計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)在礦山生產(chǎn)中的應(yīng)用

文｜張宇

現(xiàn)代化礦山安全生產(chǎn)管理體系將現(xiàn)代化計(jì)算機(jī)及可視化處理技術(shù)加以合理并有效合理地綜合運(yùn)用推廣到實(shí)際礦山實(shí)際生產(chǎn)工作中，有助于人們利用先進(jìn)計(jì)算機(jī)及其可視化信息處理技術(shù)去對現(xiàn)代礦山系統(tǒng)的礦山各項(xiàng)安全生產(chǎn)管理實(shí)際的圖片狀況來進(jìn)行合理有效地管理，對我國礦山實(shí)際的各種生產(chǎn)的總體情況便有更為清楚直觀及全面細(xì)致的認(rèn)識(shí)掌握方法和了更為清晰深刻具體的知識(shí)理解，便于我們準(zhǔn)確了解掌握當(dāng)代礦山系統(tǒng)安全生產(chǎn)中各種情況。

礦山生產(chǎn)分為兩種主要的階段：開采與選礦。通過爆破采礦、鏟土、粉碎、浮選的工業(yè)生產(chǎn)階段，具有流程多、結(jié)構(gòu)原因不清、干擾條件多的特征。常規(guī)的測量方法難以達(dá)到實(shí)時(shí)性要求，無法建立過程監(jiān)控體系。生產(chǎn)流程需要在最佳運(yùn)行環(huán)境下，使得成本高昂，礦石品質(zhì)不穩(wěn)定。近年來，由于各種新科技的迅速發(fā)展，電腦可視化技術(shù)在礦山工作環(huán)境中的運(yùn)用已形成了一個(gè)全新的發(fā)展趨勢。其非接觸式感知、多層次數(shù)據(jù)整合、高速建模與分析的技術(shù)優(yōu)勢，適應(yīng)了礦山施工規(guī)模大、不間斷、快速反應(yīng)的特點(diǎn)。本文主要就機(jī)器視覺技術(shù)在礦山施工、三維可視化模型設(shè)計(jì)以及礦塊粒度測量過程中的運(yùn)用，開展了探討與分析。

一、計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)簡介

Visualization（科學(xué)計(jì)算可視化）最初是在20世紀(jì)80年代后期開發(fā)的。20世紀(jì)90年代，計(jì)算機(jī)可視化軟件技術(shù)的發(fā)展取得了前所未有的進(jìn)步。近年來，以三維礦床建模方法為典型代表的數(shù)字采礦可視化軟件技術(shù)，在西歐以及中國等工業(yè)市場上的使用與開發(fā)也十分迅速。計(jì)算機(jī)可視化處理技術(shù)已涵蓋到了礦山過程的輔助建模應(yīng)用、礦床三維模型、地質(zhì)信息處理技術(shù)等諸多方面。目前，計(jì)算機(jī)礦山可視化的應(yīng)用研究方向已逐步擴(kuò)展到礦山三維集成技術(shù)和礦山三維可視化實(shí)體。

二、礦區(qū)三維可視化建模

在數(shù)字化礦山設(shè)計(jì)中，引入了大量智能化、流程化、數(shù)字化的軟件和系統(tǒng)，可以建立準(zhǔn)確的三維礦坑模型，對配礦、生產(chǎn)調(diào)度、質(zhì)量控制等各種工作均具有意義。同時(shí)由于坑內(nèi)的挖掘與排土，在礦點(diǎn)內(nèi)還將產(chǎn)生不少高度巨大的邊坡。邊坡的穩(wěn)定與礦山生產(chǎn)的安全息息相關(guān)，因此對邊坡的感知與監(jiān)測也是需要重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容。

通常有GPS單點(diǎn)、DINSAR和激光三維掃描這3種三維建模測量技術(shù)。GPS單點(diǎn)測量的優(yōu)點(diǎn)是精確，便于連續(xù)計(jì)算，但計(jì)算比較分散，也比較容易收到信號(hào)強(qiáng)度的干擾。因此采用DINSAR檢測的主要優(yōu)點(diǎn)就是可以得到整體圖形，而且速度快，準(zhǔn)確性高，但不足之處主要是由于衛(wèi)星的過境距離比較遠(yuǎn)，再加上時(shí)間昂貴，使得較難于在一定的時(shí)間點(diǎn)得到所要求的三維形象。而激光數(shù)字化掃描測量方法的主要優(yōu)點(diǎn)是由于可以獲取三維信息的效率高、精確度強(qiáng)，但其缺陷則是由于成本昂貴、工作量大，以及后期處理比較繁瑣，且數(shù)據(jù)處理的自動(dòng)化程度也較差。因此上述三種方法，在滿足礦山生產(chǎn)中準(zhǔn)確、高頻率、低成本、快速生產(chǎn)的技術(shù)要求方面，都存在著各種程度的不適合，而不能在實(shí)際中有效應(yīng)用。

隨著圖像處理硬件環(huán)境與圖像計(jì)算機(jī)功能結(jié)構(gòu)的性能日益得以改善以及計(jì)算圖像技術(shù)研究和分析方法技術(shù)的日益進(jìn)展，尤其特別是圖像特征點(diǎn)數(shù)據(jù)獲取建模與分析結(jié)合的新方法、SFM(動(dòng)態(tài)恢復(fù)系統(tǒng))和MVS(多視點(diǎn)立體視覺)算法的不斷完善，基于圖形的三維重建計(jì)算也逐步應(yīng)用到了實(shí)際中。該技術(shù)具有精確、速度快、成本低、使用相對簡單的優(yōu)點(diǎn)。滿足了對礦山三維重建技術(shù)的需求。主要運(yùn)用于對礦山數(shù)字三維模型的構(gòu)建，和對礦山邊坡的測量。

（一）礦坑數(shù)字三維模型構(gòu)建

一般來說，對碗形井的數(shù)字三維模擬都是由無人機(jī)所攜帶航空攝影設(shè)備形成的。雖然通過事先設(shè)計(jì)的飛行路線，雖然方法選擇不同，但實(shí)現(xiàn)方法通常都是采用，特征點(diǎn)采集-密集點(diǎn)陣形狀合成-點(diǎn)云圖像融合-三維地質(zhì)模型和投影圖像采集的方法。普遍采用現(xiàn)成的商用軟件系統(tǒng)或是科學(xué)計(jì)算可視化庫進(jìn)行開發(fā)。通過勘探網(wǎng)的實(shí)地勘測，任何的方法都能夠?qū)崿F(xiàn)較高的準(zhǔn)確度，通常限制在0.1m之內(nèi)，一些方法能夠限制在0.05m之內(nèi)。通過運(yùn)動(dòng)和結(jié)構(gòu)重建，以及光束調(diào)整后的圖像序列中的露天礦三維自動(dòng)建模方法，利用SfM或者BA方法可以通過隨機(jī)采集照片數(shù)據(jù)來建模，但不需要地面控制點(diǎn)的信息。首先，當(dāng)相機(jī)的方位角和姿態(tài)無法提前標(biāo)定時(shí)，利用SfM估計(jì)相機(jī)的內(nèi)外方位角元素；然后，采用基于像素塊分析的多視點(diǎn)立體估計(jì)算法對密集點(diǎn)云信號(hào)進(jìn)行估計(jì)。然后采用波束法對點(diǎn)云信號(hào)進(jìn)行調(diào)整，提高三維重建精度。最后，得到了較為完善的三維數(shù)字礦山模型。

（二）礦區(qū)邊坡檢測

邊坡檢測的過程與數(shù)字礦山三維模型的構(gòu)建略有不同。可利用無人機(jī)進(jìn)行拍攝或者是特定斜坡的不同地面位置角度獲得，可簡化操作，具體計(jì)算路徑也與上述相同。由于在斜坡勘探階段坑內(nèi)區(qū)域面積變小，因此檢測準(zhǔn)確度提高，最大偏差范圍約為0.01米左右。無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)可用于露天礦邊坡的三維重建。對無人機(jī)航拍圖像進(jìn)行預(yù)處理后，采用SIFT方法獲取信息，經(jīng)過多視角圖像的密集匹配，得到的高密度三維點(diǎn)云DSM圖像是一致的。

三、礦塊粒度檢測

在選礦廠過程中，磨礦是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，磨礦工藝直接影響后續(xù)精礦生產(chǎn)的礦物質(zhì)量性能和礦物品位。目前，礦石顆粒的平均粒度分布是磨礦工藝參數(shù)評價(jià)中最重要的評價(jià)因素之一。傳統(tǒng)的礦石粒度分析與檢測技術(shù)通常是離線破碎篩分，或可在礦石粉碎完畢后直接利用人工取樣設(shè)備直接進(jìn)行礦石篩分檢查。但這種方法既費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、又耗能，同時(shí)也不能精確掌握出料顆粒的反饋信息，從而實(shí)時(shí)調(diào)整粉磨工序數(shù)據(jù)，從而改善了粉磨的工序性能。

利用圖像識(shí)別技術(shù)，能夠有效避免出現(xiàn)傳統(tǒng)方法的問題。且該方案因?yàn)橛布杀镜慕档团c算法的改進(jìn)，已具備成本低、效率好、速度快的優(yōu)勢。目前國內(nèi)研究者已經(jīng)做過大量調(diào)研，并獲得了大量研究成果。通常，基于圖像處理和分析的礦石粒度測量大致可以分為四個(gè)過程：攝影—圖像濾波—圖像分割—參數(shù)計(jì)算。根據(jù)主流的圖像過濾和圖形切割技術(shù)，根據(jù)現(xiàn)有的礦石尺寸測定技術(shù)，經(jīng)過試驗(yàn)對比不同的過濾技術(shù)和切割手段，選擇判斷準(zhǔn)確性和錯(cuò)誤率的綜合判斷指標(biāo)。在濾波領(lǐng)域，從主觀、客觀和技術(shù)角度討論了中值濾波、雙邊濾波器、形態(tài)重建濾波、全變分濾波和非局部均值濾波的五種主要分析方法在分割領(lǐng)域，比較了人工分割、極端侵蝕流域分割、最大距離流域分割、隨機(jī)游走分割、超像素歸一化分割和超像素分層合并分割六種方法，并在準(zhǔn)確性和有效性的方面對這些方法進(jìn)行了研究，并針對各種情形提出了具體的圖像濾波與切割技術(shù)方案。

此外，在實(shí)際工作中，由于現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜多變，粉塵、光照等影響，不同礦物的顏色、外觀形狀都具有不同的差異，以堆積狀態(tài)和以黏附狀態(tài)形式相對存在礦物的相對濃度變化對礦石粒度特征分析數(shù)據(jù)的分析準(zhǔn)確度穩(wěn)定性和判斷精確度均影響很大。因此，在實(shí)際操作環(huán)節(jié)，還需合理安裝各種光源、擋板、除塵凈化裝置等人工輔助設(shè)備。

四、結(jié)束語

如今，在礦山生產(chǎn)中已廣泛采用了計(jì)算機(jī)視覺處理技術(shù)，該技術(shù)可以讓人們對礦坑、礦石和浮選泡沫的觀測不受位置、溫度等人為力量的干擾。利用可視化監(jiān)測生產(chǎn)流程，擁有遠(yuǎn)距離監(jiān)測、可視化、高智能、抗干擾等的特性，且能在大范圍內(nèi)開展監(jiān)測精度，并且可實(shí)現(xiàn)即時(shí)控制，以提高生產(chǎn)效率、節(jié)能降耗、提升制造質(zhì)量。隨著可視化技術(shù)的發(fā)展，將對礦石開采、選礦加工和冶金等生產(chǎn)過程中得到越來越廣泛的運(yùn)用，還可以完成更高效地監(jiān)控和反饋管理功能，在更大程度上提高生產(chǎn)效率、節(jié)能降耗。