采空区三维激光扫描变形监测系统

科技成果——矿用三维激光数字测量系统
技术开发单位东北大学
成果简介
三维激光数字测量技术（三维激光扫描技术、激光雷达）能够全方位、精确地获取空间数据信息的技术，是一种新型全自动高精度空间数据测量技术，通过高速三维激光数字测量的方法，以点云的形式大面积、高分辨率地快速量测被测对象表面的三维坐标、颜色、反射率等信息，能快速、准确地获取被测目标体的空间三维数据，具有高采样率、高精度、非接触性等特点。

东北大学采矿地压与控制研究中心自行研发。

（1）信号与数据处理模块研发：主要应用计算机控制理论、数字电路、软件设计等，进行信号与数据处理的总体设计，主要开发基于单片机的XY控制系统结构，在此基础上，包括基础单片机选型、基本系统扩展设计、I/O接口扩展设计、人机通道设计、前向通道接口设计和后向通道接口设计等；基于C++的驱动结构软件设计，实现各硬件数据信息的通信、存储，并调动各功能程序模块调用时的运行状态、运行结果以及运动要求设置运动状态标志；
（2）点云数据分析建模系统，主要包括：点云数据采集、数据预处理（误差、奇异点剔除）、数据拼接匹配、三维空间建模（主要包括：①算法选择、②模型建立和纹理镶嵌、③数据的输出与评价）。

应用情况
处于研发阶段，2018年下半年，希望有中型科技型偏重电子信
息硬件开发与软件开发企业合作。

市场前景
通过国家自然科学基金资助，已投入资金40余万元。

合作方式合作开发。

三维激光扫描技术在露天矿测量与变形监测中的应用摘要：本文分析了利用常规测量技术测量露天矿的缺点，并根据开采用户在外业测量及内业管理中的技术需求，探讨了三维激光扫描技术在露天矿测量与变形监测中应用的可行性。

关键词：测量;矿山测量;变形监测; 三维激光扫描技术1引言三维激光扫描技术是一种新的测量技术，是基于高密度点云数据进行体积计算的一种技术，它有效地解决了复杂的矿山开采区的测量精度问题，同时提供了可套合的全景影像数据，从而达到图像、数据和实际开采现状的高度一致，它能够在比较复杂和危险的现场和空间对被测物体进行多方位快速扫描测量，并直接获得激光点所接触的物体表面点的三维坐标、反射强度等信息，形成点云数据。

三维激光扫描技术为我们提供了矿山储量测量监测的重要技术手段，与常规矿山测量方法相比，具有外业采集数据点密集、精度高、速度快、成本低、安全系数高、管理方便的特点。

2常规露天矿验收测量手段的不足2.1露天矿验收测量方法（1）利用矿区已建好的基础控制网，采用全站仪与GPS-RTK相结合的方法，进行露天矿验收测量。

（2）对开采区域按《规范》要求进行露天矿采剥工程量计算。

（3）计算开采区域的矿体体积。

（4）测量成果的质量检验。

（5）图形编辑与修饰，并进行储量计算。

（6）提交图件和报表。

2.2常规测量方法中存在的问题矿山在开采过程中形成了凸凹不平的工作面，常规露天矿测量是在采区的范围内，选取一定的地形特征点，一定间隔距离进行数据采集，然后根据这些点来进行露天矿体积计算，因此，其测量成果的准确性主要取决于：采集数据点的点位密度、立尺点的位置、水区点位的准确度、火煤区点位的获取、测量死角区域点位密度等。

常规的露天矿验收测量方法存在以下不足：（1）理想的立尺点很难打到位。

对于平坦的露天矿开采面来说，立尺点很容易被采集到，特征点的数量方面也没有问题，但对于露天矿水区、滑坡区域来说，作业人员几乎无法到达，因此，要想获取特征点的位置和密度就很难完成。

采空区三维激光扫描智能化监测技术研究与应用余乐文;张达;张元生;王利岗【摘要】研制出基于三维激光扫描技术的采空区智能化监测系统,实现空区无人自动化监测.系统通过导轨自动伸入空区测量,将采集的点云数据传输到地面控制中心,通过软件处理获得空区三维形态,将多期测量数据进行对比,分析空区相对变形状况.试验表明,系统可准确判断空区变形位置和体积,为采空区智能化监测提供技术支撑.【期刊名称】《有色金属（矿山部分）》【年(卷),期】2015(067)003【总页数】3页(P1-3)【关键词】采空区;智能化;激光扫描;监测【作者】余乐文;张达;张元生;王利岗【作者单位】北京矿冶研究总院,北京100160;金属矿山智能开采技术北京市重点实验室,北京102628;北京矿冶研究总院,北京100160;金属矿山智能开采技术北京市重点实验室,北京102628;北京矿冶研究总院,北京100160;金属矿山智能开采技术北京市重点实验室,北京102628;北京矿冶研究总院,北京100160;金属矿山智能开采技术北京市重点实验室,北京102628【正文语种】中文【中图分类】TD76在经济和社会快速发展的推动下，我国已成为矿产资源消费大国，矿产资源消耗量激增。

随着地下矿山开采深度的不断增加，开采矿产资源形成的地下采空区安全隐患日益严重，容易出现采场及巷道的大面积冒顶、片帮和严重的闭合变形，进而发生垮塌事故，造成矿山重大经济损失甚至人员伤亡。

因此，科学地揭示井下采空区的三维形态、实现智能化监测对矿山的生产和安全有着非常重要的作用［1-4］。

在传统的采空区变形监测方法中，主要采用顶板沉降仪、收敛计、伸长仪以及水准仪、经纬仪等测量学仪器，但是传统方法存在监测点少、安装难度大、劳动强度大、效率低、精度低等问题［5-7］。

针对上述问题，开发出一套采空区三维激光扫描智能化监测系统，实现对采空区整体监测，具有非接触、高精度、高效率等优点。

采空区三维激光扫描智能化监测系统通过多期在固定测量点扫描采空区三维形态，根据扫描结果分析空区是否发生冒顶、片帮等岩壁垮落，并能精确测定岩壁垮落的发生部位和垮落体积［8-9］。

近年来，自然灾害频繁发生，严重影响国民生产生活的安全。

为精准监测地表变形，现阶段具有多种技术手段可实现这一目标，如摄影测量[1]、合成孔径雷达干涉（Interfermetry Synthetic Aperture Radar ，InSAR ）[2]、全球导航卫星系统（GlobalNavigation Satellite System ，GNSS ）[3]和三维激光扫描[4]等。

其中三维激光扫描技术具有高精度、范围广和效率高等特点，已广泛用于古建筑物和文物保护[5]、城镇规划[6]、交通事故处理[7]及变形监测[8]等领域。

三维激光扫描技术已经成为变形监测的重要技术手段。

罗德安等[9]验证了三维激光扫描技术在变形监测领域的可行性。

张国辉[10]运用三维激光扫描仪对某矿区变形监测时，发现了两种可实施的方法，在变形区域放置标靶，通过标靶中心在不同时期的位移来监测变化；根据点云数据建立变形区域的数字高程模型，利用基于模型求差的方法分析变形。

赵群等[11]对国家体育馆内大跨度的钢架滑移过程应用三维激光扫描技术进行变形监测及分析。

本文重点介绍关于点云数据的处理方法，处理过程包括：数据的读取、点云数据的拼接、噪声的处理、数字高程模型（Digital Elevation Model ，DEM ）的生成和变形信息的提取等操作步骤，以期获得有益结论。

1三维激光扫描仪基本工作原理在扫描工作中，扫描仪的中心点作为坐标原点O ，扫描仪在过原点的水平面上水平转动的方向为X 轴，过原点与X 轴垂直的为Y 轴，经过坐标原点O 且垂直于水平面的为Z 轴，这样坐标轴之间就形成了一个右手坐标系。

其中，每一点的坐标可以表达为X =S ·cos θ·cos φY =S ·cos θ·sin φZ =S ·sin θ⎧⎩⏐⏐⎨⏐⏐（1）式中：S 为目标地物反射点到坐标中心距离；θ为扫描仪中心与目标点所成夹角的水平角；φ为垂直角。

121测绘技术M apping technology地面三维激光扫描支持下的矿山边坡变形监测分析李建师（广西壮族自治区第四地质队，广西　南宁　５３００３１）摘 要：随着地面三维激光扫描技术（３Ｄ　ＴＬＳ）的发展，对矿山边坡进行高精度、非接触式的变形监测成为可能。

本研究围绕某金属矿区工作面采空区上方的边坡展开，通过详细的地面点云数据采集、特征提取、匹配分析，以及变形分析，展示了３Ｄ　ＴＬＳ在矿山边坡监测中的应用。

研究成果不仅揭示了边坡在不同时间尺度上的变形特征，而且提供了一个准确评估边坡稳定性和预测潜在滑坡风险的方法论基础。

关键词：地面三维激光扫描；矿山边坡；变形监测；点云数据中图分类号：Ｐ２２５．２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２－５０６５（２０２３）２３－０１２１－３Monitoring and analysis of mine slope deformation supported by ground 3D laser scanningLI Jian-shi（Ｔｈｅ　Ｆｏｕｒｔｈ　Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｔｅａｍ　ｏｆ　Ｇｕａｎｇｘｉ　Ｚｈｕａｎｇ　Ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ　Ｒｅｇｉｏｎ，Ｎａｎｎｉｎｇ　５３００３１，Ｃｈｉｎａ）Abstract: Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｇｒｏｕｎｄ　ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｌａｓｅｒ　ｓｃａｎｎｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　（３Ｄ　ＴＬＳ），　ｉｔ　ｉｓ　ｐｏｓｓｉｂｌｅ　ｔｏ　ｃｏｎｄｕｃｔ　ｈｉｇｈ－ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ａｎｄ　ｎｏｎ－ｃｏｎｔａｃｔ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｏｆ　ｍｉｎｅ　ｓｌｏｐｅ．　Ｔｈｉｓ　ｓｔｕｄｙ　ｆｏｃｕｓｅｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｌｏｐｅ　ａｂｏｖｅ　ｔｈｅ　ｇｏａｆ　ｏｆ　ａ　ｍｅｔａｌ　ｍｉｎｉｎｇ　ｆａｃｅ，，　ａｎｄ　ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　３　ＤＴＬＳ　ｉｎ　ｍｉｎｅ　ｓｌｏｐｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｄｅｔａｉｌｅｄ　ｇｒｏｕｎｄ　ｐｏｉｎｔ　ｃｌｏｕｄ　ｄａｔａ　ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ，　ｆｅａｔｕｒｅ　ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ，　ｍａｔｃｈｉｎｇ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ．　Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｎｏｔ　ｏｎｌｙ　ｒｅｖｅａｌ　ｔｈｅ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｓｌｏｐｅｓ　ａｔ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｔｉｍｅ　ｓｃａｌｅｓ，　ｂｕｔ　ａｌｓｏ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ａ　ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｉｃａｌ　ｂａｓｉｓ　ｆｏｒ　ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ　ａｓｓｅｓｓｉｎｇ　ｓｌｏｐｅ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｐｒｅｄｉｃｔｉｎｇ　ｐｏｔｅｎｔｉａｌ　ｌａｎｄｓｌｉｄｅ　ｒｉｓｋ．Keywords:　ｇｒｏｕｎｄ　３Ｄ　ｌａｓｅｒ　ｓｃａｎｎｉｎｇ；　ｍｉｎｅ　ｓｌｏｐｅ；　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ；　ｐｏｉｎｔ　ｃｌｏｕｄ　ｄａｔａ收稿日期：２０２３－１０作者简介：李建师，生于１９７８年，男，壮族，本科，广西天等人，测绘工程师，研究方向：激光雷达点云数据与无人机影像，开采区地表移动变形监测。

三维激光扫描测量技术在变形监测中的应用冯国飞(北京市矿产地质研究所 北京 101500)摘要：三维激光扫描设备能够做到非接触测量，对被测对象实施扫描后，能够迅速衔接云点数据，收集被测点的形变信息。

与此同时，该技术能够对基坑与四周建筑的形变趋势做到跟踪记录，利于相关技术人员了解基坑与建筑的形变问题，从而及时采取管控措施。

该文结合某实际基坑监测工程，采用三维激光扫描设备，提出一种基于三维激光扫描测量技术的基坑形变监测方案，并详细分析方案应用过程。

希望三维激光扫描技术能够在基坑变形监测中发挥出最好的效果。

关键词：三维激光扫描技术 基坑变形 监测 应用分析中图分类号：P225.2;TU196.1文献标识码：A 文章编号：1672-3791(2023)16-0030-04Application of 3D Laser Scanning Measurement Technology inDeformation MonitoringFENG Guofei(Beijing Institute of Mineral Resources and Geology, Beijing, 101500 China)Abstract:3D laser scanning equipment can achieve non-contact measurement, and after scanning the measured object, it can quickly connect cloud point data and collect deformation information of the measured point. At the same time, this technology can track and record the deformation trend of the foundation pit and surrounding buildings, which is helpful for relevant technicians to understand the deformation problems of the foundation pit and buildings, so as to take control measures in a timely manner. Combined with a practical monitoring project of the foundation pit, this paper proposes a deformation monitoring scheme of the foundation pit based on 3D laser scanning mea‐surement technology by using 3D laser scanning equipment, and analyzes the application process of the scheme in detail, hoping that 3D laser scanning technology can play the best role in the deformation of the foundation pit.Key Words: 3D laser scanning technology; Deformation of foundation pit; Monitor; Application analysis传统的基坑形变监测技术有全站仪、水准仪测量等，需要在基坑的各个部位布设数多的监测点。

三维激光扫描仪对古建筑的变形监测近年来，古建筑在我国的保护和修复工作中起到了至关重要的作用。

古建筑经过长时间的自然风化和人为破坏，往往会出现变形和损坏的情况，严重影响了其可持续发展和保存的价值。

对古建筑的变形监测显得尤为重要。

传统的古建筑变形监测方法主要采用人工测量的方式，不仅过程繁琐，耗时耗力，而且测量精度不高，容易造成误差。

为了解决这一问题，三维激光扫描技术应运而生。

三维激光扫描技术是一项能够快速、精确地获取古建筑表面点云数据的非接触式测量技术。

它通过发送激光束并接收反射回来的激光信号，利用高精度的测距仪和角度测量仪，可以获得古建筑表面各个点的三维坐标信息。

与传统的人工测量相比，三维激光扫描技术具有测量精度高、数据采集快速、操作简单等优势。

在对古建筑的变形监测中，三维激光扫描仪可以实时获取古建筑表面的点云数据，并对数据进行处理和分析。

通过将每个点与预先建立的参考模型进行比对，可以得到各个点的偏移量和位移变形数据。

可以对变形数据进行可视化处理，生成形变云图或形变图，直观地反映古建筑的变形情况。

结合专业的软件分析工具，可以对变形数据进行综合分析，判断古建筑的稳定性和安全性。

三维激光扫描仪在古建筑变形监测中的应用具有很大的潜力。

它可以大大提高测量的效率和精度，减少了人为误差的可能性。

由于其非接触式测量方式，可以保持古建筑的原样性，避免了对古建筑的进一步破坏。

三维激光扫描仪还可以将多次测量的数据进行对比，及时监测古建筑的变形情况，并进行预警和修复措施。

三维激光扫描仪在古建筑变形监测中还存在一些问题。

其设备和技术的成本较高，需要专业人员进行操作和维护。

古建筑在复杂的环境条件下，如野外环境、复杂的建筑结构等，可能对激光扫描的精度和稳定性造成一定影响。

大量的点云数据需要进行处理和分析，对计算机和软件的要求较高。

三维激光扫描仪在古建筑的变形监测中具有不可替代的优势。

随着技术的不断发展和成熟，相信这一技术将在古建筑保护和修复工作中发挥越来越重要的作用。

基于三维激光扫描技术的建筑物变形监测与分析摘要：随着现代建筑物的日益复杂和高度，建筑物的变形监测与分析变得尤为重要。

本文基于三维激光扫描技术，探讨了建筑物变形监测与分析的方法和应用。

首先，介绍了三维激光扫描技术的原理和优势。

然后，讨论了建筑物变形监测的关键步骤，包括扫描数据采集、数据处理与分析。

最后，通过实际案例，展示了三维激光扫描技术在建筑物变形监测与分析中的应用，并分析了其效果和局限性。

本研究对于提高建筑物变形监测与分析的精度和效率具有重要意义。

关键词：三维激光扫描技术；建筑物变形监；数据采集；数据处理与分析一、引言建筑物的变形监测与分析在建筑工程领域具有重要的意义。

随着建筑物规模的不断扩大和结构复杂度的增加，传统的监测方法已经无法满足精确度和效率的要求。

因此，引入先进的三维激光扫描技术成为了解决该问题的有效途径。

本文旨在探讨基于三维激光扫描技术的建筑物变形监测与分析方法，提高监测精度和效率，为建筑工程领域提供有价值的参考。

二、三维激光扫描技术原理与优势1、原理三维激光扫描技术的原理基于激光束的发射和接收。

首先，激光器向建筑物表面发射一束激光光束。

当激光束与建筑物表面相交时，部分激光光束会被反射回到激光扫描仪的接收器上。

接收器会记录下反射光的时间和位置信息。

通过测量激光光束的发射和接收时间之差，可以计算出激光光束在空间中的传播距离。

根据激光光束的传播距离和接收器的位置，可以确定建筑物表面上的点的三维坐标。

通过在不同位置发射激光束并记录反射光的信息，可以获取大量的点云数据，构建出建筑物的三维模型。

2、优势相比传统的建筑物变形监测方法，三维激光扫描技术具有以下优势：(1) 高精度：三维激光扫描技术能够实现亚毫米级的测量精度。

由于激光束的传播速度极快，激光光束的时间测量能够提供精确的距离信息。

因此，通过对大量点云数据进行处理和分析，可以实现对建筑物表面微小变形的准确监测和定量分析。

(2) 非接触性：三维激光扫描技术是一种非接触性测量方法。