基于近景摄影测量的相似材料模拟实验自动监测方法研究

基于近景摄影测量的相似材料模拟实验自动监测方法研究基于近景摄影测量的相似材料模拟实验自动监测方法研究 青年论坛基于近景摄影测量的相似材料模拟实验自动监测方法研究 吴作启1 2 赵立钦1 2 李 健1 2 1 煤炭科学技术研究院有限公司安全分院 北京100013 2 煤 炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室 煤炭科学研究总院 北 京100013 摘 要 为了准确获取相似材料模型的变形数据 便捷地绘制良好的变形曲线 编写了一套相似材料模拟实验变形监测数据处理软件 主要功能包括监测点的自动识别与匹配 监测点坐标的获取与消除 影像几何畸变平差 变形指标的计算与表达 使用该软件对中国辽宁南票矿区大窑沟煤矿某采煤工作面开采条件 下煤层上覆岩层及地表变形与破坏相似材料模拟实验的变形数据进 行获取与处理 根据监测数据分析了采空区影响下地表变形与破坏规 律 取得了良好的应用效果 关键词 近景摄影测量 相似材料模拟实验 开采沉陷 变形监测 TD17 A 1006 6225 2018 04 0105 05Study ofAutomatic MonitoringMethod ofSimilar MaterialSimulationExperiment Basedon Close range PhotogrammetryWUZuo qi1 2 ZHAO Li qin1 2 LI Jian1 2 1 Safety Institute China CoalResearch Institute Beijing100013 China 2 State KeyLaboratory ofCoal ResourceHigh EffectiveMiningsimilarmaterialsimulationexperiment mining subsidence deformationmonitoring 2018 06 01 DOI 10 13532 j ki 11 3677 td 2018 04 025 基金项目 国家自然科学基金 青年基金 51404139 中国煤炭科工集团创新创业基金 青年项目 2018QN001 作者简介 吴作启 1987 男 山东枣庄人 现为煤炭科学技术研究院有限公司在站博士后工 作人员 从事开采沉陷理论及沉陷区治理技术相关研究 引用格式 吴作启 赵立钦 李 健 基于近景摄影测量的相似材料模拟实验自动监测方法研究 J 煤 矿开采 2018 23 4 105 109 104 相似材料模拟实验是研究采空区影响下覆岩移动与破坏的重要手段 相似材料模拟实验中监测点的识别 变形量的计算 各种数据曲线 的绘制以及实验模型整体的位移分析则是相似材料模拟实验的重要 部分 经典的相似材料模拟实验观测方法有插针法 反射仪法 透镜法 显微镜法和光学测量仪器法 但经典方法存在仪器昂贵 测量工作量 大 测量时间长等缺点 1 近景摄影测量以其可以使用普通光学数码相机对某一时刻的实验模 型中所有监测点信息同时整体捕获 测量成本低 采集数据速度快的 优点被广泛使用 但是 采用近景摄影测量方法进行相似材料模拟实验监测点数据的获 取也存在缺点 光学摄像机的凸透镜成像原理决定了测量照片或多或 少地都存在几何畸变现象 这会对监测数据的精度造成严重影响 利用数字图像自动处理技术对监测数据进行分析已经在众多领域成 功应用 孟利波等采用数字模拟散斑图像生成方法 通过对模拟散斑 图像的计算 验证了由于摄像机与被测物面不垂直而引起的误差所产 生的计算公式中位移和偏离角度成线性关系 2 朱兴军采用Matlab 软件编写数据处理程序的方法 通过对全站仪在相似材料模拟实验中 的观测数据进行处理 得到快速的移动变形曲线图 3 唐正宗等基于 摄影测量技术对传统的二维DIC进行改进得到斜光轴二维DIC 通过采 用薄板钢材单向拉伸实验 提高位移测量精度 扩大仪器的测量501第 23卷第4期 总第143期 2018年8月煤 矿 开 采COAL MININGTECHNOLOGYVol 23No 4 Series No 143 August 2018万方数据环境 4 孟祥丽等基于数字近景摄影的空间点坐标的 测量方法 通过采用检测实例并进行精度验证的实验 证明该方法操 作简单 检测范围大 可满足大面积三维物体空间检测的需求 5 解 益辰等基于近景摄影测量技术 采用Lensphoto V2 0软件对外业获得的数据进行处理 确定出近景摄影测量的精度及 影响其测量精度的因素 6 盛业华等采用数字近景摄影测量监测技 术 通过建立DLT算法模型 进行复合分析 求出塌陷区的具体形态特 征参数 表明数字近景摄影测量技术适合于危险地形 地物 7 厉东 伟等基于数字工业近景摄影测量系统 采用相似材料模型观测方法 对三维光学点测量系统所获取的数据建立数据库 从而基本解决工业 测量系统中数据处理 存储和应用中存在的问题 8 姚顽强等提出 采用普通数码相机进行模型测点位移的改进方法 通过进行相似材料 模型实验测定模型测点位移 能够获取高精度的测点物方坐标 满足 实验对小位移量测的精度要求 9 苗红杰等通过采用数码相机检校 的方法 完成对数码相机的内方位元素检测和镜头畸变差校正 使用 摄影测量软件Australis使检校过程简化 目的是检校数码相机 检验 摄影测量软件Australis的性能 10 任伟中等采用数码像机数字化 近景摄影测量技术 通过其在岩土工程模型试验中的应用 得到其具 有信息可永久保存 设备简单 对环境条件要求低 自动化程度高 精度较高等特点 11 刘昌华等以近景摄影测量理论和变形监测理 论为基础 采用非量测相机 观测建立的室外大型三维控制场 通过全 站仪测量的坐标作为真值与摄影测量坐标进行对比 得出非量测相机 监测变形的精度和可行性 12 俞海等通过对曲面拟合法偏离真实位 移的分析 采用修正系数的方法 用模拟平移实验和三点弯曲实验验 证修正方法的有效性 从而提高曲面拟合法在实际应用中的测量精度 13 杨化超等利用数字近景摄影测量监测技术 通过高分辨率数字 相机获取模型的立体影像 完成高精度的平差计算及相似材料模型的 变形测量 得到其具有测量精度高 信息容量大 方便易行等优点 可以实现实时观测和以影像方式记录模型破坏形态 14 胡秋实等采 用旋转相关匹配法 通过斜拉伸 剪切和悬臂梁弯曲实验 对旋转相 关匹配法和直接相关匹配法进行对比研究 得到旋转相关匹配法能够 在物体产生旋转位移分量时测定全场位移 15 刘晓辉等基于数字图 像相关方法 通过使用计算机数值模拟获得一系列含噪声单向拉伸图 像和含噪声双向拉伸图像 得到噪声对图像相关计算有一定负面影响的 且当图像应变量较小时 对相关计算结果影响较大 16 笔者研究并开发出一套基于近景摄影测量技术的用于相似材料模拟 实验中监测点变形监测的软件 可以使用普通光学数码相机对某一时 刻的实验模型中所有监测点信息同时整体捕获 实现监测点的计算机 高精度识别 并通过预设坐标控制点进行全局最优平差消除光学相机 凸透镜成像原理导致的影像几何畸变 进而根据平差后的数据进行测 量成果的表达 1 相似材料模拟实验变形监测软件的架构设计相似材料模拟实验变形 监测软件共分为数据输入 数据分析与处理 数据可视化 数据输 出 软件信息与帮助5个模块 具体架构设计如图1所示 图1 软件架构设计示意2 监测点自动识别原理监测点自动识别的主要原理是模板匹配 首先引入相似性测度的概念 相似性测度是评价匹配实体之间相似性 程度的一种定量指标 一般来说 相似性程度由代价函数来度量 相似性测度的计算公式如 下 目标识别匹配原理如图2所示 S c r mi 1 nj 1g i j g i r j c式中 S c r 为扫描像素中心为 c r 的相似测度值 g i j为匹配标准第i行第j列像素点的灰度值 g i r j c为扫描区域 中与g i j对应的像素点的灰度值 影像相关是利用2个信号的相关函数评价它们的相似性以确定同名点 由于原始像片中的灰度信息可转换为电子 光学或数字等不同形式 的信号 因而可构成电子相关 光学相关或数字相关等不同的相关方 式 影像相关分为电子相关 光学相关或数字相关三类 601总第143期煤 矿 开 采2018年第4期万方数据图2 目标识别匹配原理示意2个随机信号x t y t 的互相关函数和自相 关函数定义为 R xy x t y t dtR xx x t x t dt设2张像片为I1和I2 匹配实体为E1和E2 其 确定的特征向量分别为V1和V2 所选用的相似性测度函数是SM 则相 似性测度值C为C E1 E2 SM V1 E1 V2 E2 在搜索区E内 与E1共轭 的E2为E2 ArgmaxE I2 SM V1 E1 V2 E 或者E2 ArgMinE I2 SM V1 E1 V2 E E2 E I2根据上述理论 相似性测度主要有相关函数 协方差函数 相关系数 差平方和 差绝对值等 选择相关系数作 为相似性测度 相关系数是标准化的协方差函数 即协方差函数除以2个信号的均方差即得相关系数 相关系数的数学定义为 p q C p q C ggC g g p q C gg x y D g x y E g x y 2dxdyC g g p q x p y q D g x p y q E g x p y q 2dxdy由离散灰度数据对相关系数的估计为 c r mi 1 nj 1 g i j g g i r j c g r c mi 1 nj 1 g i j g 2 mi 1 nj 1 g i r j c g r c 2g 1m n mi 1 nj 1g i jg r c 1m n mi 1 nj 1g i r j c3 像素坐标与实际坐标的转换通过上文所述的方法完成监测点识别后 需要将监测点中心在数字图像中的像素坐标转换为实验模型的现实 坐标 由于在获取表征实验模型某一时刻变形状态的数字图像时照相机成 像平面与实验模型所在平面无法保证完全平行 因此表征实验模型某 一时刻的变形状态的数字图像平面与实验模型所在平面存在平移 缩放 旋转 仿射 偏扭 弯曲等基本成像因素 对于以上提到的数字图像与实验模型的诸多成像因素 本文采用多项 式纠正法来完成像素坐标与现实坐标的转换 多项式纠正法的优点为 可以不考虑数字图像与实验模型之间的成像 过程 直接从监测点中心像素坐标与实验模型现实坐标的数据入手 通过建立2种数据之间的映射关系完成2种坐标值的转换计算 本文采用的三次多项式纠正法公式为 X a1x3 a2x2y a3xy2 a4y3 a10Y b1x3 b2x2y b3xy2 b4y3 b10式中 a1 b1 为三次多项 式系数 x y为像素坐标值 X Y为现实坐标值 三次多项式纠正法需要至少10个控制点解算出所有的转换参数 当控 制点个数大于10个时 可利用多余观测进行数字图像几何畸变平差 完成消除几何畸变的转换参数的解算 进而利用消除了几何畸变的转 换参数计算出所有监测点的现实坐标值 4 数字图像几何畸变平差为了消除数字图像中存在的几何畸变 需要在 相似材料模拟实验模型的固定位置设置数量大于10个的控制点 采用 最小二乘平差方法进行计算 设y为观测值 x i i 1 2 t 为待求参数 且y是x i的线性函数 则y a1x1 a2x2 a t x ty1 a11x1 a12x2 a1t x ty2 a21x1 a22x2 a2tx t y n an1x1 an2x2 a ntxty A x其中y y1y2 y n A a11a12 a1ta21a22 a2t a n1a n2 a nt x x1x2 xt 误差方程为 v Ax y式中 v v1v2 v n 701吴作启等 基于近景摄影测量的相似材料模拟实验自动监测 方法研究2018年第4期万方数据据最小二乘原理 求出的估计值应使 误差平方和最小 即V TV min5 实例应用为了研究南票矿区大窑沟煤矿某采煤工作面开采条件下煤 层上覆岩层的移动与破坏情况 根据大窑沟煤矿地质资料及其煤层开 采技术条件设计相似材料模拟实验 相似材料模型尺寸 长 宽 高 2 0m 0 24m 1 63m 煤层及地层倾角为43 煤层尺寸 为 斜长 宽 厚 2 20m 0 24m 0 02m 模型为全地层模拟 顶部无外力加载 具体的岩层结构分布情况 开采上下限等信息如图3所示 图3 相似材料模拟实验地层结构分布示意设计拟开采煤层长度为800mm 开切眼位置距离模型右侧边界400mm 深度为590mm 停采线位置距离 模型左侧边界867mm 深度为1160mm 根据大窑沟煤矿现实生产中的煤层开采平均速度 按照时间相似系数 计算得出模型开挖速度为100mm h 模型中设计采出煤层的整个开挖 时间为10 5h 对实验模型开挖前的状态进行首次观测 并计算得到所有监测点的初 始数据 相似材料模拟实验模型初始状态如图4所示 图4 相似材料模拟实验模型初始状态根据相似材料模拟实验位移监测需 要 水平方向设置变形监测线共计15条 各水平监测线按照等间距进 行布设 间距设置为100mm 最上面一条监测线代表松散层下的基岩位 置 松散层未做特殊模拟 竖直方向设置变形监测线共计19条 各水平监测线按照等间距进行布 设 间距设置为100mm 为防止监测点标识的粘贴对岩层的垮落产生影响 煤层附近区域不设 置监测点 试验模型设置的监测点数量共计258个 位移控制点设置在相似材料模拟实验台的边缘稳定位置 控制点数量 共计10个 软件中涉及的界面概况 监测点识别 监测点自动编号 监测数据 可视化如图5所示 图5 监测点坐标数据可视化效果利用相似材料模拟实验变形监测软件对 监测点进行坐标提取并输出数据 利用专业绘图软件Ori gin绘制覆岩移动下沉曲线如图6 10所示 图6 覆岩稳定状态下沉曲线由相似材料模拟实验结果可以得到 地表最大 下沉点向采空区中心区域的下山方向偏移 位于不同深度的覆岩层最 大下沉点分布规律为 越靠近地表 最大下沉点向采空区下山方向偏 移量越大 最大下沉量随着距采空区竖向距离的增大逐渐减小 覆岩层上山方向受采动影响的范围较下山方向小 但上山方向采动影 响范围内的覆岩下沉量变化更加剧烈 覆岩层倾斜曲线下山方向为正值 上山方向为负值 随着覆岩深度的 增加倾斜值有逐渐增大的趋势 靠近煤层的覆岩层倾斜值的分布离散 程度较801总第143期煤 矿 开 采2018年第4期万方数据图7 覆岩稳定状态倾斜变形曲线图8 覆岩稳定状态水平移动曲线图9 覆岩稳定状态水平变形曲线高 这一特征与垮落带的覆岩变形特征有 关 随着岩层深度的增加水平移动量有逐渐增大的趋势 覆岩层水平移动 量最大值对应的位置随着岩层深度的增加逐渐向采空区上山方向移 动 且越靠近采空区水平移动曲线的离散程度越大 位于采空区下山方向及上山方向采动影响范围边缘区域的水平变形 为正值 采动影响区域中间区域的水平变形为负值 靠近采空区的岩 层水平变形的离散程度较大 采空区影响下的覆岩变形已发育至地表 下山方向的充分采动角56 但是下山方向的充分采动角有明显图10 覆岩稳定状态曲率变形曲线的变大现象 即向下山方向偏移 上山方向的充分采动角85 上山方向的充分采动角基本稳定不变 6 结 论 1 介绍了相似材料模拟实验变形监测软件的架构设计 监测点自动 识别原理及识别过程 监测点像素坐标与实际坐标的转换原理 数 字图像几何畸变平差原理及计算过程 2 以中国辽宁南票矿区大窑沟煤矿某工作面开采影响下覆岩移动相 似材料模拟实验为例 使用该软件提取了覆岩位移监测点坐标并绘制 了相应变形曲线 根据覆岩移动曲线分析了该工作面采动影响下覆岩 移动特征 3 通过工程实例证明了近景摄影测量技术在相似材料模拟实验数据 获取中应用的可行性和可靠性 并且具备可瞬间捕获整个实验模型所 有监测点同一时刻的变形状态 参考文献 1 何国清 杨 伦 凌庚娣 等 矿山开采沉陷学 M 徐州 中国矿业大学出版社 1991 2 孟利波 金观昌 姚学峰 DSCM中摄像机光轴与物面不垂直引起的 误差分析 J 清华大学学报 自然科学版 xx 46 11 1930 1932 1936 3 朱兴军 Matlab在煤层开采相似材料模拟实验中的应 用 J 测绘工程 xx 23 3 69 71 4 唐正宗 梁 晋 郭 成 基于摄影测量校正的斜光轴数字图像相关方法 J 光学学报 xx 31 11 157 165 5 孟祥丽 周 波 程俊廷 等 基于数字近景摄影测量的若干关键技术研究 J 计算 机测量与控制 xx 16 9 1237 1239 6 解益辰 余代俊 李 洁 近景摄影测量技术在制作地面模型中的精度探讨 J 测绘与空间 地理信息 xx 37 4 202 204 下转104页 901吴作启等 基于近景摄影测量的相似材料模拟实 验自动监测方法研究2018年第4期万方数据区及运煤道路两侧进行造 林绿化使煤矿变成环境优美的舒适境地 2 正确处理企业发展与改善民生的关系 建设和谐幸福矿区 要统筹兼顾处理好企业 职工 社会的关系 和谐共处多方共赢 坚持把 以人为本 的理念贯穿于企业决策 生产 经营等各个方 面 切实解决职工最关心 最现实的利益问题 充分调动广大职工的 积极性 主动性 创造性 做到发展靠职工 成果职工享 让职工快 乐工作与生活 坚持和谐发展理念 建立 以煤帮农 以矿帮村 的长效机制 从制度上统筹煤炭经济与新农村建设协调发展 煤炭 企业要自觉担当起全面建成小康社会的责任 以尊重生命 关注民生 服务社会为根本 努力把资源优势转化为经济和发展优势 不断提 升煤炭产业的经济 社会和生态效益 努力在民生工程 城镇化建设 等方面发挥其表率作用 4 结 论煤炭是榆林经济的重要支柱 也是陕西经济的重要组成部分 十九大已吹响了全面建成小康社会的号角 作为第二大产煤都市的榆 林 若要在新时代下为全面建成小康社会做出重大贡献 就必须通过 1 加快煤炭产业由高危行业向安保行业转变 2 加快煤炭产业由 粗放生产 向 集约生产 转变 3 加快煤炭产业由低端单一向高端多元转变 4 加快煤炭产业由依赖资源向依靠科技转变 5 加快煤炭产业由 黑色 开发向 绿色 开发转变 将供给侧改革的政策落到实处 从而快速实现榆林经济的跨越转型发 展 为陕西经济的腾飞做出卓越贡献 参考文献 1 王学谦 日本构建低碳社会的方法与路径研究 D 杭 州 浙江工业大学 xx 2 高秀革 河北省产业结构 能源消费结构对 能源效率的影响 D 保定 河北大学 xx 3 钟国贤 霍州煤电集团公 司可持续发展战略研究 D 太原 太原理工大学 xx 4 徐小亚 榆林 市产业结构问题与对策研究 D 北京 中央民族大学 xx 5 张相平 周秋成 马宝岐 榆林煤化工产业高端化发展路径研究 J 煤炭加工 与综合利用 xx 38 2 21 24 6 姚 伟 我国能源安全战略问题研究 D 石家庄 河北师范大学 1997 7 张 倩 吴梦瑒 煤炭产业绿色转型与绿色技术创新协同发展研究 J 煤 炭经济研究 xx 32 10 131 132 8 张奋平 资源集聚视角下的产业结构优化研究 D 太原 山西 大学 xx 9 许 慧 鄂尔多斯市煤炭产业结构优化进程中政府职能研究 D 呼和浩特 内蒙古大学 xx 10 王 琪 山西煤炭企业技术创新能力评价与分析 D 太原 山西财经大学 xx 邹正立 上接35页 6 熊爱民 综采液压支架快速安撤装备配套工艺技术分析 J 科研 x x 2 138 7 刘继祥 综采工作面液压支架安全快速回撤技术研究与 应用 J 内蒙古煤炭 xx 9