基于攝影測量的礦井巷道圍巖變形監(jiān)測儀

張靖林

摘? 要：從礦井巷道圍巖檢測的角度出發(fā)，提出了一種基于攝影測量與變形檢測的自動礦井巷道圍巖變形監(jiān)測儀，該儀器應(yīng)用近景攝影測量方法采集巷道圍巖結(jié)構(gòu)信息，結(jié)合雙目攝影原理構(gòu)建巷道圍巖三維模型，通過人機交互方式標(biāo)識圍巖體結(jié)構(gòu)面，實現(xiàn)圍巖變形的精確監(jiān)測，同時基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對變形監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行分析，建立時間序列模型預(yù)測巷道圍巖變形量，有助于提前采取巷道圍巖加固支護措施。

關(guān)鍵詞：巷道圍巖檢測;攝影測量;雙目攝影原理;人機交互

一：國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國外，波蘭、英國、荷蘭和日本等國都對深部開采的巷道礦壓及其控制措施

進行了大量研究。國外的研究一方面是將己有的巖石力學(xué)與礦山壓力成果應(yīng)用于深部開采，但同時還結(jié)合深部開采的特殊性和本國國情對深井巷道礦壓控制進行了專門研究。

目前，我國獲取巷道圍巖變形主要是人工采用皮尺接觸式測量、全站儀、多點位移計等測量方法，皮帶接觸式測量和全站儀方法耗費時間長，人工勞動強度大，危險性高，測量精度受人為因素影響較大，且對于傾斜程度大、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜等區(qū)域難以直接測量;多點位移計雖然實現(xiàn)了自動化監(jiān)測分析，但巷道變形絕對參照點選定困難，僅能測量出巷道的相對變形量。由此可見，傳統(tǒng)礦井巷道圍巖變形監(jiān)測存在諸多問題亟需解決。

二：研究的意義

基于上述關(guān)于井下巷道變形檢測方法與攝影測量技術(shù)的相關(guān)研究成果。本文提出了一種基于攝影測量與變形檢測的自動礦井巷道圍巖變形監(jiān)測儀，用于實現(xiàn)煤礦井下巷道圍巖變形精確測量，彌補礦井巷道圍巖絕對變形量無法精確監(jiān)測的空白，有助于實現(xiàn)礦井巷道圍巖變形動態(tài)監(jiān)測，為實現(xiàn)巷道圍巖變形控制提供技術(shù)手段，對實現(xiàn)礦井安全高效生產(chǎn)具有重要意義。

三：技術(shù)描述與技術(shù)支持

1）總機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

2）數(shù)據(jù)采集與存儲系統(tǒng)

a）頂部半圓鏡頭：上方數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，半球形設(shè)計，增大了數(shù)據(jù)采集范圍，易保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

b）上下各置八個鏡頭：周圍鏡頭采用獨特的凸出傾角設(shè)計，有效減少鏡頭傷損;上半鏡頭、下半鏡頭分別裝有八個鏡頭，方便采集圖像數(shù)據(jù)，且有一定傾角，增大數(shù)據(jù)采集面積，數(shù)據(jù)采集量大，便于檢校分析成圖。

c）顯示器：顯示作用。顯示儀器的工作進度和狀態(tài)參數(shù)，方便測量者隨時檢測，確保測量的精度。

d）鍵盤：輸入作用。用于儀器的初始設(shè)置、功能切換、數(shù)據(jù)導(dǎo)出等。

e）USB端口：輸出作用。用于導(dǎo)入、導(dǎo)出相關(guān)數(shù)據(jù)。

f）SD卡：儲存作用。用于圖像數(shù)據(jù)的收集與存儲。

g）擴展功能：無線網(wǎng)絡(luò)連接與使用。在開闊、有無線信號的工作環(huán)境，儀器與電腦無線連接，可實現(xiàn)邊測量邊繪圖的功能。

3）支撐系統(tǒng)

a）防滑伸縮握把：連接、支持、穩(wěn)定作用。便于儀器與底座相連接;伸縮設(shè)計可根據(jù)測量環(huán)境調(diào)整合適的高度;最下端設(shè)計為防滑握把，可保證測量工作者手持儀器時的穩(wěn)定性。

4）固定系統(tǒng)

a）螺絲和螺孔：連接、固定作用。使儀器充分固定在底座上，保持儀器的穩(wěn)定性。

b）對中軸：對中作用。用于儀器定點定位，保持原始點位置確定，方便數(shù)據(jù)收集，且本設(shè)計為一固定軸，可避免設(shè)備偏移。

c）底座：固定和支持作用。儀器架設(shè)在地面時可保持儀器穩(wěn)定。

5）測量攝像頭

攝像頭基于Sirovision巖體遙測和結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)，利用雙目視覺技術(shù)學(xué)習(xí)人類雙眼視覺成像原理，應(yīng)用數(shù)字化影像采集設(shè)備模仿人類左右眼，從兩個不同角度拍攝同一物體。根據(jù)同一物點在圖像平面中兩個像點的坐標(biāo)差，計算物點在三維空間中的坐標(biāo)方位，從而實現(xiàn)目標(biāo)物體三維表面模型的構(gòu)建。

6）基于Sirovision的三維建模操作流程

應(yīng)用Sirovision建立巖體表面三維模型操作流程。在數(shù)據(jù)采集過程中，以下注意點對采集數(shù)據(jù)質(zhì)量有重要影響：

a）采集不同的像對時，保證相同的攝影距離;

b）各組像對拍攝區(qū)域之間，須保證足夠的重合區(qū)域，以便不同區(qū)域三維模型的拼接;

c）遵循“攝影基線長度∶拍攝距離=1∶50”和“攝影基線長度∶拍攝距離=1∶7”的原則進行拍攝，保證攝影角度正直;

d）補光燈應(yīng)盡量遠離鏡頭，靠近掌子面，避免粉塵折光影響，在數(shù)字照片中形成焦點;

e）拍攝不同區(qū)域時，應(yīng)隨時調(diào)整補光燈位置、朝向與光強，以保證每次拍攝范圍內(nèi)光照適中且均勻;

四：創(chuàng)新之處

（1）結(jié)合礦井實際生產(chǎn)環(huán)境的特點，設(shè)計出基于攝影測量的礦井巷道圍巖變形監(jiān)測儀，該裝置核心部分為攝像頭，即應(yīng)用Sirovision系統(tǒng)建立巖體表面三維模型。

（2）利用雙目立體視覺技術(shù)的原理對數(shù)據(jù)進行采集，利用裝置內(nèi)部軟件自動檢測像片的內(nèi)方位元素x0、y0、f，將像片掃描坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為像片坐標(biāo)系坐標(biāo)。

（3）該裝置在測量過程中不會對被測量目標(biāo)造成損傷，同時內(nèi)存信息容量大，可進行動、靜態(tài)目標(biāo)復(fù)合測量，時效性高。

參考文獻

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