1.項目概況

為了更好地支撐寧東國家級煤炭資源綠色開發，2016年中國地質調查局部署實施了“秦嶺及寧東礦產資源集中開采區礦山地質環境調查”項目，由中國地質調查局西安地質調查中心承擔，寧夏回族自治區遙感測繪勘查院參與。項目周期為2016—2018年。為解決傳統煤礦地面塌陷野外測量工作量大、周期長、同時易受外界條件影響的問題，開展了無人機機載三維激光掃描技術應用探索，通過典型采煤塌陷區無人機機載三維激光掃測量，分析地表變形量，初步建立一套效率高、精度高、自動化程度高的地面沉陷監測技術方法，促進了煤礦地面塌陷監測技術的發展。

2.成果簡介

（1）煤礦地面沉陷監測的技術流程

根據煤礦監測區地形特征和測量對象的形態，確定掃描測站點和控制點位置的布設方案，并在測區內均勻布設一定數量的地表變形監測標志點。在此基礎上，進行點云數據的外業采集、內業處理和地面數字模型的建立，并對三維激光掃描測量數據的精度進行評價，最后對多期建模數據進行疊加分析，總結建立了一套適用于礦區地面沉陷監測技術流程。

（2）點云數據野外采集方法

點云數據外業采集過程中，由于地形特征、測量對象的形態、儀器間匹配等多種因素的影響，使得外業采集數據存在一定誤差。為了解決這一問題，在作業前，首先布設一定數量的沉陷監測標志點，便于點云數據的接收及精度的驗證；其次，按照要求布設航線；最后，安裝調試ScanlookV-IV便攜式激光雷達掃描儀，啟動無人機，進行數據采集。

根據機載激光雷達測量系統受天氣及地形因素影響小、能有效祛除植被等特點，同時根據無人機電池電量、GPS基站架設位置及地形特征，多次試驗，確定了適宜于坡度較小礦區的最優航高（60m）、航帶寬參數（100m），對于深溝等特殊地形進行航帶加密提高了數據采集精度。

飛行平臺和激光雷達采用北京某公司生產的BT-856八旋翼無人機系統和超輕便攜LIDAR系統SCANLOOK V系列（圖2），技術參數及性能指標見表1。

圖2 無人機載激光雷達系統照片

（3）點云數據內業處理方法

受掃描速度、設備精度、被測物體的表面情況、操作者的熟練程度等因素影響，原始點云數據包含著大量的噪聲點，為了最大程度減少測量數據的離散點和小振幅噪聲，必須對原始的點云數據進行預處理。首先進行飛行軌跡解算、測區點云解算；其次進行點云數據的拼接、去噪及抽稀等處理；最后對不同坐標系的點云數據進行精確轉換，統一坐標系。

為了提高點云數據內業處理精度，在作業過程中，對異常點和散亂點采用軟件自動判別和人工目視判別相結合的方法，進行去噪；在拼接過程中，刪除兩個飛行架次之間的重復數據，以減少數據量。

（4）建立地面數字模型

首先構建三角網模型，修補多邊形形成較為完整的三角網模型，并去除錯誤的特征；其次，對多邊形數量的調整和平滑，并檢測與校正多邊形，以確定整個三角網模型沒有相交的三角形；最后，提取輪廓線，構造曲面和網格，建立模型（圖3）。

研究大量點云數據三維建模的方法，分析了PolyWorks軟件在礦區地面沉陷方面建模的適用性，總結了Delaunay三角化建模方法及三角網格模型優化方法。實現了礦區實際地形的大量點云數據的建模，并提取了兩期數據的整體變形信息和單點變形信息。

（5）基于水準測量數據的精度分析

為了驗證激光雷達數據的精度，將礦區已有的沉陷監測標志點水準監測數據與激光雷達測量數據的進行對比，得到最大誤差為0.0828cm，平均誤差為0.0375cm。結果表明，利用機載三維激光掃描技術獲取的礦區地面沉陷信息是可行的，能達到很好的精度（表2）。

3.成果意義

傳統煤礦地面塌陷野外測量不但工作量大、周期長，易受外界條件影響，而且獲取的數據無法得到實際地形的細部特征。而機載激光雷達測量系統相對于其他搭載方式，具有受外界條件影響小、成本相對較低、作業周期短、精度高等優點，該技術的出現彌補了傳統野外測量工作的弊端，為煤礦地面塌陷監測提供了新的技術手段，具有很好的推廣應用價值和產業化前景。