矿区地表变形监测方法探讨.docx
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矿区地表变形监测方法探讨
本科毕业论文
矿区地表变形监测方法探讨
DISCUSSIONONMONITORINGMETHODOFMINESURFACEDEFORMATION
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矿区地表变形监测方法探讨
摘要
近年来，人们对矿区的大规模开采，使得矿区地表变形越来越严重，地表变形成为整个矿区地质环境问题之一。
在矿区不管是露天还是地下开采都不可避免地引起矿区地貌的变化，矿区地表的变形对整个矿区环境、矿区建筑物、生态等带来了严重的影响，也影响了矿区安全生产。
因此，进行地表变形监测成为矿区安全生产不可缺少的一部分，是矿区的重中之重。
监测数据中我们可以找出变形的规律，从而我们可以从中找出变形体变形的原因，来得到解决方案。
而怎样进行变形监测将成为今日的热门话题，本文将重点论述传统的和近代的一些变形监测技术，详细的阐述各技术的原理。
不同监测技术是否能联合使用，以及对比性的来说明各监测技术。
关键字：
矿区地表，变形监测，监测方法
DISCUSSIONONMONITORINGMETHODOFMINESURFACEDEFORMATION
ABSTRACT
Inrecentyears,large-scaleminingareas,sothatmoreandmoresevereminingofsurfacedeformation,surfacedeformationbecomeoneoftheenvironmentalproblemsoftheminegeology.Intheminingarea,whetheropen-airorundergroundminingwillinevitablyleadtochangesinthelandscapeoftheminingarea,minesurfacedeformationonthemineenvironment,miningbuildings,posesaseriousecologicalimpact,butalsoaffectedthemineproductionsafety.Therefore,thesurfacedeformationmonitoringminesafetyhasbecomeanindispensablepartoftheproduction,itisthemostimportantminingarea.Monitoringdata,wecanfindouttherulesdeformablesowecanfindoutthecauseofalargedeformation,toobtainsolutions.Andhowtoconductdeformationmonitoringwillbecomeahottopictoday,Thisarticlefocusesonsomeofthetraditionalandmoderndeformationmonitoringtechnology,elaboratedtheprincipleofeachtechnology.Aredifferentmonitoringtechniquescanbeusedincombination,aswellascomparativetoillustratethevariousmonitoringtechniques.
KEYWORDS：
SurfaceMining，DeformationMonitoring，Monitoringmethods
摘要2
ABSTRACT3
绪论5
1.变形监测概述5
1.1变形监测的含义5
1.2变形监测的研究对象6
1.3变形监测的特点6
1.4变形监测技术的发展7
1.5变形监测技术的未来8
1.6对矿区进行变形监测的意义8
2.变形监测方法8
2.1常规大地测量方法9
2.1.1常规大地测量方法含义9
2.1.2常规大地测量使用仪器9
2.1.3常规大地测量方法9
2.2GPS一机多天线技术10
2.2.1GPS一机多天线工作原理11
2.2.2监测系统11
2.2.3GPS一机多天线特点12
3.激光扫描技术13
3.1背景介绍13
3.2激光原理14
3.2.1激光原理14
3.2.3激光的特性15
3.3激光雷达（LIDAR）15
3.3.1激光雷达工作原理16
3.3.2激光雷达技术优势16
3.3.3激光雷达技术应用现状17
3.4激光扫描仪的原理17
3.4.1激光扫描方式17
3.4.2激光扫描仪的测量原理18
3.5激光扫描仪种类19
3.6机载型激光扫描仪20
3.7激光扫描仪的特点22
3.8激光扫描技术与传统测量技术的区别23
绪论
随着近几年煤矿的不断开采，矿区灾害已成为社会关注的热点。
如何确保矿区工程的安全，防止矿区地质灾害的发生，就成为施工者面临的重要问题。
影响地表稳定性的因素很多，及时、准确地提供变形监测数据，才能确保施工人员正确的分析矿区地表的变形状态，从而确保矿区及其周围建筑物的安全。
常用的变形监测的方法通常是在矿区附近设置稳定的观测点，然后再观测点上安置仪器对变形监测点进行监测。
在观测过程中，为了避免矿区已有的变形对观测点的影响，观测基站应远离变形区；同时为了保证通视条件，提高观测精度，观测基站又要尽可能的靠近监测点这两者本身就是矛盾的。
因此，很难采用固定的站点对矿区进行监测。
为此，该文中提出现阶段应用于变形监测中的一些方法对变形进行监测，论述了不同监测方法在矿区变形监测中的测量，对比了不同测量方案。
1.变形监测概述
1.1变形监测的含义
变形是在自然界中常见的现象，它是指在各种外力作用下，其形状、大小及位置在时间、空间领域中的变化。
变形的变形体有一定范围的要求，在适当的范围内是允许的，如果超出允许值，这在很大程度上会导致灾难。
这种危险的现象有可能发生在我们的生活中，如地震，山体滑坡，岩崩，地表塌陷，火山爆发，大坝，桥梁坍塌，建筑物等与建筑物的倒塌等。
变形监测是利用特殊的设备和有效的方法对变形现象进行的观测，这种情况将是一个对变形分析的过程，根据变形发展趋势来预测现状，我们把这种工作称为变形监测。
其任务是确定变形体的形状，大小和状态以及变形体在时间、空间中由负载外力引起的变化。
在精密测量中，最具代表性的变形体又不大坝，高层建筑，坡，隧道，矿山开采沉陷等地表变形。
1.2变形监测的研究对象
在工程测量中，研究最具有代表性的变形体有矿区、桥梁、大坝、边坡、隧道、地表沉降等。
而根据变形体的研究范围,可将变形监测研究对象划分为三部分:
（1）全球性变形研究,如监测全球板块运动、地极移动、地球自转速率变化、地潮等；
（2）区域性变形研究，如地壳形变监测、城市地面沉降等；
（3）工程和局部性变形研究，如监测工程建筑物的三维变形、滑坡体的滑动、地下开采引起地表移动和下沉等。
1.3变形监测的特点
与一般的工程测量相比，变形监测有着自己的特点:
1）.变形监测有着多科学性的特点
变形监测有时不能简单的理解为测量工作，不是测量人员单独完成的问题，一般需要其他相关学科的科研人员共同参与，由于变形体的种类繁多，变形体的变形所受影响因素以及作用方式有很大的差别，很大程度上牵涉到地质构造、工程结构、设计理论以及变形体受温度、湿度、风力等各种外界环境因素的影响。
因此，在这种复杂的变形监测中，我们需要结合多种学科，测量学、工程地质学、水文地质学、结构力学、建筑工程学。
计算机学科等诸多学科的知识，来对变形体作出科学合理的分析、解释，对变形体以后的发展趋势作出及时的预测和预报。
因此，变形监测是一门多种学科相结合的边缘学科，是测量人员与其他学科人员合作研究的领域。
2）.变形监测具有很强的时间性
变形体的变形一般有一定的时间性，发生在某一时间段或一个时刻，而变形监测就要在变形体的变形时间段内进行。
根据监测目的，监测方法的不同，变形监测就有了分期监测和连续监测,两者相比分期监测者居多。
在分期监测中每一期观测实际上都需要持续观测一段时间来完成。
期间我们要选择合适的时间或时刻来进行观测，来对变形进行合理的分析、判断和预测。
变形监测的时间性还与观测周期有着联系。
如果变形的速度较快，我们应尽可能的缩短观测周期；如果观测的变形体变形趋于稳定状态，观测周期可以长点；为了确保变形体的安全和防止不确定的因素的影响，即使变形稳定后一般也要隔一定时间仍然坚持观测。
3）.变形监测的精度要求差异较大
监测的目的、变形体的类型及部位的不同变形监测的精度要求也不同。
在为了确保工程建筑物安全上变形监测精度要求达到变形值的十分之一。
在科学研究中监测精度一般远远高于安全监测的精度要求。
像倾斜度的监测，如果为了保障居民居住安全，精度可能要求低，如果是高耸的大厦，监测精度就要求高了。
4）.需要多种测量仪器和测量方法的联合使用
在变形监测中，由于变形监测的精度存在着很大的差异，监测周期的不确定性，有的需要连续监测，因此我们就必须有针对性地运用不同的监测仪器、监测方法。
在一些大区域的变形监测领域，如全球变形监测，常采用甚长基线干涉测量和GPS相对定位技术，来监测地壳板块的相对运动。
在精密工程监测中，可以采用常规大地测量仪器，但有时还的需要特殊的仪器联合使用。
在监测大规模的地表沉陷，一般用一种测量方法和仪器是完成不了的，常需要地面测量。
摄影测量和遥测等方法和仪器的综合使用。
1.4变形监测技术的发展
随着科学技术和变形监测的要求不断提高，变形监测技术不断地发生着变化。
在20世纪80年代以前，监测技术主要是采用常规大地测量技术。
采用经纬仪、水准仪、测距仪、全站仪等常规测量仪器测定点的变形。
这种测量方法能够提供变形体整体的变形状态；适用于不同的监测精度要求、不同形式的变形体和不同的监测环境；可以提供相对的变形信息。
但是由于它的外业工作量太大，布点受地形条件的影响，不易实现自动化监测。
在近10年来，GPS技术的快速发展，使得其在隧道、桥梁、大坝、矿区等方面的变形监测中得到了大范围的应用。
其监测精度能达到㎜级。
GPS测量技术耗费时间短，效率高；数据信息丰富，便于进行变形的对比分析，监测工作简单、快速、安全；精度高并且不受地形条件限制。
GPS测量技术给世界带来了一场巨大的革命，国外从20世纪80年代开始用GPS进行变形监测。
近年来，我国利用GPS进行大坝变形、矿区地表沉陷等方面的变形监测。
作为GPS测量RTK网络技术的一种，测量的精度得到了进一步提高，而且测量受到的限制条件也少了很多。
1.5变形监测技术的未来
（1）多种传感器、数字近景摄影、全自动化跟踪全站仪和GPS的应用，使得变形监测方向向着连续、实时、高效率、自动化、动态监测系统的方向发展；
（2）变形监测在时间和空间上的采样率得到了大大提高，变形监测自动化为变形分析提供极为丰富的数据信息；
（3）为了要求在一些复杂环境下长期、稳定可靠地进行监测，需要高度可靠、实用、先进的监测仪器和自动化系统；
（4）实现远程持续在线实时监控，在大坝、桥梁、边坡体等工程测量中将发挥巨大作用，网络监控是推进重大工程监测安全的必由之路。
1.6对矿区进行变形监测的意义
近五十年来,采矿事业快速发展,很多矿区都进行了大规模的开采,一些矿区地表在井下开采区域内发生了变形和地表移动,造成地上建筑物产生皲裂被破坏,矿区范围表面出现不同程度的变形。
对矿区进行变形监测，可以对变形发展态势进行预测和研究，监测矿区在垂直方向和水平方向上的位移，以确保地表建筑物及其周围环境的安全,还能为恢复矿区地表、重建矿区周边生态环境提供参数。
2.变形监测方法
传统的方法：
常规大地测量方法，如三角测量法、导线测量法、水准等。
现阶段一些新技术：
GPS一机多天线技术、激光扫描技术、合成孔径雷达干涉测量技术、三维光学扫描技术（应用与工业领域）不做详细解说。
2.1常规大地测量方法
2.1.1常规大地测量方法含义
常规大地测量方法是通过测量高程、角度、坐标、边长来测定变形的方法，该种方法直观、仪器工具简单且普及，能解决各种精度级别的要求，是变形监测的主要方法。
2.1.2常规大地测量使用仪器
经纬仪、全站仪、水准仪、测距仪
2.1.3常规大地测量方法
1）.三角测量法
在地面上按一定的要求选定一系列观测点A,B,C…所有点都满足与周围相邻近点的通视，构成三角形网状。
在各点上可以进行水平角观测，从而精确测量各三角形的内角。
三角网的元素：
起算元素;已知点的坐标、边长和已知的方位角。
观测元素：
三角网中观测的所有边长或角度。
推算元素：
由起算元素和观测元素的平差值推算的三角网中其他的边长、坐标方位角和各点的坐标。
由于三角点布设成网状时，能够控制整个矿区，有利于加密图根控制网；作业比较简单，只需测量少数边长和一些水平角，一般都是精密测角、测距，所以精度高；内业平差计算时由于几何条件多，点位精度相对较高。
因此三角测量法一般是工程作业的主要方法。
2）.导线测量法
设想将地面控制点连接成一条折线的形状，直接测量各边的边长和相互之间的夹角
，若已知1点的坐标和边12的方位角，就可以推算该条导线上的所有控制点的坐标。
不过需要注意的是为了控制方位角传算误差的积累，需要沿导线测定必要数据的天文方位角。
优点：
布设灵活，容易克服地形障碍，导线测量只要求相邻两点通视，在不易开展三角测量的地方，比如森林、隐蔽地区、高山地区等，为了需要可以布设导线测量。
因此可降低占标的高度，费用少，便于观测，网内边长可以直接观测，精度均匀。
缺点：
导线结构简单，检核条件不足，不易发现粗差，可靠性也就不高。
3）.三边测量及边角同测法
三边测量和边角同测法的网形结构与三角测量法一样，只是观测的数据不同而已，三边测量观测的是三角形的三条边的边长，根据余弦定理计算各内角。
如果在测角基础上在加测部分或全部边长，则叫边角同测法。
相对来说，导线测量是三角测量的辅助测量，虽说测量简单但由于考虑到精度、检核问题，我们一般采用三角测量法。
在一些不利于三角测量的地区附加用导线测量。
但随着电磁波测距技术的发展以及电磁波测距仪的普及，建立边角网与导线网的测量方法逐渐被采用。
和三角测量相比，导线测量网中的方向数据少，除了节点外只有两个方向，布设网形灵活，在隐蔽地区很容易克服地形障碍；导线测量只要求相邻两点间的通视，可降低占标的高度，造标费用少；而且便于组织测量，工作量也少，受天气条件影响小；网内边长可直接测量，边长精度均匀。
当然，导线测量也有它的缺点：
导线结构简单，没有三角网那么多的检核条件，不易发现粗差，可靠性也就不高；结构简单，单线推进，控制面积不足，两者的结合使用是测量工作者常用的方法。
4）.天文测量法
天文测量法是在地面点上架设仪器，通过观测天体并记录观测天体瞬间位置的时刻，来确定地面观测点的地理位置，即确定该点的天文经度、天文纬度和该点到另一点的天文方位角。
这种工作简单、测量误差也不会累积，各点彼此独立观测，不需要两点之间通视。
这种测量精度低，不能用于建立控制网。
但为了推算方位角，需要在每隔一段距离的三角测量点上观测天文数据，用来推求大地方位角。
推算公式:
式中：
A:
大地方位角L:
大地经度
：
天文纬度
：
天文经度
：
天文方位角
2.2GPS一机多天线技术
近年来，GPS定位技术已广泛应用于测绘工作中，与常规监测方法相比，采用GPS监测手段，具有不受地形要求，不受通视条件、距离的限制，排除了人为的观测误差影响，能够实现全天候观测，有三维空间变形同步监测的优势。
由于矿区变形监测一般情况下要布设很多个监测点，GPS仪器设备成本高，在矿区布设大量的GPS接收机投资太大，这就制约着GPS在变形监测中的应用。
为了解决这一问题，技术人员在不断地探索中提出了GPS一机多天线的方法，让GPS在变形检测中的广泛应用成为可能。
2.2.1GPS一机多天线工作原理
GPS一机多天线由1台接收机连接多个天线,每个监测点上只安装GPS天线,不安装接收机,多个测点共用1台GPS接收机。
与1台GPS天线使用1部GPS接收机相比,这样建立的变形监测系统的成本因GPS接收机数量的减少而大大降低。
基于此设计思路研制开发了GPS多天线控制器,该控制器是由8个GPS天线和具有8个通道的微波开关、相应微波开关控制电路以及1块GPSOEM接收机主板有机集成而成。
每个GPS天线与微波开关相应通道连接,该微波开关的8个信号通道的通断状态受开关控制电路控制,通过软件编程实时控制微波开关电路中各通道的通或断。
最新研制开发的GPS多天线控制器以嵌入式工业控制机PC-104作为控制器的核心,并集成微波开关GPS-OEM板,能够确保整个系统在恶劣的野外环境下长期连续工作。
此外,开发的相应控制软件能有效地对GPS原码观测数据进行存储与传输。
以GPS一机多天线技术为核心建立的变形监测系统如图2所示,由3部分组成:
1）.数据采集,由GPS多天线控制器完成;
2）.数据传输,通过光缆或GPRS等实现;
3）.控制中心,系统的核心,实现多天线控制器状态的监控、数据传输的控制、成果分析与数据管理等功能。
2.2.2监测系统
矿区地表变形监测系统由数据采集、数据通讯、计算机网络、应用软件、趋势分析及预警5个子系统组成,见图5。
图5 系统组成
原始监测数据采集部分主要负责各监测点GPS数据的接收和存储,其核心部分是一机多天线控制器,由硬件和软件控制两大部分构成。
硬件部分包括多通道微波开关及相应的控制电路、一台GPS接收机及相应的处理芯片；软件部分实现控制多通道工作方式并可设置测点的观测时间、与GPS接收机通讯和数据发送等功能,通过采用实时控制技术,使接收机能够互不干扰地接收若干个GPS天线传输来的信号。
系统基于工业控制中常用的嵌入式系统PCO104架构,从而更为有效地控制系统运行以及监控数据的存储与传输。
数据无线传输主要负责将采集到的原始监测数据通过无线网络传输到控制中心,主要利用GPRS技术实现。
2.2.3GPS一机多天线特点
1、测站间无需通视。
GPS测量只需测站上空开阔即可，从而使变形监测的点位布设方便灵活，并节省不必要的中间过度点，节省开支;
2、可同时提供监测点的三维位移信息;
3、全天候监测，GPS测量不受气候条件限制，配备防雷设施后，GPS变形检测系统便可以实现全天候观测，它对防汛抗洪、滑坡、泥石流等地质灾害检测等领域极为重要;
4、检测精度高;
5、操作简便，易于实现检测自动化;
6、GPS大地高用于垂直位移测量;
3.激光扫描技术
3.1背景介绍
激光扫描技术是一种新兴空间信息获取技术，是一种获取空间数据的有效手段，因快速、精确、无接触测量的优势在众多领域发挥着不可或缺的作用，尤其是在测这一行业中，在变形监测、3D数字城市、地图测量等等上的快速、准确运用，是在GPS变革后的又一次技术变革。
随着对激光扫描技术的进一步深入，它的应用领域将更加广泛，人们对空间三维信息的需求更加迫切。
基于原始测距测角的工程测量方法，在理论、设备和应用等诸多方面都已相当成熟，全站仪可以完成工业目标的高精度测量，GPS可以全天候的精确定位全球任何位置的三维坐标，多用于一些特殊目标点的高精度测量。
随着传感器、电子、光学、计算机等技术的发展，计算机获取物体表面三维信息的摄影测量与遥感技术成为主流，但它在由三维转换为二维影像的过程中，不可避免地会丢失部分几何信息，所以从二维影像来理解三维客观世界，这本身存在着局限性。
因此，如何获取空间三维信息，来满足应用的需求，如何快速、有效地将现实世界的三维信息数字化并能快速导入计算机成为解决这一问题的难题。
激光测量技术的出现和发展为空间三维信息的获取提供了全新的技术手段，为信息数字化发展提供了必要的生存条件。
随着三维激光扫描测量装置在精度、速度、易操作性、轻便、抗干扰能力等性能方面的提升及价格的逐步下降，它在测绘领域成为研究的热点，应用领域不断扩展，逐步成为快速获取空间实体三维模型的主要方式之一。
激光扫描测量技术解决了传统测量技术的局限性，采用不接触主动测量方式直接获取三维数据，能够把任意物体进行扫描，得到应有的数据，而且没有白天和夜晚的限制，快速将现实世界的信息转换成可以处理的数据。
它具有扫描速度快、实时性强、精度高、主动性强、全数字特征等特点，可以极大地降低成本，能够节约时间，而且使用起来方便，可直接与CAD、三维动画等工作软件接口。
激光扫描技术是一种刚刚起步的产品，这项技术还没有广泛推广。
但是激光扫描技术与传统测量方法相比较，有许多传统测量方法没有的优点，同时激光扫描技术还存在许多待解决的问题：
1）三维激光扫描技术在现阶段还难以检验和校验；
2）激光扫描技术还不能完全胜任高精度的工程测量工作；
3）激光扫描技术获得的数据量十分大，需要特殊的软件，加快处理速度；
4）模型构建有一定的主观性；
5）设备费用太高。
3.2激光原理
3.2.1激光原理
光与物质的相互作用，实质上是组成物质的微观粒子吸收或辐射光子，同时改变自身运动状况的表现。
微观粒子都具有特定的一套能级（通常这些能级是分立的）。
任一时刻粒子只能处在与某一能级相对应的状态（或者简单地表述为处在某一个能级上）。
与光子相互作用时，粒子从一个能级跃迁到另一个能级，并相应地吸收或辐射光子。
光子的能量值为此两能级的能量差△E，频率为=△E/h（h为普朗克常量）。
1）受激吸收（简称吸收）
处于较低能级的粒子在受到外界的激发（即与其他的粒子发生了有能量交换的相互作用，如与光子发生非弹性碰撞），吸收了能量时，跃迁到与此能量相对应的较高能级。
这种跃迁称为受激吸收。
2）自发辐射
粒子受到激发而进入的高能态，不是粒子的稳定状态，如存在着可以接纳粒子的较低能级，即使没有外界作用，粒子也有一定的概率，自发地从高能级（E2）向低能级（E1）跃迁，同时辐射出能量为（E2-E1）的光子，光子频率=（E2-E1）/h。
这种辐射过程称为自发辐射。
众多原子以自发辐射发出的光，不具有相位、偏振态、传播方向上的一致，是物理上所说的非相干光。
3）受激辐射、激光
1917年爱因斯坦从理论上指出：
除自发辐射外，处于高能级E2上的粒子还可以另一方式跃迁到较低能级。
他指出当频率为=（E2-E1）/h的光子入射时，也会引发粒子以一定的概率，迅速地从能级E2跃迁到能级E1，同时辐射一个与外来光子频率、相位、偏振态以及传播方向都相同的光子，这个过程称为受激辐射。
可以设想，如果大量原子处在高能级E2上，当有一个频率=（E2-E1）/h的光子入射，从而激励E2上的原子产生受激辐射，得到两个特征完全相同的光子，这两个光子再激励E2能级上原子，又使其产生受激辐射，可得到四个特征相同的光子，这意味着原来的光信号被放大了。
这种在受激辐射过程中产生并被放大的光就是激光。
图2.1激光原理
3.2.3激光的特性
1）高方向性：
普通光向四面八方辐射，而激光基本沿某一直线传播，激光束的发散角很小。
2）单色性：
指光强按频率的分布状况，激
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