基于三維激光掃描技術的礦山高位邊坡變形監測方法

李江濤 LI Jiang-tao

（蘇尼特金曦黃金礦業有限責任公司，蘇尼特右旗 011299）

0 引言

礦山高位邊坡變形的復雜性和不可控性，常常威脅著施工人員的人身安全和財產安全。再加上環境因素及特定條件的催化，對于礦山開采進度造成了極大的不利影響。為解決上述問題，相關人員根據礦山邊坡的實際情況，設計了變形監測方法，例如文獻[1]和文獻[2]提出的T-樣條曲面擬合高位邊坡變形監測方法、DIC 高位邊坡變形監測方法，這兩種監測方法雖然可以實現預期的檢測目標，但是更加容易受到外部因素的干擾，導致監測的定向序列以及采集數據出現突變異常，導致監測粗差增加[3]。不僅如此，傳統的邊坡變形監測形式還存在單一、不穩定等問題，在實際中缺乏有針對性監測粗差解決檔案，難以在不同的背景下對監測數據序列中的粗差進行有效檢測和剔除[4]。為此提出對基于三維激光掃描技術的礦山高位邊坡變形監測方法的設計與驗證分析。

1 基于三維激光掃描的礦山高位邊坡變形監測方法設計

1.1 布設多目標監測節點

需要根據實際的監測需求及標準，綜合三維激光掃描技術，設定多目標的監測節點，以此為后續的監測數據采集和預處理奠定堅實的基礎[5]。通常情況下，監測節點的部署一般是根據邊坡的區域及劃定的范圍而布設的，需要具備一定的針對性和穩定性。可以先進行監測邊緣值的測算，如公式（1）所示：

公式（1）中：Q 表示節點監測區域邊緣值，m 表示預設范圍，n 表示節點監測區域實測范圍，κ 表示堆疊監測距離，表示定向采集覆蓋范圍。根據上述測定，完成對監測邊緣值的測算。

調整橫向的監測距離長為15.5km，寬度為7.5km。將控制網絡劃分應用等級A 和B 級，連接部署初始監測基點和接電腦，采用坐標精度不低于1m 的WGS-84 對具體變形位置進行定位。隨后，根據礦山的邊坡的具體情況，調整原本的監測基點位置，對重要位置進行重新測繪，新測點也將作為GPS 系統的核心監測點，其主要布置在礦山的高位邊坡上。接下來，融合三維激光掃描技術，搭建多目標監測節點的部署結構，如圖1 所示。

圖1 多目標監測節點的部署結構圖示

1.2 基礎監測數據采集和預處理

礦山邊坡實際上是一種臨時或半永久性邊坡，尤其是對于高位邊坡來說，一旦受到外部沖擊力的影響，達到一定的承壓標準之后，便容易發生少量滑塌甚至局部性規模較大的滑塌。周圍有村莊的嚴重的甚至會造成人員傷亡或重大經濟損失。因此，綜合實際的監測需求及標準，進行基礎數據、信息的采集，并根據預設的標準對數據預處理。一般情況下，高位邊坡具有位置高，坡角陡、基石不穩的特點，可以對周圍的環境進行判定，測算出此時邊坡的最低安全系數，主要是通過公式（2）計算得出：

公式（1）中：F 表示邊坡的最低安全系數，g 表示邊坡最低位移距離，e 表示定向安全偏差，φ 表示采集范圍，c表示邊坡的形變預估值。根據上述測定，完成對測試邊坡最低安全系數的測算，將其設定為極限的安全系數標準，后續的監測也會圍繞這一標準進行比對分析[11]。礦山邊坡變形監測基準點的選擇直接影響到GPS 監測數據的可靠性，這在一定程度上也要求GPS 相關監測裝置的應用和連接，但是需要注意的是，基準點日常的應用可能會受各種不利因素的影響，所以必須將其與總控制系統進行關聯搭接，構建范圍更大的數據采集網。

1.3 建立改進IQR 粗差變形監測矩陣

粗差是高位邊坡變形監測過程中最為常見、影響最大的一種問題。所以，綜合三維激光掃描技術以及改進IQR技術，進行粗差變形監測矩陣設計。通常情況下，傳統的監測矩陣多為單向的，雖然能夠基本滿足預期的監測任務要求，但是較容易受到外部環境及特定因素影響。所以為了提升監測質量，此次需要改變矩陣的內置監測結構。可以先利用部署的基準點及節點，采集實時的數據以及信息，通過改進IQR 技術建立監測轉換矩陣結構，對邊坡變形的位置進行描述，如圖2 所示。

圖2 改進IQR 邊坡變形位置描述圖示

根據圖2，完成對改進IQR 邊坡變形位置的描述和設定。在此基礎之上，綜合三維激光掃描技術設定矩陣監測結構以及矩陣的監測順序，如公式（3）所示：

公式（3）中：K 表示矩陣監測順序，W 表示可控監測距離，U0和C0分別表示兩個階段的監測數據變化參數。完成矩陣監測順序的設定之后，調整初始設定的節點位置，融合三位激光掃描技術，根據監測元素的不斷變化建立新的數據處理結構，從而得到內參數矩陣值，以此設定改進IQR 監測矩陣檢校指標參數，如表1 所示。

表1 改進IQR 監測矩陣檢校指標參數表

根據表1，完成對改進IQR 監測矩陣檢校指標參數的設定與分析。接下來，利用三維激光掃描技術，在矩陣中構建一個定向的測繪程序，依據邊坡的實際狀態以及變形情況，不斷調整測繪的距離以及范圍，以此最大程度降低存在的監測粗差。但是需要注意的是，矩陣在應用的過程中，對于邊坡變形的監測標準并不是固定的，而是隨著實際的需求及標準做出對應的改變，在矩陣中形成可循環的檢測結構，穩定實際的監測環境。

1.4 構建三維激光掃描高位邊坡變形監測模型

根據所設計的監測矩陣及節點、基準點，先進行初始建模，設定任意的離散原始監測序列，通過有限次的監測生成即可轉化成為有規律的監測序列，能夠較好地反映邊坡的實際狀況。通過三維掃描技術，將觀測變量看作是灰色變量，利用初始建模自身觀測數據序列，分析監測數據及信息發展變化的固定規律，建立一個三維監測體系，并不斷調整監測參數，如表2 所示。

表2 三維激光掃描邊坡變形監測模型參數調整表

根據表2，完成對三維激光掃描邊坡變形監測模型參數的設計與調整。隨后，在此范圍之內，綜合三維激光掃描技術，擴大模型的實際監測范圍，結合改進IQR 監測矩陣建立一個循環性更強的監測結構。利用模型獲取到周期之內的監測數據，通過改進IQR 監測矩陣判斷出邊坡的變形情況，獲取最終的監測結果，另外，在監測的過程中，三維激光技術，還會拍攝采集到較多的圖片、視頻、音頻數據，也可以存儲到模型對應的位置上，便于后續的對比與使用，強化該模型后續的應用能力。

1.5 點云重疊校正實現變形監測

所謂點云重疊校正實際上是針對邊坡的變形狀態，對最終獲取的監測結果做出調整與修正。先設定一個基礎的校正標準，如表3 所示。

表3 點云重疊校正標準設定表

根據表3，完成對點云重疊校正標準的設定與調整。接下來，利用點云重疊校正技術對獲取的監測結果進行比對，測算出重疊監測區域的數據存在的偏差，如果其超出預設的標準，需要通過三維激光掃描技術進行偏差位置的鎖定，重新調整實際的監測結構。利用模型加強對監測粗差的控制，避免出現大范圍的監測誤差。

此外，對于高精度形變監測修正而言，正常情況下GPS 定位雙差觀測值的殘差為毫米級。此次，通過模型中的監測矩陣，分段對監測的區域做出調整，計算出雙差觀測值及監測載波相位值，如果兩者之間的差距沒有大于幾毫米，說明監測結果不需要調整與校正；如果超出標準，則需要重新設定邊坡的監測節點，劃定監測范圍。

2 方法測試

2.1 測試準備

綜合三維激光掃描技術，對G 礦山工程高位邊坡的變形監測情況進行分析。G 礦山區域周邊的植被茂盛，還存在高壓電線以及信號基站，數量較多，且密布在礦山的四周。不僅如此，該路段的山體較多，夏季雨水充沛，再加上外部因素及環境的變化頻繁，更加容易發生滑坡、泥石流等災害，監測環境較差。此外，高壓電線與信號基站密布，對于所設定的監測裝置也會產生較大的影響，無法獲取更為精準、可靠的監測數據及信息。

因此，綜合實際的需求及邊坡變形監測方法，還需要進行相關監測環境的設定與搭建。首先，根據實際的監測規則，明確實際的監測范圍，并將該區域劃分為以下幾個獨立測定區域，即6 個單元區域。隨后，在相關的區域中設置一定數量的監測節點，逐漸形成可靠性更強的監測結構，進行基礎監測指標參數的設定，如表4 所示。

表4 基礎監測指標參數設置表

根據表4，完成對基礎監測指標的設定與調整，營造穩定的邊坡變形監測環境。隨后，綜合三維激光掃描技術不斷調整監測環境的覆蓋范圍，并對基礎的數據采集，為接下來實際的測定奠定基礎。

2.2 測試過程及結果分析

在上述搭建的測試環境之中，綜合三維激光掃描技術，融合預設的監測需求及標準，進行具體的測驗分析。在劃定好的單元區域之中利用節點采集各個邊坡的基礎數據以及信息，采用特定格式轉換為數據包，傳輸到總控制系統內的存儲庫里，以待后續使用。接下來，融合三維激光掃描技術，利用專業的設備及裝置，對礦山高位邊坡變形位置進行模糊識別，從而構建監測序列，具體如圖3 所示。

圖3 礦山高位邊坡變形序列圖示

根據圖3，完成對礦山高位邊坡變形序列的設定與分析。隨即，確定了高位邊坡大致的位置之后，接下來，利用MATLAB 監測軟件進行監測得到數據采樣，并利用三位激光掃描技術，對高位邊坡進行實時測繪掃描，對比初始的標準進行相關分析。在測繪掃描中標定出6 個具體的邊坡位置，測算出高位邊坡變形的平均粗差，如公式（4）所示：

公式（4）中，D 表示高位邊坡變形平均粗差，y 表示邊坡變形定值，表示可控距離差，i 表示監測頻次，δ 表示序列長度。根據上述測定，完成對最終測試結果的分析與驗證研究，考慮到最終測試結果的真實性與可靠性，進行后續的分析，如圖4 所示。

圖4 測試結果對比分析圖示

根據圖4，完成對測試結果的分析：經過6 個獨立單元區域的測試，對比于傳統T-樣條曲面擬合高位邊坡變形監測小組、傳統DIC 高位邊坡變形監測小組，本次所設計的三維激光掃描邊坡變形監測小組最終測試得出的高位邊坡變形監測平均粗差被較好地控制在了0.8 以內，說明該方法的監測能力較強，對于高位邊坡變形監測的針對性更強，誤差可控，具有較高的實際應用價值。

3 結束語

總而言之，以上便是對基于三維激光掃描技術的礦山高位邊坡變形監測方法的設計與驗證分析，與初始的礦山監測形式相對比，此次綜合三維激光掃描技術對于高位邊坡變形程度進行監測，使監測過程變得更加靈敏、多變。與此同時，三維激光掃描技術的應用及融合，一定程度上還可以加快數據、信息采集與應用效率，通過多維測繪模式進行高位邊坡虛擬模型的建立，在短時間內完成邊坡區域高精度的曲面重建，幫助施工人員更為直觀、準確地還原邊坡的變形情況，設計貼合實際的監測方案，推動監測技術邁入一個新的發展臺階。