[实用新型]车载式矿区沉陷三维动态监测系统

说明书

技术领域

本实用新型属于矿区信息获取与处理技术领域，涉及一种基于激光三维测量技术的车载式矿区沉陷三维动态监测系统。该系统以越野车为平台，综合利用光机电信息技术，高效集成LiDAR、激光线测量传感器、激光点测距传感器，在车辆行驶过程中，通过集成的加速度计对车辆颠簸进行误差补偿，实现多角度、多分辨率、高效、高精度、大范围、快速机动的矿区沉陷自动监测。 

背景技术

矿产资源的大规模开发和利用，给人类带来巨大的社会效益和经济效益的同时，也给人类的生产和生活造成一系列的环境问题和开采损害。矿区开采沉陷是由于矿物开采后形成采空区，其上部岩层在重力等作用下发生冒落、断裂、挤压、弯曲、移动等变形，传播到地面形成的，是主要的人工地质灾害之一。 

矿区开采引起的地面沉陷是一个复杂的过程，要认识这一复杂过程中包含的规律，必须对开采沉陷的野外数据进行大范围、高分辨率、高效的采集、整理和分析，在精确的实测资料基础上，研究并建立各种预测计算模型。因此，沉陷监测是开采沉陷研究至关重要的课题。高效、快速的沉陷监测数据可为地面沉陷灾害预测、损失评估提供可靠的依据，进而为地面沉陷提供合理的治理措施，从而有效地控制沉陷，降低地面沉陷造成的损失。 

研究现状 

早在19世纪中叶，矿区开采沉陷问题就已受到人们关注。1860年德国铁路部门为验证地下开采对铁路的影响，在鲁尔矿区对铁路进行了下沉测量；19世纪末期开始，前苏联、波兰、德国、澳大利亚、英国、加拿大、日本和美国等国家，对开采引起的地表沉陷变形规律进行了深入的研究。我国地表沉陷变形规律的研究工作始于20世纪50年代，开滦“黑鸭子”观测站的建立标志着我国开采沉陷变形观测及其研究的开始；其后，开滦、抚顺、阜新、大同、峰峰、焦作、淮南、平顶山、芙蓉等矿区先后制定了地表移动观测规划，并建立了一批岩层与地表移动观测站。 

目前，矿区开采沉陷的监测技术手段已由传统的经纬仪测坐标、钢尺测边长、水准仪测高程发展到使用全站仪、测量机器人进行岩移测量。GPS监测方法较好地解决了地表某点连续动态变化监测的问题，但仍存在空间分辨率较低、布设和维护大量监测点需投入大量人财 物、基准点的稳定性差、野外观测作业周期长、垂直向精度较低、构建沉陷面必须经过数值内插等问题，难以保证结果的精度。SAR(Synthetic Aperture Radar，SAR)技术从长时间尺度上求解整个区域场的沉降趋势，适合用于城市地表沉降观测，但是对于沉陷速度较快的矿区开采(沉陷速度可达20～30mm/d)，存在干涉相位混叠现象，无法有效地进行观测。LiDAR(LightDetection And Ranging)技术比较适合矿区大范围区域的测绘工作，测量精度为分米级，不能满足地表沉陷监测毫米级的精度要求，而且飞行成本较高；地面激光扫描测量精度较高，但是测量范围相对较小，无法满足矿区大范围区域沉陷监测工作需要。 

发明内容

本实用新型是车载式矿区沉陷三维动态监测系统(MSMS，In-vehicle Mining SubsidenceMonitoring System)，将快速机动的车载式高分辨率LiDAR技术、激光线测量技术、高精度激光测距技术进行高效集成，不受时间和空间限制，多角度、多分辨率、高效、快速机动地获取地表沉陷信息，为矿区地质环境的监测及恢复治理提供决策依据。 

本实用新型由越野车、控制系统、定位系统、激光三维测量系统构成，包括：LiDAR扫描测量单元(1)、激光点测距单元(2)、激光线测量单元(3)、IMU单元(4)、差分GPS单元及主天线(5)、GPS第二天线(6)、车轮编码器(7)、控制计算机(8)、数据采集计算机(9)、发电机(10)、越野车(11)以及控制电路、供电线路和网络通信线路等设备通过系统集成方式构建。 

其中，定位系统的IMU单元(4)安装在越野车车顶，差分GPS单元及主天线(5)安装在IMU单元之上，GPS第二天线(6)安装在车头；车轮编码器(7)以联轴方式安装在越野车左后轮上。控制系统中发电机(10)安装在后备箱右侧；控制计算机(8)安装在后备箱左侧，通过电路与LiDAR扫描测量单元(1)、激光点测距单元(2)、激光线测量单元(3)、IMU单元(4)、差分GPS单元及主天线(5)、GPS第二天线(6)、车轮编码器(7)、数据采集计算机(9)以及发电机(10)相连，负责监测系统上所有传感器和设备的同步控制。