廉旭刚,胡海峰,陈鹏飞

(1.太原理工大学 矿业工程学院,太原 030024;2.太原理工大学 地震与地质灾害防治研究所,太原 030024)

地下开采造成了上覆岩层及地表的移动变形,并以不同的地面灾害类型存在,地面裂缝、台阶、塌陷坑、滑坡为最基本的开采沉陷灾害类型。传统的测量方法通过沿工作面走向与倾向布设地表离散监测点,获取开采沉陷引起的地表移动变形规律,而对于地面灾害仅能通过素描、拍照、量取几何尺寸、边界测量等方法对其进行描述。地面灾害的空间采集及形态描述是目前研究的一个热点。专家学者应用InSAR技术、GPS技术等方法相结合,探究地面沉降灾害及山体滑坡地面灾害。张诗玉等对河北廊坊市、霸州市胜芳镇2003年至2007年ENVISAT卫星的SAR影像进行了差分干涉测量处理。通过该地区的GPS站网,削弱了部分大气对流层折射延迟的影响,并融合SRTM3 DEM对平地效应残留误差进行了估计,从而精确地获取了该时期的地面沉降量及沉降漏斗中心[1]。王爱国针采用数据融合方法对水准和InSAR进行融合,较好地解决了水准监测数据的时空分辨率低和InSAR数据中部分地区失相干的弊端,使融合后的数据能更好地描述地面沉降的现状,为更好地预测地面沉降的发展趋势,减少沉降灾害对经济社会的危害[2]。喻永平等采用两种不同波段、覆盖区域相同、时间跨度几乎相同的ASAR数据和PALSAR数据分别监测广花盆地,并相互验证,结果显示部分地区沉降比较明显[3]。龙四春等利用雷达差分干涉测量与GPS集成可实现对矿区的三维形变监测[4]。王利研究了地质灾害高精度GPS快速定位关键技术[5]。张杏清等探索一种应用In SAR、GPS、精密水准高效协同监测和相关监测资料精密处理、高效融合的理论、技术与方法,建立高时空分辨率的地面沉降监测体系成为当务之急。针对广州南沙试验区开展的高时空分辨率沉降监测体系的研究实践[6]。

InSAR、GPS、水准测量技术的融合解决了高精度大范围内地表移动的沉降监测问题,而对于地面灾害的局部特征仍无法详细描述。汪燕麟将地面三维激光扫描技术引入到地震灾区多个大型滑坡体体积测量与分析中,该技术可以高精度、高速度、高密度地测量物体表面三维空间坐标,从而详细描述表面细部状况,对滑坡灾害的治理防护提供了宝贵的研究资料[7]。舒飞等以四川雅安市天全县南部某地暴发特大规模泥石流灾害为工程实例,通过地面三维激光扫描仪实地测量,获取此次泥石流滑坡高精度三维地理信息数据,为以后的灾后重建与防御工作提供第一手资料[8]。宿渊源等介绍了三维激光扫描在震后三维重建以及分析中的一些应用,包括地震应急、活动构造信息提取、倒塌建筑物识别分类、次生灾害监测,如滑坡、堰塞湖等[9]。冯光胜通过利用激光雷达对不良地质进行扫描,快速获取其三维信息,确定不良地质规模、空间位置分布范围和发展趋势等,为工程地质勘察提供较准确的地质资料[10]。赵骞等应用地面三维激光扫描仪(TLS)进行了快速获取滑坡区域数据和几何特征提取的科学试验,通过ILRIS地面三维激光扫描仪和PolyWorks软件获取和处理数据,提取了滑坡几何特征,数据可供相关部门对滑坡灾害进行快速科学处置[11]。徐进军等研究了基于三维激光扫描的滑坡变形监测与数据处理,滑坡变形体的诸多细节变化对正确的变形分析有着重要的作用,将该技术引入到滑坡变形监测与分析中,可充分利用滑坡体上的大量点自然地物作为监测点,来完整监测和分析其变形[12]。李强等以重庆市某采煤沉陷区内地表变形明显、沉陷趋势显著的地表为研究对象,采用三维激光扫描技术对其进行地表沉降变形监测研究[13]。三维激光扫描作为一种采集数据的手段,能够快速的提取地面灾害的特征数据,对地面灾害三维点云数据的空间分析有待进一步提升。本文主要围绕采动山体滑坡及裂缝的点云数据进行空间特征分析,为采动地面灾害的监测及评估提供新途径。

1 采动坡体三维激光扫描

山区某工作面上方地表区域相对高差约130 m,属于典型的山区开采。采用Leica MS50全站扫描仪(1″)对工作面上方危险边坡及大型台阶裂缝进行了重点监测,并对其它类型的地面灾害进行分析。工作面开采宽度200 m,平均采深300 m,开采厚度8.7 m,黄土层厚度66 m～123 m。应用三维激光扫描仪分别在2016年3月11日,工作面推进至518 m,超越图1-a所示坡体100 m,及2016年4月8日,工作面推进至578 m处,超越图1-b所示坡体160 m,对两个时间点的崩落及滑坡进行扫描。点云的垂直与水平间距均为1 cm。

1-a 2016年3月11日

1-b 2016年4月8日图1 采动山体滑坡Fig.1 Landslides caused by mining

1.1 滑坡体剖面分析

分别对上述两期扫描获得的点云数据进行处理,经过点云去噪、三角网建模、等高线生成、剖面线处理等,形成了如图2所示可视化地表滑坡三维模型。三条剖面线分析可知,2016年4月8日由于采动程度的加剧,导致坡顶大量土体下滑,基本掩盖了3月11日形成的坡体表面。

图2 采动滑坡体三维建模与剖面分析Fig.2 3D Modeling and profile analysis of mining landslide

1.2 山体坡度分析

坡度是地表单元陡缓的程度,即坡面的垂直高度和水平距的比,根据坡度的不同对滑坡进行不同颜色的渲染,即得到如图3所示的更能直观表达地形坡度的坡度色彩图。

3-a 2016年3月11日

3-b 2016年4月8日图3 滑坡前后期坡度渲染图Fig.3 Rendering of slopes before and after landslide

分析图3-a,坡体上部地形多处颜色较深,说明坡度较大,潜在较大的坍塌趋势。对比图3-a与3-b,可以发现,前期滑坡坡度最大为80°左右,且存在多处颜色较深,后期坡体坡度最大为70°左右,只有个别小范围地形颜色较深,说明在扫描间隔的时间内,坡体经过了较大程度的坍塌,整个坡体开始趋于稳定。

1.3 坡体周围测点的传统监测

通过对坡体周围监测点进行位移分析,见图4,发现坡体测点O14的倾向水平移动最大,达到7 602 mm,测点O13距离O14仅30 m,而该点的倾向水平移动为235 mm,充分说明了测点O14受山体滑坡的影响,向土体内部产生了水平滑移。坡顶测点O16受山体滑坡扰动较小,倾向水平移动为1 394 mm。同理,可见测点W11位于坡底处,产生走向水平移动4 666 mm,而W12距离坡体较远,其走向水平移动为1 731 mm。

图4 坡体周围监测点水平移动Fig.4 Horizontal movement of monitoring points around the slopes

2 采动地表台阶裂缝三维激光扫描

工作面在推进过程中在地表形成了如图5所示的台阶裂缝,其中图5-a位于测点W9附近,属于坡顶区域;图5-b位于测点O10附近,属于坡底区域。分析图6可知W9与O10位于工作面推进方向线上,二者在采动过程中的主要以水平移动为主,且大小基本一致;而O10点的下沉值显著的大于W9点的下沉,相差约1 500 mm,尽管W9点经历的开采扰动时间要长于O10点,其原因主要是由于O10点位于坡底,W9位移坡顶平坦区域,O10点的下沉量包含了坡体在未发生水平移动的下沉量,与坡体滑移后地形高差起伏产生的下沉量,充分验证了山区采动坡体滑移对下沉的附加影响规律。

图5 采动地表台阶裂缝Fig.5 Ground stepped cracks caused by mining

图6 W9与O10测点移动变形分析Fig.6 Mobile deformation analysis of monitoring points: W9 and O10

为了充分的描绘大型台阶裂缝的几何形态,采用三维激光扫描对裂缝进行了扫描,并对所得到点

云数据进行了去噪、建模、剖面等处理,得到台阶裂缝三维膜型与剖面图，见图7。

图7 台阶裂缝三维模型与剖面Fig.7 3D model and profile of stepped cracks

通过三维激光扫描监测裂缝的特征变化,能够准确真实、全方位的得到裂缝的特征信息,在不同位置进行断面提取,能够得到了裂缝的宽度及台阶高度,图7-b断面1裂缝宽度为2.04 m,台阶高度1.09 m;断面2的裂缝宽度为1.70 m,台阶高度2.12 m,断面3的裂缝宽度为0.82 m,台阶高度2.11 m。

3 结论

应用三维激光扫描对采动过程中的地面灾害进行监测,并对点云数据进行三维建模及空间分析,得到了以下结论:

1)应用三维激光扫描仪对采动山体的崩落、滑坡进行了监测及三维空间分析,证明了应用该技术能够对山体滑坡的局部空间特征进行采集分析,并通过传统方法对坡体周围的移动变形进行了监测,对比发现点云数据对坡体破坏现状详细描述具有较大的优势,而传统方法在点位的绝对位移监测方面具有较大优势。

2)三维激光扫描对采动地面大型裂缝进行扫描及空间分析,提取了不同断面裂缝的宽度、台阶高度等,为采动地表裂缝的描述提供了新的途径。

[1] 张诗玉,李陶,夏耶.基于InSAR技术的城市地面沉降灾害监测研究[J].武汉大学学报(信息科学版),2008(8):850-853. ZHANG Shiyu,LI Tao,XIA Ye.Study on Urban Area Subsidence Monitoring Based on InSAR Technique[J].Journal of WuHan University:Natural Science,2008(8):850-853.

[2] 王爱国.运用水准和InSAR的地面沉降监测数据融合方法[J].测绘科学,2015(4):121-125. WANG Aiguo. Data Fusing Method of Land Subsidence Monitoring Based on Leveling and InSAR[J].Science of Surveying &Mapping,2015(4):121-125.

[3] 喻永平,林鸿,王会强.利用时序InSAR技术监测广花盆地地面沉降[J].测绘通报,2015(A1):157-159.

[4] 龙四春,唐涛,张赵龙,等.DInSAR集成GPS的矿山地表形变监测研究[J].测绘通报,2014(11):6-10. LONG Sichun,TANG Tao,ZHANG Zhaolong,etal.On Mining Ground Deformation Monitoring Based on Integration of DInSAR and GPS[J].Review of Surveying &Mapping,2014(11):6-10.

[5] 王利.地质灾害高精度GPS监测关键技术研究[J].测绘学报,2015(7): 826. WANG Li.A Study on Key Technology of High Precision GPS Monitoring for Geological Hazard[J].Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2015(7):826.

[6] 张杏清,谢荣安,戴吾蛟,等.高时空分辨率地面沉降监测体系研究与实现[J].测绘通报,2015(7):68-71. ZHANG Xingqing, XIE Rongan, DAI Wujiao,etal.Research and Realization of High Spatiotemporal Resolution Ground Subsidence Monitoring System[J].Bulletin of Surveying and Mapping, 2015(7):68-71.

[7] 汪燕麟,殷义程,施昆.地震灾区中地面三维激光扫描测绘技术的应用方法分析[J].测绘通报,2015(6):65-68. WANG Yanlin, YIN Yicheng, SHI Kun. Application of the Method of 3D Laser Scanning Measurement Technology in the Earthquake Stricken Area[J].Bulletin of Surveying and Mapping,2015(6):65-68.

[8] 舒飞,蒋小勇,韩天培.三维激光扫描技术在地质灾害体测绘生产中的应用[J].中国地质灾害与防治学报,2015(1):77-81. SHU Fei,JIANG Xiaoyong, HAN Tianpei.Application of 3D Laser Scanner to Surveying and Mapping Production of the Geo-hazard Sites[J].The Chinese Journal of Geological Hazard and Control, 2015(1):77-81.

[9] 宿渊源,张景发.三维激光扫描技术在震后地面三维重建中的应用[J].地壳构造与地壳应力文集,2012(0):30-37. SU Yuanyuan,ZHANG Jingfa.3D Ground Reconstruction After Earthquakes[J].The Proceeding of Crustal Structure and Crustal Stress,2012(0):30-37.

[10] 冯光胜.LIDAR在地质灾害调查与监测中的应用研究[J].铁道工程学报,2014(7):12-16. FENG Guangsheng.Application of LIDAR Technology in Geological Hazard Investigation and Monitoring [J].Journal of Railway Engineering Society,2014(7):12-16.

[11] 赵骞,张锦.TLS在滑坡几何特征快速提取中的应用[J].测绘科学,2012(5):129-131. ZHAO Qian,ZHANG Jin.Application of Terrestrial Three-dimensional Laser Scanner in Rapid Extraction of Landslide Geometric Features[J].Science of Surveying and Mapping,2012(5):129-131.

[12] 徐进军,王海城,罗喻真,等.基于三维激光扫描的滑坡变形监测与数据处理[J].岩土力学,2010(7):2188-2191. XU Jinjun,WANG Haicheng,LUO Yuzhen,etal.Deformation Monitoring and Data Processing of Landslide Based on 3D Laser Scanning[J].Rock and Soil Mechanics,2010(7):2188-2191.

[13] 李强,邓辉,周毅.三维激光扫描在矿区地面沉陷变形监测中的应用[J].中国地质灾害与防治学报,2014(1):119-124. LI Qiang,DENG Hui,ZHOU Yi.Application of 3D Laser Scanning to the Ground Subsidence Deformation Monitoring in Mining Area[J].The Chinese Journal of Geological Hazard and Control,2014(1):119-124.