基于地面三维激光扫描的采空区建筑物变形监测研究

摘要：以某采煤区为工程背景，结合采空区的实际地表情况，构建了适用于采空区建筑物地面三维激光扫描（Three-dimensionalLaserScan，TLS）监测方法，提取的坐标中误差均不超过5.8mm，手动提取的坐标中误差最大为8.6mm，结果说明，利用所提出方法，监测结果较高。该方法主要可适用于立面墙体或者部分采空区建筑物立面变形监测，为TLS应用于采空区建筑物立面变形监测提供新的可行性方案。

关键词：三维激光扫描采空区变形监测点云数据

ResearchonDeformationMonitoringofBuildingsinGoaf

BasedonTLS

SHIQinggang

159thBrigadeofGuizhouProvincialCoalfieldGeologicalBureau，PanzhouCity，GuizhouProvince，553500China

Abstract：Takingacertaincoalminingareaastheengineeringbackground，combinedwiththeactualsurfaceconditionsoftheminingarea，thisarticleconstructsaThree-dimensionalLaserScan（TLS）monitoringmethodsuitableforbuildingsingoaf.Theextractedcoordinateshaveanerrorofnomorethan5.8mm，whilethemaximumerrorinmanuallyextractedcoordinatesis8.6mm，Theresultsindicatethatthemonitoringresultsusingthismethodarerelativelyhigh.Thismethodismainlyapplicabletomonitoringthedeformationoffaçadewallsorsomebuildingsingoaf，providinganewfeasible solutionforTLSapplicationinmonitoringthedeformationoffaçadebuildingsingoaf.

KeyWords：3DLaserScan;Goaf;Deformationmonitoring;Pointclouddata

中国能源结构呈现“缺气、贫油、相对富煤”的特点，在社会经济及科技高速发展的今天，煤炭能源作为我国重要的基础能源之一，短期内以煤炭为主导的能源结构保持不变，其仍起到压舱石作用[1]。由于社会的发展离不开煤炭能源的需求，致使煤炭能源的开采日益剧增。伴随着煤炭能源大幅度开采，且保护措施不到位，严重破坏了开采区域岩体初始预应力平衡，煤层的上覆岩层发生移动变形，使得采空区上方其周边范围内的地表产生地表下沉、水平移动和变形、倾斜等多种变形，也使地面上建筑物墙体产生裂缝，甚至房屋倒塌等不同损害程度，给周边地区人们生产与生活带来极大的安全隐患[2]。因此，我们有必要对采空区建筑物的移动变形进行变形监测与研究分析，做好煤炭开采影响下建筑物的变形监测任务，以便高效指导井下作业、建筑物安全防护等方面，并通过及时采取相应预防措施，降低开采引起的损失，这对保证采空区安全生产、缓解工农纠纷具有重要意义。

采空区建筑物变形监测的问题一直以来都是各国关注的焦点。传统的方法监测效率低、工作量较大、观测站不易维护、在复杂环境中耗时较长、实地作业需耗费大量人力和物力。TLS突破以往传统测量方法在数据采集方式和数据处理方法上的局限性，通过主动式、非接触的测量方式，以高精度、高效率快速地来获取目标对象表面三维坐标及反射强度信息，以便后期进一步对数据处理和三维模型构建等工作[3]。

1地面激光扫描技术

1.1激光扫描的基本原理

三维激光扫描（Three-dimensionalLaserScan，TLS）系统主要包括3个部分：扫描头系统、控制器系统和计算机系统。其中，扫描头系统组成部分主要为激光发射及接收器、水平和垂直反射棱镜、马达控制可旋转滤光镜、电池和相应配套的软件等；控制器系统组成部分主要为计算机总线、扫描模块和距离测量模块等，该系统以计算机总线为主导控制扫描和距离2个模块，以便达到控制系统正常运行的目的；计算机系统组成部分为CPU和数据存储器，该系统通过计算机与扫描仪连接，并通过数据处理软件，利用发出工作指令控制仪器运行，将获取的数据信息存储在计算机内[4]。

1.2TLS采空区建筑物立面变形监测方法

本研究提出一种基于RANSAC算法的TLS采空区建筑物立面变形监测方法。其以采空区房屋墙体上的门窗角点为特征点，手动框选特征点所在区域，采用RANSAC算法将框选特征点所在区域点云分割成3个平面，并拟合其平面模型参数，最后通过最小二乘法求取特征点，可实现对采空区建筑物开采前后同名特征点进行自动提取，以期为基于TLS应用于采空区安全开采提供新途径，技术路线如图1所示。

2工程概况

以某采空区为例，位于煤矿采空区上方的建筑物受上部工作面影响，随着工作面不断推进、开采强度的不断增大，墙体损害越来越严重。在该村庄中，选取某个建筑物为研究对象，该建筑物位于村庄的东部边缘，并使用TLS扫描存在特征点较多的墙体。采空区实拍建筑物采空损害如图2和图3所示，墙面、地平出现多起开裂、裂缝等现象，损害比较严重，部分裂缝采用混凝土灌浆修护。

3数据概况

使用中海达HS-650激光扫描仪采集数据，测距方式为脉冲式，采用全波形测量技术进行多次回波输出，来获取房屋建筑物的点云数据[5]。为获取扫描点云绝对坐标，本次通过多站式扫描，采用4个表面光滑、均质性良好的球形标靶，分别均匀地布设在TLS四周，且球形标靶布设成不同高度。对于扫描获取所研究区域点云数据，通过软件实现点云拼接、降噪和抽稀等一系列预处理，采用标靶球方法对多个观测站数据进行坐标转换，最终获取扫描点云绝对坐标。本次共采集两期扫描数据：第一期扫描时间为2022年3月28日（工作面未开采），第二期扫描时间为2022年12月5日。实测点云图如图4和图5所示。

4应用结果及分析

为了提高仪器扫描墙体点云精度，在每个观测站处选择适宜的架设距离。架设扫描仪时，需要45°斜对着采空区墙体上的门窗角点。需要增加扫描时间，从而达到增加特征点区域点云密度的目的[6]。以第一期扫描墙体点云为参考数据、第二期扫描数据为观测数据，通过论文提出方法和人工，分别提取特征点5次，人工提取特征点多次目的是为了减少偶然误差影响，以坐标均值作为最终特征点坐标的结果。通过论文提出方法提取变形值，并与手动提取结果进行对比，其结果如表1所示。

表中给出了论文提出方法的变形值，以及论文提出方法与手动提取变形值的误差绝对值和相对误差，并将论文提出方法与人工提取特征点的水平方向变形值和下沉值进行对比，其结果如6所示。

由表1可知：（1）通过论文提出方法求取特征点三维坐标，经计算可得，除了4号和6号特征点误差绝对值偏大外，4号特征点在垂直方向误差绝对值为11.5mm，6号特征点在水平方向误差绝对值为12.4mm，采用论文提出方法和手动提取特征点方法所提取误差绝对值主要分布在1.8～8.8mm；（2）就相对误差而言，4号特征点在垂直方向最大不超过4.1%，其余特征点号无论水平方向还是垂直方向，相对误差大多数分布在0.4%～3.4%。结果显示，论文提出方法与手动方法提取变形值大小差别不大。由此可知，论文提出方法准确性较高。

5稳定性评价

利用论文提出方法进行自动提取变形值准确性在模拟实验和工程实例中已得到验证。所以，为了验证论文提出方法在建筑物墙体特征点提取方面是否具有较强稳定性，以坐标中误差作为衡量稳定性的指标，基于上述工程实例数据为基础，通过论文提出方法和人工方法分别提取特征点5次，取其平均值，分别计算各个特征点坐标的水平方向和垂直方向中误差，其结果如表2所示。

从表2可以看出：（1）论文提出方法的坐标中误差主要分布在1.1～6.0mm范围内，论文提出方法的坐标中误差最大值为5.8mm，手动提取特征点在水平方向坐标中误差最大为8.6mm，其它特征点号手动方法提取的坐标中误差大多数分布在2.0～7.4mm范围内；（2）针对每一个特征点号，从水平方向和垂直方向来看，论文提出方法的坐标中误差均小于手动选取方法。因此，相对于手动提取方法，论文提出方法在特征点提取上能够获取较高精度的移动变形值，稳定性较高，故采用论文提出方法的提取结果作为标准，能够满足采空区变形监测实际工程应用。

参考文献

[1]李靖宇.基于地面激光扫描技术的矿区建筑物变形智能监测关键技术研究[D].淮南：安徽理工大学，2022.

[2]王小亮.基于三维激光扫描技术的建筑物变形监测精度分析[J].经纬天地，2022（5）：10-13.

[3]黄毅.紧邻既有浅基础建筑物的边坡稳定性分析及变形监测研究[D].长沙：中南大学，2022.

[4]贾宝川，王磊，李靖宇，等.基于三维激光扫描和墙体长度的砖混建筑物变形监测方法[J].应用激光，2024，44（1）：56-65.

[5]丁凯.城市建筑物变形监测方法对比及评估[J].测绘与空间地理信息，2023，46（6）：184-187.

[6]魏怡，许业波，张伟，等.面向建筑物变形监测的图像量测技术[J].测绘通报，2022（12）：35-41.