摘 要

露天矿边坡的变形一直是大型露天矿山开采过程中重要安全隐患之一，做好露天矿边坡的安全监测工作，可以有效的保证矿山生产和工作人员的安全。目前，露天矿边坡的主要监测手段有水准仪、全站仪、GPS等，这些手段都是针对单点的监测，使得监测密度不够，监测结果不能很好的反映边坡的整体变化。三维激光扫描采用激光测距方式，可以高分辨率地迅速获得被测物体表面的三维坐标数据，做到对整个边坡空间点位信息的采集，从而对边坡位移进行整体的变化监测。本文以金堆城钼矿边坡监测为例，采用三维激光技术进行监测，形成一套适用于露天矿边坡变形监测的三维激光扫描数据处理的技术方案，为露天矿山边坡治理和安全防护提供安全依据。结果表明，该技术方案可以很好地反映边坡的整体变化，与边坡实际相符。

关键词：露天矿边坡；三维激光；配准；过滤；变形提取

Abstract

The deformation of open-pit slope is one of the important safety hidden dangers in the mining process of large open-pit mine, and the safety monitoring of open-pit slope can effectively ensure the safety of mine production and staff. At present, the main monitoring means of open-pit slope are Level, Total station instrument, GPS and so on. These means are for monitoring of single point. The monitoring density is not enough, and the results can not reflect the overall changes of the slope. Three-dimensional laser scanning by laser ranging method can be quickly to obtain the three-dimensional coordinate data of the detected object surface with high resolution and gather point information of the whole slope space, thus the displacement of whole slope were monitored. This paper adopts three-dimensional laser technique to monitor the slope in Jinduicheng Molybdenum Mine, forming a technical scheme of 3D laser scanning data processing for slope deformation monitoring of open-pit mine. The results show that the technology can well reflect the overall changes of the slope, and the monitoring result is consistent with the actual slope.

Key Words：open-pit mine; three-dimensional laser; registration; filtration; deformation extraction

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究的目的及意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.2.1边坡稳定性检测现状 1

1.2.2三维激光扫描技术应用现状 2

1.3研究内容和技术路线 2

1.3.1研究内容 2

1.3.2技术路线 2

第2章 地基三维激光扫描系统 4

2.1概述 4

2.2地基三维激光扫描工作原理 4

2.3地基三维激光扫描设备 6

2.4地基三维激光数据处理常用软件 7

2.4.1 Cyclone软件 7

2.4.2 PolyWorks软件 8

第3章 基于三维激光的露天矿边坡监测关键技术 10

3.1概述 10

3.2点云匹配 10

3.2.1匹配方法分类 10

3.2.2七参数配准算法 11

3.3点云过滤 12

3.3.1点云去噪 12

3.3.2点云抽稀 12

3.4 变形特征提取 13

3.4.1露天矿边坡DEM面生成 13

3.4.2露天矿边坡DEM面比较 14

第4章 工程应用实例 15

4.1工程概况 15

4.2外业数据采集 15

4.3内业数据处理结果 16

4.3.1三维激光数据匹配结果及分析 16

4.3.2三维激光数据过滤结果及分析 17

4.3.3变形特征提取结果及讨论 18

第5章 结论和展望 20

5.1 结论 20

5.2 展望 20

参考文献 21

致谢 23

第1章 绪论

1.1 研究的目的及意义

伴随露天矿开采的不断进行，边坡的面积也在不停的扩大，虽然在采掘进行中会对边坡做一定的加固处理，但其稳定性问题仍是潜在的安全隐患，一旦发生滑坡事故，就会造成不可估计的经济和社会损失。三维激光扫描技术作为测绘范畴继GPS技术之后的又一次变革，已经普遍应用在土木工程、结构监测、物体三维重建等的众多领域，具有效率高、精度高的特殊优点，因此也可用于露天矿边坡稳定性的监测。与传统监测边坡稳定性的方式相比，它是利用激光测距的方法快速测量，大范围高分辨率地获取被测物体表面的三维坐标数据，可以迅速、大范围的采集点位信息，并快速拟建物体的三维立体模型，从而检测边坡在一段时间内的变形情况，进而判断该边坡是否稳定。运用三维激光扫描技术可以对露天矿边坡做快速地检测分析，从而得出露天矿边坡的稳定情况，为露天矿山边坡治理和安全防护提供安全依据。

1.2国内外研究现状

1.2.1边坡稳定性检测现状

传统的边坡变形监测方式是构建复杂的监测控制网，使用水准仪、全站仪等设备进行观测，这类监测技术所需过程时间长，劳动人力投入大，很难实现远程自动化观测。在近10之中，各种自动化检测仪器及设备得到充分拓展。光纤传感检测技术以激光为载体，能测量几乎所有的电子仪器检测物理量，敏感度高，可检测关键部位的位移，刘永莉将分布式光纤传感技术应用在边坡工程监测中^[1]，李峰研究了高陡边坡变形监测的光纤光栅传感技术^[2]。GPS技术由于具有不受天气干扰、可以实施远程自动监测、观测精度高等优点，已被广泛地应用于边坡变形观测。加拿大的大地中心和新布伦兹维克大学联合研制的基于GPS技术的自动实时监测系统已经在加拿大的HighL and Valley露天铜矿开始使用^[3]。贾晓娟等人将GPS技术应用在安太堡露天矿边坡变形监测中^[4]。罗周全等人在露天矿边坡位移监测中应用GPS-RTK技术^[5]。人们在传统的测量仪器全站仪的基础上研究出了自动全站仪，又称测量机器人，大大提高了测量的自动化水平，孙华芬等人采用测量机器人开展了边坡远程自动监测系统^[6]。合成孔径雷达干涉技术是利用合成孔径雷达对同一地区观测取得两幅复数值影像数据进行相干处理，以获取地表高程信息的技术。具有全天时、全天候、高精度、高效率等突出优势，其测量精度可达mm级，陈善刚等人研究了合成孔径雷达干涉技术技术在矿山地表沉降监测中的应用^[7]。在合成孔径雷达干涉技术技术基础上又发展了差分干涉技术，可观测地表的微小变形，闫大鹏应用差分干涉技术来监测云驾岭煤矿区开采沉陷^[8]。这些方式都能够做到点位的精确监测，同时就导致了监测密度不够，三维激光扫描作为一种新型测量技术，突破传统单点测量和数据处理方法，可以做到面的数据采集方式，从而增加监测密度。

1.2.2三维激光扫描技术应用现状

三维激光是继GPS技术以来在测绘范畴的又一次变革。起初的三维激光扫描技术是应用在工业模具制造以及逆向工程，现在已经较为完善。近几年来，由于中、远距离的三维激光扫描仪的快速发展，其应用范围也在逐渐拓宽，胡琦佳在隧道工程监测中应用三维激光扫描技术^[9]。王红霞应用三维激光扫描技术来监测桥梁^[10]。胡文嘉用三维激光扫描技术对古建筑物进行变形监测研究^[11]。可以看出，三维激光技术已应用到建筑监测领域。同时，在地质工作方面，三维激光也得到了相应的应用。刘博涛采用三维激光扫描技术对地面沉降进行监测^[12]。陈致富等人在基坑变形监测中应用三维激光扫描技术^[13]。毕进超做了三维激光扫描技术在危岩体变形监测中的应用研究^[14]。在边坡检测方面，董秀军等人将三维激光应用于高陡边坡的地质调查中^[15]；蓝紫坚在边坡的灾害治理中用到三维激光扫描技术^[16]；刘文龙等人将三维激光应用到滑坡检测的研究中^[17]；还有闫俊等人用三维激光来调查边坡岩体的结构^[18]。但是针对露天矿边坡的方面，用到三维激光扫描技术却很少，本文提出应用三维激光扫描技术来补充露天矿边坡的监测技术手段，使露天矿边坡变形监测技术愈加丰富、完善。

1.3研究内容和技术路线

1.3.1研究内容

本课题采用三维激光扫描技术开展露天矿边坡变形监测分析，从露天矿边坡的数据采集、数据预处理到边坡变形特征提取等一系列的关键技术与流程进行研究，重点计算露天矿边坡不同区域的变形量，并用不同颜色显示出来，给出不同位置的变形量及变形趋势，从而形成一套适用于露天矿边坡变形监测的三维激光扫描数据处理的技术方案。本课题的研究旨在切实提高露天矿边坡变形监测的效率，为露天矿山边坡治理和安全防护供应判断依据。

1.3.2技术路线

本文主要的工作是利用三维激光扫描仪来取得露天矿边坡的点云数据，运用后期软件对点云数据进行整理，并对两期数据进行叠加分析，从而得到边坡变形量，整个过程的详细技术路线如图1. 1.

图1. 1 露天矿边坡变形监测技术路线

第2章 地基三维激光扫描系统

2.1概述

地基激光扫描（TLS）是最具有前景的对边坡进行描述和监测的技术之一^[19-20]。它是通过对沿一个已知方向发射一个红外脉冲的飞行时间的测量来获取一个高分辨率的测量现场的点云，通过测量的点云来检测边坡^[21-22]。