòng)過程中，它們之間的位置和姿態(tài)也是不變的。因此可以將礦區(qū)沉陷車載式激光測(cè)量系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)按照剛體運(yùn)動(dòng)來進(jìn)行分析。礦區(qū)沉陷車載式激光測(cè)量系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可用一個(gè)十八維的向量來表示
M = {Sx,Sy,Sz,Rx,Ry,Rz, Vx，Vy，V:, ωχ，ωγ, ω:, as，ay，α:, τσχ，my, m_}在剛體運(yùn)動(dòng)的慣性坐標(biāo)系(空間直角坐標(biāo)系)內(nèi)，(Sx, Sy, SZ)T為礦區(qū)沉陷車載式激光測(cè)量系統(tǒng)的空間位移向量，(Rx，Ry，Rz)T為姿態(tài)向量，(Vx，Vy，Vz)T為速度向量，(ωχ，Wy,
ωζ)τ為角速度向量，(ax，ay，az)T為加速度向量，( 為角加速度向量。根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)于位移、速度和加速度的關(guān)系有
^ ^χ νλΜ/T . V \ V01 r71 ΩνV+O,=+v0yt+UzJ50ζ K0JVJt \ 0 JSla ^dt\根據(jù)剛體運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)分析，位移對(duì)時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)是速度、二階導(dǎo)數(shù)是加速度，剛體在空間中的運(yùn)動(dòng)軌跡是平滑的，即一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)是連續(xù)的，因?yàn)閯傮w的速度和加速度不可能是無窮大的。根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)于角位移、角速度和角加速度的關(guān)系有
IX (,M^ X \ O^t、RRy 八0+-Ry 八0+ωζ +\[^y{t)dt2Rl V0/K jOR: \ 0 JSlm ^dt\根據(jù)剛體運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)分析，角位移對(duì)時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)是角速度、二階導(dǎo)數(shù)是角加速度，剛體在空間中的姿態(tài)變化是平滑的，即一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)是連續(xù)的。從剛體的運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)分析可以看出，剛體在運(yùn)動(dòng)過程中，在一個(gè)時(shí)刻只可能在一個(gè)空間位置和姿態(tài)出現(xiàn)， 從而實(shí)現(xiàn)了礦區(qū)沉陷車載式激光測(cè)量系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的時(shí)間和空間的統(tǒng)一。2)基于GPS/MU/加速度計(jì)組合的顛簸誤差補(bǔ)償模型礦區(qū)沉陷區(qū)地形比較復(fù)雜，車載平臺(tái)行駛過程中不可避免地會(huì)出現(xiàn)起伏顛簸，因此在激光測(cè)量數(shù)據(jù)中消除掉車體顛簸影響是準(zhǔn)確測(cè)量地表高程信息的關(guān)鍵。本發(fā)明基于 GPS/IMU/加速度計(jì)組合測(cè)量，通過差分改正解算出車載平臺(tái)移動(dòng)過程中的精確位姿參數(shù)。(I)GPS定位的基本數(shù)據(jù)模型p/ (O = P； (/) + Δρ/ (/) + cSt, (0+ Δ{人(/) + Δ( 7. ( )其中片(O為觀測(cè)歷元t時(shí)刻，衛(wèi)星j至接收機(jī)i之偽距；P!⑴為觀測(cè)歷元t時(shí)刻，衛(wèi)星j至接收機(jī)i之幾何距離；Δρ/ 為觀測(cè)歷元t時(shí)刻，衛(wèi)星j軌道誤差對(duì)偽距的影響；δ \ (t)為觀測(cè)歷元t時(shí)刻，接收機(jī)i相對(duì)于GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間之鐘差；c為光速；Aijg G)為觀測(cè)歷元t時(shí)刻，電離層折射對(duì)偽距的影響；為觀測(cè)歷元t時(shí)刻，對(duì)流層折射對(duì)偽距的影響。
其中，GPS定位的主要誤差來源有GPS衛(wèi)星誤差、信號(hào)傳播誤差和信號(hào)接收誤差。 與GPS衛(wèi)星有關(guān)的誤差包括衛(wèi)星鐘差、衛(wèi)星的軌道誤差?？刂拼隧?xiàng)誤差要建立GPS差分系統(tǒng)，引入差分信號(hào)加以削弱或消除。信號(hào)傳播誤差主要來自電離層折射誤差、多路徑效應(yīng)的影響和對(duì)流層折射的影響。這些涉及到GPS設(shè)備及工作環(huán)境，通過差分技術(shù)可減少部分影響，同時(shí)要考慮GPS接收機(jī)的性能。與接收機(jī)有關(guān)的誤差包括接收機(jī)鐘差、觀測(cè)誤差和載波相位觀測(cè)值的整周模糊度影響?？衫闷渌鼈鞲衅餍Ｕ⒅貜?fù)觀測(cè)、多源數(shù)據(jù)聯(lián)合解算等方法加以控制。(2) IMU姿態(tài)誤差模型IMU姿態(tài)誤差主要來源于三軸陀螺和三軸加速度計(jì)的積分誤差
權(quán)利要求
1.一種礦區(qū)沉陷車載式激光測(cè)量方法，其特征在于，礦區(qū)沉陷車載式激光測(cè)量系統(tǒng)由激光三維掃描測(cè)量單元(I)、激光點(diǎn)測(cè)距單元(2)、激光線測(cè)量單元(3) UMU單元(4)、差分 GPS單元及主天線(5)、GPS第二天線(6)、車輪編碼器(7)、控制計(jì)算機(jī)(8)、數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)(9)、發(fā)電機(jī)(10)、載體車(11)以及控制電路、供電線路和網(wǎng)絡(luò)通信線路等設(shè)備構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的礦區(qū)沉陷車載式激光測(cè)量方法，其特征在于，IMU安裝于車頂中央(4)，差分GPS接收機(jī)及天線(5)位于其上，GPS第二天線(6)安裝在車頭，車輪編碼器(7)以聯(lián)軸方式安裝在載體車左后輪上。使用I臺(tái)掃描范圍角為90°的激光三維掃描測(cè)量單元(I)，精度1cm，測(cè)距80m，每秒可獲取50萬個(gè)三維點(diǎn)信息，安裝在車頂前方，沿途獲取地物高分辨率點(diǎn)云數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦區(qū)沉陷區(qū)的高分辨率高精度三維建模。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的礦區(qū)沉陷車載式激光測(cè)量方法，其特征在于，集成了加速度計(jì)的激光線掃描傳感器(3)安裝在車底盤前部，激光線測(cè)量范圍與車底盤寬度一致，監(jiān)測(cè)車行駛過程中，基于激光三角測(cè)量原理，激光線掃描車底地表區(qū)域，兩臺(tái)CCD相機(jī)從左右方向拍攝激光線輪廓，根據(jù)激光線輪廓變化并結(jié)合加速度值，解算出地表沉陷數(shù)值。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的礦區(qū)沉陷車載式激光測(cè)量方法，其特征在于，在車體的兩側(cè)設(shè)置2臺(tái)激光測(cè)距傳感器(2)，測(cè)量速度50kHz，精度優(yōu)于O. 15mm,再現(xiàn)性O(shè). 2 μ m,測(cè)距Im, 用于測(cè)量地面與車體的距離。IMU單元(4)、差分GPS接收機(jī)及天線(5)、GPS第二天線(6) 分別用來測(cè)量載體車的姿態(tài)和位置。激光單點(diǎn)測(cè)距傳感器、激光線掃描傳感器，以及LiDAR 三維測(cè)量儀獲取的車體與地面的距離、位姿數(shù)據(jù)及加速度信息相融合，得到沉陷區(qū)地表的數(shù)字高程模型。
5.根據(jù)權(quán)利要求2、3和4所述的礦區(qū)沉陷車載式激光測(cè)量方法，其特征在于，激光三維點(diǎn)云、激光線掃描數(shù)據(jù)與激光點(diǎn)測(cè)距值的融合與沉陷區(qū)地形高精度三維重建方法。針對(duì)礦區(qū)沉陷特點(diǎn)，以及激光三維掃描儀、激光線掃描數(shù)據(jù)、激光點(diǎn)測(cè)距數(shù)據(jù)特點(diǎn)與信息特征激光點(diǎn)測(cè)距系統(tǒng)能精確獲取行駛路線上縱斷面上的2個(gè)地表點(diǎn)數(shù)據(jù)，精度優(yōu)于O. 15mm ;激光線掃描系統(tǒng)的測(cè)量范圍可覆蓋整個(gè)載體車底盤范圍，獲取的是在掃描平面內(nèi)，被測(cè)對(duì)象表面相對(duì)激光線掃描系統(tǒng)測(cè)量原點(diǎn)的位置坐標(biāo)，精度可達(dá)1_。車載激光三維掃描儀系統(tǒng)能遠(yuǎn)距離、大范圍、快速獲取沉陷區(qū)域高分辨率點(diǎn)云信息，精度可達(dá)1cm。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的礦區(qū)沉陷車載式激光測(cè)量方法，其特征在于，對(duì)礦區(qū)沉陷區(qū)域地表點(diǎn)高程信息的兩次測(cè)量結(jié)果進(jìn)行求差，可精確解算出沉陷量，實(shí)現(xiàn)高效(速度O 60Km/h)、高分辨率(沉陷數(shù)據(jù)采樣間隔小于lm，沉陷數(shù)據(jù)的空間定位精度優(yōu)于5m)、大范圍 (激光測(cè)量范圍可覆蓋行駛路線周圍80m范圍)、高精度(沉陷監(jiān)測(cè)精度達(dá)到Icm)的礦區(qū)沉陷自動(dòng)監(jiān)測(cè)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的礦區(qū)沉陷車載式激光測(cè)量方法，其特征在于，礦區(qū)沉陷區(qū)地形比較復(fù)雜，車載平臺(tái)行駛過程中不可避免地會(huì)出現(xiàn)起伏顛簸，因此在激光測(cè)量數(shù)據(jù)中消除掉車體顛簸影響是準(zhǔn)確測(cè)量地表高程信息的關(guān)鍵。本發(fā)明基于GPS/MU/加速度計(jì)組合測(cè)量，建立了基于GPS/MU/加速度計(jì)組合的顛簸誤差補(bǔ)償模型，通過差分改正解算出車載平臺(tái)移動(dòng)過程中的精確位姿參數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于GPS/IMU/加速度計(jì)組合的顛簸誤差補(bǔ)償模型，其特征在于，需要建立GPS定位的基本數(shù)據(jù)模型、IMU姿態(tài)誤差模型和集成加速度計(jì)的慣性補(bǔ)償模型。其中，激光測(cè)量值是沉陷區(qū)縱斷面高程信息和車體的顛簸的綜合，在測(cè)量過程中使用GPS/IMU測(cè)定車載平臺(tái)的位置與姿態(tài)參數(shù)后，利用加速度計(jì)測(cè)量出載體車體運(yùn)動(dòng)過程中激光傳感器的顛簸偏移量；將集成在各傳感器上的加速度計(jì)測(cè)量得到的加速度值對(duì)時(shí)間進(jìn)行二次積分，建立慣性補(bǔ)償模型，然后基于慣性補(bǔ)償模型，對(duì)測(cè)得的激光測(cè)量值和加速度值進(jìn)行有效融合和誤差校正，對(duì)激光傳感器獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，消除顛簸誤差，最終實(shí)現(xiàn)沉陷區(qū)地表點(diǎn)高程信息的移動(dòng)測(cè)量和高精確解算。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的激光三維點(diǎn)云、激光線掃描數(shù)據(jù)與激光點(diǎn)測(cè)距值的融合與沉陷區(qū)地形高精度三維重建方法，其特征在于，在對(duì)車輛運(yùn)動(dòng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，建立了基于多項(xiàng)式擬合的車輛運(yùn)行軌跡處理方法、礦區(qū)沉陷車載式激光測(cè)量系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)模型、基于GPS/MU/加速度計(jì)組合的顛簸誤差補(bǔ)償模型方法、將激光三維點(diǎn)云、激光線掃描數(shù)據(jù)與激光點(diǎn)測(cè)距高程信息進(jìn)行高效高精度融合，整體提高沉陷測(cè)量數(shù)據(jù)精度，實(shí)現(xiàn)快速、 多角度、高分辨率、高精度地沉陷區(qū)地表三維重建。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的礦區(qū)沉陷車載式激光測(cè)量方法，其特征在于，礦區(qū)沉陷快速高精度動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與空間三維分析方法。利用“礦區(qū)沉陷車載式激光測(cè)量系統(tǒng)”對(duì)礦區(qū)沉陷區(qū)進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)的基礎(chǔ)上，建立沉陷區(qū)地表高精度三維模型，依據(jù)時(shí)間序列進(jìn)行地表高程差異檢測(cè)，自動(dòng)識(shí)別出發(fā)生沉陷的區(qū)域，提取出沉陷特征，實(shí)現(xiàn)礦區(qū)沉陷快速高精度三維動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。在沉陷區(qū)域內(nèi)建立礦區(qū)沉陷三維可視化模型，對(duì)觀測(cè)點(diǎn)在水平、垂直以及任意方向上的空間三維移動(dòng)向量及變形曲線進(jìn)行分析；針對(duì)礦區(qū)沉陷情況的空間三維評(píng)估方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)沉陷范圍變化、最大下沉區(qū)變化、下沉速度變化的時(shí)間序列分析和空間三維分析評(píng)估。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種面向礦區(qū)開采造成的地表沉陷監(jiān)測(cè)需求，車載式激光三維掃描儀、激光線掃描系統(tǒng)與激光點(diǎn)測(cè)距系統(tǒng)高效集成的礦區(qū)沉陷車載式激光測(cè)量方法。利用本發(fā)明對(duì)礦區(qū)沉陷區(qū)進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，建立沉陷區(qū)地表高精度三維模型，基于時(shí)間序列進(jìn)行地表高程差異檢測(cè)，自動(dòng)識(shí)別出沉陷區(qū)域，提取出沉陷特征；進(jìn)而建立礦區(qū)沉陷三維可視化模型，對(duì)觀測(cè)點(diǎn)在水平、垂直以及任意方向上的空間三維移動(dòng)向量及變形曲線進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)沉陷范圍變化、最大下沉區(qū)變化、下沉速度變化的時(shí)間序列分析和空間三維分析評(píng)估，為礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境的監(jiān)測(cè)及恢復(fù)治理提供決策依據(jù)。
文檔編號(hào)G01C5/00GK102607512SQ201110026660
公開日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2011年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月25日
發(fā)明者吳立新, 王植 申請(qǐng)人:吳立新, 王植