三維激光掃描技術在尾礦壩變形監測中的應用研究

張一帆，張 碩

（1. 河南理工大學 測繪與國土信息工程學院，河南 焦作 454000；2. 長安大學 地質工程與測繪學院，陜西 西安 710054）

傳統的尾礦壩變形監測采用的方法是利用測繪儀器進行，利用大地測量方法，根據尾礦壩的設計文件，結合壩體自身的型式、結構、地質和水文確定變形的監測位置，進行定期或不定期的連續監測，從而獲取尾礦壩實際的變形情況。

這種方法很難有效的對尾礦壩的變形情況進行預警，因此無法建立起完善的尾礦壩變形風險評估體系。本文基于三維激光掃描技術提出一種新的尾礦壩變形監測方法，根據三維激光掃描獲得尾礦壩的三維模型從而開展對尾礦壩變形的監測[1]。

1 三維激光掃描技術在尾礦壩變形監測中的應用

1.1 控制網測量

在尾礦壩存放礦山尾料前，首先要對其進行荷載試驗。載荷試驗是變形監測中的重要環節。在進行三維激光掃描技術前，首先要布設控制網基準網點。利用全球導航衛星系統接收機進行基準網的復核，運用邊連接的方式，對基準網控制點進行靜態的觀測，設定觀測時間為1.5小時，采樣間隔為每10秒進行一次，衛星的介質高度角為25度，為了保證監測方法的全面性，要求最少設置6顆觀測衛星，觀測的時段應不少于1.5個時段。在使用的過程中，通過銅質材料的中心連接螺絲，直接將設備儀器選入到各個基準點上，人為操作過程中，要保證旋入誤差不大于±0.3mm。待基準點布設完成后，使用全球導航衛星接收機對尾礦壩進行基準網靜態觀測。

1.2 數據采集

根據工程現場地形條件，使用遠程三維激光掃描設備，在尾礦壩兩側設立站點進行三維激光掃描觀測。為了方便后續的檢核和拼接操作，在每次設立站點之后，都要對部分尾礦壩結構進行重合掃描處理，通過比較重合的公共面、驗證監測點位置的云數據，對基準點位置的精度進行確定。在尾礦壩的頂部和底部分別設置一個紙質標靶，在進行三維激光掃描時對紙質標靶位置進行具有針對性的掃描。同時，利用高精度全站儀獲取標靶中心位置的三維坐標，用于后續對激光掃描數據進行比較。設置的基準點距離標靶應不大于200米，在后期處理時，通過軟件設備自動識別標靶中心所在位置并計算出相應的三維坐標。

1.3 數據預處理

利用三維激光掃描的點云數據量過大，且由于設備受到自身以及外界環境的影響，在點云數據中有大量冗余或無效數據[2]。在對獲取到的點云數據進行處理的過程中，首先要對三維點云數據進行優化處理，將其數據格式進行轉換，利用CAD軟件對數據進行處理，并將處理完成的數據轉化為文本格式，再利用Cyclone完成對數據的優化。由于工程環境中的光線、溫度、濕度等因素的影響，以及在測量過程中出現的設備振動等原因造成點云數據造成了一定影響，因此必須對數據進行預處理，預處理的過程包括平滑處理、點云數據拼接、數據去燥和數據去失真等。利用三維激光掃描相應的處理軟件，對各個站點上的三維點云數據信息進行自動的拼接處理，通過系統的自動計算得出誤差數值，并對各個站點的拼接精度進行檢驗，一旦出現問題，應立即采取相應的措施，防止誤差的擴大。在提取到目標點云數據后，將其它多余的點云數據進行刪除，并將目標點云數據分塊導出。

1.4 點云建模

通過上文對數據進行預處理后，將獲取到的尾礦壩三維坐標點數據輸入到構建數學模型的軟件中，完成點云數據的建模。通過模型構建軟件對尾礦壩各個特征坐標點進行著色處理，獲取到初步的渲染模型結構圖，再利用體外孤點對模型中的離散點進行自動化的刪除，待一系列操作完成后，對整個數學模型金西行降噪處理，去除其中冗余的點云數據，從而提升點云模型的平滑度。再對點云數據進行抽稀處理，設置好適當的采樣間隔，利用可視化技術完成對點云模型圖像的展現。

1.5 變形分析

根據測量到的尾礦壩變形測量結果，分析尾礦壩實際的變形情況。利用三維數據比較工具將點云建模與實際的尾礦壩進行對比，并獲取下哪個贏的模型偏差數據。根據具體位置的數據變化情況，找出尾礦壩出現變形的位置，通過對數據的比較找出尾礦壩產生變形的具體原因，并推測其后續的變形情況，從而做到對尾礦壩變形情況的預警。由于受到溫度和載荷的影響，尾礦壩在不同時間段內發生的在允許范圍內的變形，屬于正常現象。在發生變形時，若相關的數據變化情況均在合理范圍內則判定此時尾礦壩處于穩定狀態，若超出范圍則需要進行相應的維護措施，保證工程的順利進行。

2 對比實驗

為了驗證本文設計的基于三維激光掃描技術的尾礦壩變形監測方法的有效性，將其與傳統監測方法進行對比實驗。利用仿真平臺構建一個各參數數值已知的尾礦壩，分別利用兩種方法對尾礦壩的各個方向的坐標進行采集，由于傳統方法只限于二維空間，因此采集坐標只分為X軸方向和Y軸方向。表1為兩種方法的采集結果。

從表1中可以看出，通過兩種方法的監測數據，本文方法的數據信息明顯較傳統方法更加接近與實際的坐標值，且誤差均在1m以內。因此，可以說明，本文利用三維激光掃描技術有效的提升了對尾礦壩變形監測的精準度，更符合實際的工程需要。

表1 兩種方法采集結果

3 結語

本文通過利用三維激光掃描技術對尾礦壩數據進行測量、采集、處理、建模等方法研究，并通過實驗證明了三維激光掃描技術的準確性、全面性，使得對尾礦壩監測工作更加全面、便捷，實現了尾礦壩變形監測的智能化、可視化發展。