CN107421460A - 基于测量机器人与近景摄影测量的山区采动地表监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及开采区地表移动变形监测技术领域，具体涉及基于测量机器人与近景摄影测量的山区采动地表监测方法，包括以下内容，S1，在移动变形区域均匀设置多个监测站，并将监测站的观测墩埋入土地中，通过水准器判断标靶是否处于竖直状态，S2，将监测站设置成观测墩和标靶，S3，在移动变形区域外设置基准站，并在基准站处架设全站仪，S4，将监测站作为像控点和监测点，由全站仪进行测量得到监测站的坐标，S5，选取拍摄点对移动变形区域进行拍照，得到山体移动变形的面状数据。本发明由全站仪获取高精度的山区采动地表移动变形离散数据，再由近景摄影测量获取精度较高的山体移动变形面状数据，可连续观测到山体地表移动变形情况。

Description

基于测量机器人与近景摄影测量的山区采动地表监测方法

技术领域

本发明涉及开采区地表环境监测技术领域，具体涉及基于测量机器人与近景摄影测量的山区采动地表监测方法。

背景技术

随着现代工业的发展，煤炭资源显得越来越重要，加速了对煤炭资源的开采。煤炭的产地主要位于中西部地区的山区中，而且煤炭作为一种特殊的地质层分布在较深的地底下，当地下的煤炭被开采后，地表可能会下沉变形，严重时还会塌陷使地表建筑和田土等损毁，所以对山区煤炭开采地区的移动变形进行监测显得尤为重要。

现目前研究山区煤炭开采对地面移动变形的影响，主要包括两种方法，一是采用传统方法(全站仪测量或GPS测量)进行山区采动地表移动变形监测，其外业工作量大，费用高，并且获取得到的监测数据为离散点的移动变形信息，难以反映连续移动变形规律；二是通过近景摄影测量技术来得到较为全面的面状监测数据，但利用近景摄影测量技术在拍摄时都要重新测量像控点的坐标，且近景摄影测量技术受像控点精度的影响而精度低。

基于上述情况，现在急需一种能够提高监测精度并且能够得到连续的监测数据的地表移动变形监测方法。

发明内容

本发明意在提供一种可获取山体连续动态的变形数据，且获得高精度变形数据的基于测量机器人与近景摄影测量的山区采动地表监测方法。

本方案中的基于测量机器人与近景摄影测量的山区采动地表监测方法，包括以下内容：

S1，在移动变形区域均匀埋设多个监测站，并选取小部分监测站埋设在移动变形区域外，在埋设时，将监测站的观测墩埋入地下，把基座固定到观测墩顶上，将气泡水准器安装到基座上，将标靶固定到基座上，在标靶中心的正上方镶嵌SMR棱镜，并使SMR棱镜紧邻标靶中心；

S2，在埋设监测站时，对基座进行整平，整平时让气泡水准器的气泡位于中间位置，使标靶处于竖直状态；

S3，在移动变形区域之外设置基准站，并测得基准站的坐标，在基准站处架设能自动识别SMR棱镜的全站仪；

S4，将监测站作为监测点，从基准站处的全站仪向监测站处发射激光，激光经过监测站的标靶上的SMR棱镜反射回到全站仪处，由全站仪从接收到的反射激光中得到监测站上标靶中心的坐标；

S5，将监测站作为像控点，根据地下采煤情况选取位置高于移动变形区域的地点作为拍摄点，通过相机拍摄得到山体移动变形的面状数据。

本方案的有益效果是：在监测站上设置的标靶，并在标靶上设置SMR棱镜，使得监测站既可以作为全站仪的监测点，又可以作为近景拍摄的像控点，将全站仪得到的坐标数据与相机得到的面状数据进结合起来分析得到移动变形区域的变形情况，防止使用分开的监控点和像控点位置偏差给测量带来的误差，提高测量精度。

选择拍摄点高于移动变形区域的位置进行拍摄，能缩短拍摄距离，使拍摄瞄准度更高，提高测量精度。

在进行近景摄影测量时不再单独测量像控点坐标，只需从提取中相应时间段坐标数据即可，两项监测的外业工作一人即可完成，提高了外业工作的效率，增强灵活性。

本方案在矿山的移动变形区域内建立了永久监测站，在山体移动变形时，由全站仪获取高精度的山区采动地表移动变形离散数据，再由近景摄影测量获取精度较高的山体移动变形面状数据，通过基准站处的全站仪可连续观测到山体地表的移动变形情况，提高数据的采样频率，得到的山体的移动变形信息，可结合矿区地质采矿条件和地下工作面推进情况，可以更准确的分析山区开采对地表移动变形的动态影响。

解释：SMR棱镜是指嵌入式空心角锥棱镜；小部分是指监测站数量的20%及以下的数量。

进一步，在内容S1中，将20%数量的监测站设置在移动变形区域之外。

将小部分的监测站设置在移动变形区域外，其余布设在移动变形区域内，确保了地表移动变形盆地区域的关键特征点附近设置有监测站，保证能捕捉到移动突变信息。

要确保地表移动盆地的关键特征点附近有监测站，能捕捉到移动突变信息。

进一步，在内容S1中，监测站均没有位于同一直线或同一平面上。

监测站在变形区域内没有处于同一直线或同一平面上，监测站可持续对变形区域内的各个子区域进行监测，减少监测过程中移动变形遗漏情况的发生，保证监测能够覆盖到变形区域内大部分子区域。

进一步，在内容S1中，所述小部分的监测站位于移动变形区域的边缘处。

由于埋设在移动变形区域外的监测站不会随地表的下沉而发生位置变化，可将移动变形区域外的标靶中心坐标用来与移动变形区域内标靶中心坐标进行对比，能更准确地分析地下开采对变形区域的影响。

进一步，在内容S3中，将基准站与监测站的间距设置在1000米内。

由于监测站安装的棱镜为SMR棱镜，全站仪能自动识别该棱镜的最远距离为1000米，所以将基准站与监测站的距离设置在1000米以内，保证监测站能够被测量到，避免距离过远而瞄不准造成的误差。

进一步，将观测墩设置成梯形体，把基座安装在观测墩的顶面上。

将观测墩设置成梯形体，由于梯形体的重心靠近梯形体的底面，当将观测墩埋入地下时，将监测站的重心降低，让监测站稳固地埋在地下，减小监测站因外界条件而倾倒的几率。

附图说明

图1本发明实施例的示意性框图；

图2为本发明实施例监测站的位置分布图；

图3为图2中监测站的结构示意图；

图4为标靶的放大示意图；

图5为本实施例中调平装置的结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

说明书附图中的附图标记包括：监测站1、观测墩2、标靶3、SMR棱镜4、基座5、基准站6、稳定区域7、拍摄站8、变形区域9、调平气缸21、伸缩气缸22、擦拭杆23、角度传感器24、毛刷25、控制器26、支撑杆41。

如图3所示的监测站1结构，以及如图1和图2所示基于测量机器人与近景摄影测量的山区采动地表监测方法，包括以下内容：

S1，先选取多个监测站1，将80%数目的监测站1均匀埋设在移动变形区域9内，移动变形区域9内所有的监测站1均没有位于同一直线或同一平面上，将20%数目的监测站1埋设在移动变形区域9外，在埋设时，将监测站1的观测墩2埋入地下，把基座5固定到观测墩2顶上，将气泡水准器安装到基座5上，将标靶3通过支撑杆41固定到基座5上，在标靶3中心的正上方镶嵌SMR棱镜4，并使SMR棱镜4紧邻标靶3中心；

S2，在埋设监测站1时，对基座5进行整平，整平时让气泡水准器的气泡位于中间位置，使标靶3处于竖直状态；

S3，在稳定区域7内(移动变形区域9之外)设置基准站6，并测得基准站6的坐标，将基准站6与监测站1的间距保持在1000米以内尽可能短的距离内，在基准站6处架设能自动识别SMR棱镜4的全站仪；

S4，将监测站1上的标靶3作为监测点，从基准站6处的全站仪向监测站1处发射激光，激光经过监测站1的标靶3上的SMR棱镜4反射回到全站仪处，由全站仪从接收到的反射激光中得到监测站1上标靶3中心的坐标；

S5，将监测站1上的标靶3作为像控点，根据地下采煤情况选取位置高于移动变形区域9的地点作为拍摄点，用相机对监测站1所在的区域进行拍近景拍摄，通过相机拍摄得到山体移动变形的面状数据。

在内容S5中，可以地下采煤工作面推进多少米进行一次拍摄，例如采煤工作面每推进10米时进行一次，还可以定期进行拍摄。

SMR棱镜4即是嵌入式空心角锥反射镜，空心角锥高为1.05cm，高为3.72cm。

如图4所示，采用本实施例的监测站1作为监控点和像控点时，要得到近景摄影测量的像控点坐标，只需对监测站坐标在竖直方向进行改正，其表达式为：

其中。

因为观测墩整体埋入地下且底面积较小，地表倾斜变形引起棱镜中心与标靶中心的点误差公式为：

σ=Z×sinδ i=tanδ

式中σ为点位误差，δ为标靶的天顶距，i为地表倾斜变形。

当i=tanδ=100mm/m，求得δ=5.7°，σ=2.6mm。由此可得地表倾斜变形值小于100mm/m时，由倾斜引起的像控点坐标误差很小，以棱镜坐标获取标靶中心点坐标的方法是可靠的。

使用具有SMR棱镜4的全站仪和标靶3进出变形监测，相比无SMR棱镜4法测量标靶3中心坐标，提高了像控点坐标测量精度，从而提高了近景摄影测量的精度。

监测站1的数目根据待开采煤层工作面影响范围和开采深度设定，例如待开采煤层工作面影响范围为1公里，开采深度为200米，可设置50个监测站1。

全站仪使用TCA2003自动化全站仪，该全站仪又称测量机器人，本实施例在使用全站仪时，开启全站仪内预先内置的程序进行自动连续监测，获得高精度的监测站移动变形数据。

在内容S5中，根据地下采煤掘进情况对山体进行拍摄，记录拍摄时间，以对应时间TCA2003获得的监测站1坐标作为像控点坐标，从而使用现有的近景摄影测量软件解算得到精度较高的山体移动变形面状数据。在进行近景摄影测量时不再单独测量像控点坐标，只需从全站仪中提取相应时间段内监测站的坐标数据即可，同时两项监测的外业工作一人即可完成，提高了外业工作的效率，增强灵活性。

根据测量机器人获取高精度的山区采动地表移动变形离散数据和近景摄影测量获取的精度较高的山体移动变形面状数据，结合矿区地质采矿调节和地下工作面推进情况，可以更准确的分析山区开采对地表移动变形的动态影响。

由于山体移动变形的趋势不规则，在监测站11的位置随山体的移动变形而变化时，监测站1上标靶33会倾斜，无法保证标靶33一直处于竖直状态，从而导致全站仪测量到的标靶33中心坐标存在误差，鉴于此，本实施例在基座5与观测墩2之间安装调平装置，又因为监测站1埋设在山体的变形区域9内，监测站1上的标靶3长时间处于外界自然环境中，自然环境中的灰尘和花粉会沉积在标靶3及SMR棱镜4上，降低了SMR棱镜4对激光的反射度，同时降低了标靶3的辨识度，使得近景拍摄时需要反复寻找像控点。

如图5所示，将调平装置的调平气缸21安装到观测墩2上，由安装在支撑杆41上的角度传感器24感应标靶3倾斜的角度，同时角度传感器24将感应到的角度信号传递给控制器26，由控制器26控制调平气缸21对基座5进行调节，保持标靶3处于竖直状态。

在观测墩2上还安装伸缩气缸22，并在伸缩气缸22的活塞杆上连接擦拭杆23，并在擦拭杆23上固定可刷到标靶3正面的毛刷25，在控制器26收到角度信号的同时，控制器26还控制伸缩气缸22进行启动，让毛刷25向上刷过标靶3后再向下刷过标靶3，再停止在标靶3下方，刷掉标靶3及SMR棱镜4上的灰尘和花粉，保持标靶3的清洁。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (6)

1.基于测量机器人与近景摄影测量的山区采动地表监测方法，其特征在于，包括以下内容：

S1，在移动变形区域均匀埋设多个监测站，并选取小部分监测站埋设在移动变形区域外，在埋设时，将监测站的观测墩埋入地下，把基座固定到观测墩顶上，将气泡水准器安装到基座上，将标靶固定到基座上，在标靶中心的正上方镶嵌SMR棱镜，并使SMR棱镜紧邻标靶中心；

S2，在埋设监测站时，对基座进行整平，整平时让气泡水准器的气泡位于中间位置，使标靶处于竖直状态；

S3，在移动变形区域之外设置基准站，并测得基准站的坐标，在基准站处架设能自动识别SMR棱镜的全站仪；

S4，将监测站作为监测点，从基准站处的全站仪向监测站处发射激光，激光经过监测站的标靶上的SMR棱镜反射回到全站仪处，由全站仪从接收到的反射激光中得到监测站上标靶中心的坐标；

S5，将监测站作为像控点，根据地下采煤情况选取位置高于移动变形区域的地点作为拍摄点，通过相机拍摄得到山体移动变形的面状数据。

2.根据权利要求1所述的基于测量机器人与近景摄影测量的山区采动地表监测方法，其特征在于：在内容S1中，将20%数量的监测站设置在移动变形区域之外。

3.根据权利要求2所述的基于测量机器人与近景摄影测量的山区采动地表监测方法，其特征在于：在内容S1中，监测站均没有位于同一直线或同一平面上。

4.根据权利要求2所述的基于测量机器人与近景摄影测量的山区采动地表监测方法，其特征在于：在内容S1中，所述小部分的监测站位于移动变形区域的边缘处。

5.根据权利要求1所述的基于测量机器人与近景摄影测量的山区采动地表监测方法，其特征在于：在内容S3中，将基准站与监测站的间距设置在1000米内。

6.根据权利要求1所述的基于测量机器人与近景摄影测量的山区采动地表监测方法，其特征在于：将观测墩设置成梯形体，把基座安装在观测墩的顶面上。