机载LiDAR矿区沉陷信息提取方法研究

摘要

矿区沉陷监测对于保障矿产资源安全开采、保护矿区安全具有重要意义，已有的地面监测方法劳动强度大、效率低下、覆盖范围有限。机载LiDAR系统能够快速获取大面积地表高分辨率、高精度的三维点云数据。使用机载LiDAR技术对开采塌陷引起的地表形变进行监测，可以较快地获得整个区域的空间地形变化信息，从而确定矿区的沉陷分布与地表移动下沉情况。论文基于2009、2012年两期机载 LiDAR点云数据，构建了研究区沉陷信息提取的技术流程。在对两期 DEM差值信息不确定性分析的基础上，去除了非开采沉陷导致的地形变化信息，进而提取到研究区沉陷盆地的空间分布与沉陷量估算值。论文主要研究内容可概括为以下三个方面：
　　(1)分析了机载 LiDAR点云数据的特点，在采用渐进三角网算法对机载LiDAR点云作滤波处理的基础上，基于反距离加权插值法建立了两期高分辨率DEM数据；
　　(2)针对机载LiDAR数据的特点，在对DEM精度与不确定性分析的基础上，利用模糊推理方法建立了基于坡度、点云密度和地表粗糙度的误差相关表面，用于差值DEM不确定性的量化与DEM最小变化阈值的探测，进一步采用基于权重滤波窗口的贝叶斯估计判定与修正，较精确地获取了研究区地表形变信息；
　　(3)针对上述处理中存在地表侵蚀等导致的地形变化信息，论文在坡度相关性分析的基础上，通过掩膜去除了非开采沉陷导致的地形变化信息，并利用多项式拟合方法对剖面数据进行处理，获取了较为精确的沉陷盆地信息。
　　通过实验研究我们发现，该方法适用于大面积开采沉陷监测，能够快速确定沉陷区位置，较准确获取沉陷区的分布范围、面积及体积等信息。但是，若地表植被覆盖度增加，提取的 DEM误差将增大，高程差误差也随之增大。基于机载LiDAR数据，我们能够较准确地提取沉陷区的位置、分布、沉陷深度以及沉陷量等信息，这为开采沉陷损害评价及开采沉陷预测提供了一种新的技术手段。

目录

声明

致谢

1 绪论

1.1 研究目的与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文的理论基础、研究内容、技术路线与章节安排

1.4 本章小结

2 机载LiDAR数据采集与处理

2.1 研究区概况

2.2 机载LiDAR数据采集

2.3 机载LiDAR数据预处理

2.4 机载LiDAR数据后处理

2.5 本章小结

3 多时相DEM地形变化信息的量化

3.1 多时相DEM高程差量化问题的初步分析

3.2 DEM高程变化的最小可探测阈值

3.3 Z不确定性的传播

3.4 Z不确定性的显著性评价

3.5 差值DEM不确定性的量化及贝叶斯修正

3.6 实验分析

3.7 本章小结

4.1 基于坡度和高程分析的非开采沉陷导致地形变化信息的去除

4.2 沉陷盆地剖面多项式拟合

4.3 沉陷盆地信息提取

4.4实验分析

4.4 本章小结

5 总结与展望

5.1主要研究结论

5.2 展望

参考文献

作者简历

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