论文中文题名: | 基于无人机LiDAR点云的 黄土矿区沉陷建模不确定性研究 |
姓名: | |
学号: | 21210226047 |
保密级别: | 公开 |
论文语种: | chi |
学科代码: | 085700 |
学科名称: | 工学 - 资源与环境 |
学生类型: | 硕士 |
学位级别: | 工程硕士 |
学位年度: | 2024 |
培养单位: | 西安科技大学 |
院系: | |
专业: | |
研究方向: | 矿区沉陷监测与评价 |
第一导师姓名: | |
第一导师单位: | |
论文提交日期: | 2024-06-16 |
论文答辩日期: | 2024-06-02 |
论文外文题名: | Uncertainty Analysis of Subsidence Modeling in Loess Mining Areas Based on UAV LiDAR Point Clouds |
论文中文关键词: | 沉陷监测 ; 无人机LiDAR点云 ; 不确定性 ; DEM修正 ; 黄土矿区 |
论文外文关键词: | Subsidence monitoring ; Uav LiDAR point cloud ; Uncertainty ; DEM correction ; Loess mining area |
论文中文摘要: |
西部黄土高原煤炭资源大规模开采导致严重的地面沉陷及生态环境损害。监测矿区地表沉陷可采用常规大地测量、合成孔径雷达干涉测量、摄影测量、激光扫描等多种技术手段,但这些方法目前都存在一定的适用条件和局限性。其中,利用无人机激光雷达点云构建沉陷区精细地形模型,通过模型叠加可高效地获取地表全盆地沉陷模型。然而,面对黄土高原矿区复杂地貌条件,无人机LiDAR扫描点云受扫描精度、地形坡度、植被覆盖、点云密度、下沉点水平位移等多因素影响,造成地面点云及所构建的地形模型和沉陷模型都存在显著的噪声和不确定性,制约着该技术在矿区沉陷监测中的实际应用。为此,本文针对西部黄土矿区地表沉陷无人机LiDAR扫描监测中点云的不确定性问题展开研究,通过现场实验、数据处理、不确定性分析和沉陷模型的修正,来提高基于无人机LiDAR点云数据构建矿区沉陷模型的精度。论文主要研究内容及结果如下: (1)通过实验分析几种常用的点云滤波算法,确定了适用于黄土矿区不同地理环境的地面点云提取方法。基于四个实验区块的点云数据对比分析,发现在地形单一且平坦区域,高程阈值滤波算法效果较优,平均绝对误差最小,拟合优度达99.9%;在复杂地形区域,布料模拟滤波算法表现稳定,误差较小,拟合优度99.5%以上,滤波效果稳定。 (2)通过实验对比分析常用的数字高程模型(Digital Elevation Model, DEM)插值算法,确定了适用于黄土矿区不同地理环境的最佳插值算法。基于四个实验区块的点云数据对比分析了反距离权重插值、克里金插值、自然邻域插值、不规则三角网插值四种插值算法的地形建模误差,发现在复杂地形中反距离权重插值效果较佳,不规则三角网插值和自然邻域插值次之,克里金插值效果相对最差。 (3)通过实验研究分析了无人机LiDAR点云数据及DEM建模的不确定性误差及其影响因素。针对文中实验区块,结果显示点云数据的不确定性与地形坡度、栅格大小和点云密度相关。当坡度小于35º时,点云数据不确定性随坡度增加而增大;栅格大小在复杂地形区域影响较大,当栅格大小为0.5m时点云不确定性误差最小;点云密度越大时,不确定性误差越低,当点云密度超过30pts/m2时,其不确定性影响趋于稳定。 (4)针对开采沉陷过程中地表点本身水平位移所带来的沉陷模型不确定性问题,提出了基于概率积分法水平位移估算的沉陷模型不确定性修正方法。利用常规的概率积分法预计开采沉陷区内地表点在X、Y方向的水平位移量,在地形DEM建模中针对点云数据施加相应的水平向X、Y坐标修正,消除了DEM叠加生成的地表沉陷模型中由水平位移引起的不确定性误差,并通过实例验证了该方法在提高复杂地形区域地表沉陷模型精度方面的有效性。 研究结果对于复杂地貌矿区地表沉陷监测的无人机激光扫描数据处理具有一定的应用价值。 |
论文外文摘要: |
The large-scale exploitation of coal resources in the Loess Plateau in western China leads to serious ground subsidence and ecological environment damage. Conventional geodesy, synthetic aperture radar interferometry, photogrammetry, laser scanning and other technical means can be used to monitor surface subsidence in mining areas, but these methods have certain applicable conditions and limitations. Among them, the fine terrain model of subsidence area is constructed by using UAV LiDAR point cloud, and the subsidence model of the whole surface basin can be obtained efficiently by model superposition. However, in the face of complex geomorphic conditions in mining areas of the Loess Plateau, the UAV LiDAR scanning point cloud is affected by multiple factors such as scanning accuracy, terrain slope, vegetation cover, point cloud density, and horizontal displacement of subsidence point, resulting in significant noise and uncertainty in ground point cloud and the constructed terrain model and subsidence model, which restricts the practical application of this technology in mining subsidence monitoring. Therefore, this paper studies the uncertainty of midpoint cloud in surface subsidence monitoring by UAV LiDAR scanning in western loess mining area, and improves the accuracy of mining subsidence model construction based on UAV LiDAR point cloud data through field experiments, data processing, uncertainty analysis and correction of subsidence model. The main research contents and results of this paper are as follows: (1) Through the experimental analysis of several commonly used point cloud filtering algorithms, the ground point cloud extraction method suitable for different geographical environments in the loess mining area is determined. Based on the comparative analysis of the point cloud data of four experimental blocks, it is found that in the single and flat terrain area, the elevation threshold filtering algorithm has a better effect, the average absolute error is the smallest, and the goodness of fit is 99.9%. In the complex terrain area, the cloth simulation filtering algorithm is stable, the error is small, the goodness of fit is more than 99.5%, and the filtering effect is stable. (2) Through comparative analysis of the commonly used Digital Elevation Model (DEM) interpolation algorithm, the best interpolation algorithm suitable for different geographical environments in the loess mining area is determined. Based on the point cloud data of four experimental blocks, the terrain modeling errors of inverse distance weight interpolation, Kriging interpolation, natural neighborhood interpolation and triangulation IRregularity interpolation are compared and analyzed. It is found that the inverse distance weight interpolation has the best effect in complex terrain, followed by Triangulation IRregularity interpolation and natural neighborhood interpolation, and Kriging interpolation has the worst effect. (3) The uncertainty error of UAV LiDAR point cloud data and DEM modeling and its influencing factors are analyzed through experimental research. For experimental blocks, the results show that the uncertainty of point cloud data is related to terrain slope, grid size and point cloud density. When the slope is less than 35º, the uncertainty of point cloud data increases with the increase of slope. The grid size has a great influence on the complex terrain area, and the point cloud uncertainty error is the smallest when the grid size is 0.5m. The higher the point cloud density, the lower the uncertainty error. When the point cloud density exceeds 30pts/m2, the uncertainty effect tends to be stable. (4) Aiming at the uncertainty of the subsidence model caused by the horizontal displacement of the surface point itself in the process of mining subsidence, a method of revising the uncertainty of the subsidence model based on the probability integral method of horizontal displacement estimation is proposed. The conventional probability integral method is used to estimate the horizontal displacement of surface points in the X and Y directions in the mining subsidence area, and the corresponding horizontal X and Y coordinate correction is applied to the point cloud data in the topographic DEM modeling, which eliminates the uncertainty error caused by horizontal displacement in the surface subsidence model generated by the DEM superposition. The effectiveness of this method in improving the accuracy of surface subsidence model in complex terrain area is verified by an example. The research results have certain application value for the processing of UAV laser scanning data for surface subsidence monitoring in complex landform mining areas. |
参考文献: |
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中图分类号: | TD325 |
开放日期: | 2024-06-17 |