劉亞南 ，李 浩，毛羽豐，楊建華 ，楊 彪，蘇 博

（1.河海大學(xué) 地球工程與工程學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.兗州煤業(yè)股份有限公司，山東 濟(jì)寧272000）

煤礦掘進(jìn)工作面影像地質(zhì)編錄系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)

劉亞南1，李 浩1，毛羽豐1，楊建華2，楊 彪1，蘇 博1

（1.河海大學(xué) 地球工程與工程學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.兗州煤業(yè)股份有限公司，山東 濟(jì)寧272000）

以近景攝影測(cè)量理論為基礎(chǔ)，研究掘進(jìn)工作面影像地質(zhì)編錄方法。設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了煤礦掘進(jìn)工作面影像地質(zhì)編錄系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了從原始數(shù)據(jù)采集到編錄成果輸出的全數(shù)字化作業(yè)，以及掘進(jìn)工作面井下場(chǎng)景的三維重建。實(shí)踐表明，系統(tǒng)能夠快速生成影像地質(zhì)編錄成果，提高了掘進(jìn)工作面的編錄效率和精度。

掘進(jìn)工作面；DSM ；地質(zhì)編錄 ；系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

煤礦井下地質(zhì)編錄對(duì)煤礦的安全生產(chǎn)有著重要的影響[1]。傳統(tǒng)地質(zhì)勘測(cè)的工作方式是用羅盤(pán)、皮尺、地質(zhì)錘等工具在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量描述記錄地質(zhì)現(xiàn)象，根據(jù)外業(yè)的記錄進(jìn)行內(nèi)業(yè)整理。這種接觸式手工操作方法勞動(dòng)強(qiáng)度大、危險(xiǎn)性高、效率低，難以滿(mǎn)足煤礦現(xiàn)代化安全生產(chǎn)與技術(shù)管理的需求[2]。近年來(lái)，許多專(zhuān)家和學(xué)者對(duì)工程開(kāi)挖面地質(zhì)編錄進(jìn)行了大量的研究[3-5]。在此基礎(chǔ)上，本文建立了一套適用于煤礦掘進(jìn)工作面的影像地質(zhì)編錄方法和體系，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了煤礦掘進(jìn)工作面影像地質(zhì)編錄系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用近景攝影測(cè)量和數(shù)字圖像處理的相關(guān)理論知識(shí)聯(lián)合應(yīng)用CAD和GIS技術(shù)，對(duì)獲取的掘進(jìn)工作面等影像進(jìn)行處理，快速、準(zhǔn)確提取地質(zhì)編錄要素，生成規(guī)范的煤礦施工地質(zhì)編錄成果圖，并實(shí)現(xiàn)編錄要素的有效管理與查詢(xún)檢索。

1 系統(tǒng)工作原理及關(guān)鍵技術(shù)

系統(tǒng)通過(guò)防爆數(shù)碼相機(jī)獲取工作面立體影像，對(duì)立體影像進(jìn)行畸變校正、特征點(diǎn)提取與匹配、自動(dòng)相對(duì)定向、基于特殊線(xiàn)段的絕對(duì)定向等影像處理過(guò)程后，基于影像進(jìn)行地質(zhì)編錄要素的提取與描述，并通過(guò)影像密集匹配重建掘進(jìn)工作面三維場(chǎng)景，最終輸出規(guī)范化的編錄成果，并實(shí)現(xiàn)對(duì)編錄成果的數(shù)據(jù)庫(kù)管理。系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)包括影像匹配、基于特殊線(xiàn)段的絕對(duì)定向和影像地質(zhì)編錄。

1.1 掘進(jìn)工作面影像匹配

影像匹配是數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)之一。在掘進(jìn)工作面影像立體量測(cè)中，采用影像匹配技術(shù)以提高同名像點(diǎn)量測(cè)的準(zhǔn)確性和自動(dòng)化程度。由于煤礦工作區(qū)環(huán)境較差，一般的匹配方法不能很好地適合處理掘進(jìn)工作面影像。SIFT算子能夠提供穩(wěn)定的尺度、旋轉(zhuǎn)以及平移不變等特征，同時(shí)對(duì)于光照及噪聲的影響也具有較強(qiáng)的抵抗性。本文采用SIFT算法進(jìn)行自動(dòng)相對(duì)定向即通過(guò)SIFT算法提取特征點(diǎn)后基于歐氏距離進(jìn)行初匹配，采用基于相對(duì)定向的RANSAC算法誤匹配剔除，并獲得初始相對(duì)定向元素和相鄰影像的重疊區(qū)域。

由于SIFT算法提取出的同名像點(diǎn)較少，不能構(gòu)建DSM。掘進(jìn)工作面立體影像具有攝影比例尺和角度的差異、被攝物體的空間分布不連續(xù)、斷裂、遮擋，以及紋理單一等特性，故稠密匹配采用概率松弛匹配算法，為DSM的構(gòu)建提供可靠的高精度點(diǎn)云。

1.2 基于特殊線(xiàn)段的絕對(duì)定向

通常絕對(duì)定向需要布設(shè)足夠多的控制點(diǎn)，但煤礦掘進(jìn)工作面地質(zhì)條件復(fù)雜、工作環(huán)境惡劣，布設(shè)、量測(cè)控制點(diǎn)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，所以常規(guī)的絕對(duì)定向方法不能滿(mǎn)足礦井的實(shí)際情況。而煤礦巷道頂部有導(dǎo)向激光，且激光的方位角已知，利用這一現(xiàn)場(chǎng)條件來(lái)進(jìn)行立體模型姿態(tài)方位的控制。進(jìn)而采用一種基于指向激光和鉛垂線(xiàn)的攝影測(cè)量控制方法，即依靠掘進(jìn)工作面現(xiàn)場(chǎng)附近的指向激光與在拍攝范圍內(nèi)懸掛的鉛垂線(xiàn)來(lái)確定像對(duì)立體模型的旋轉(zhuǎn)角，利用鉛垂線(xiàn)的長(zhǎng)度來(lái)確定模型的縮放比例，再利用掘進(jìn)工作面上的激光點(diǎn)坐標(biāo)確定模型的平移量[6,7]。通過(guò)實(shí)際操作發(fā)現(xiàn)，該方法既能減少現(xiàn)場(chǎng)工作量，又能滿(mǎn)足像對(duì)定向的控制要求。其基本流程如下：

1）旋轉(zhuǎn)矩陣的計(jì)算。相對(duì)定向之后已經(jīng)得到垂線(xiàn)上端點(diǎn)、垂線(xiàn)下端點(diǎn)、激光軸前端點(diǎn)與激光軸后端點(diǎn)之間的相對(duì)關(guān)系。根據(jù)鉛垂線(xiàn)在像空間坐標(biāo)系的坐標(biāo)，在立體空間3個(gè)方向的投影得到3個(gè)旋轉(zhuǎn)角j1、j2、j3，9個(gè)旋轉(zhuǎn)矩陣元素，最終轉(zhuǎn)換到像空間洞軸坐標(biāo)系里：

2）比例尺系數(shù)的計(jì)算。由于像空間巷道軸方向坐標(biāo)系Z '軸方向就是垂直方向，則比例尺系數(shù)λ：

其中L為垂線(xiàn)的長(zhǎng)度；Z '上為上方垂線(xiàn)點(diǎn)在像空間巷道軸方向坐標(biāo)系中的Z坐標(biāo)，Z ''下為下方垂線(xiàn)點(diǎn)在像空間巷道軸方向坐標(biāo)系中的Z坐標(biāo)。

3）平移量的計(jì)算。通過(guò)公式（3）計(jì)算各點(diǎn)在像空間正北坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，確定模型的方向、比例，根據(jù)公式（4）計(jì)算模型平移量。

α為指向激光軸前進(jìn)方向的方位角，XCtrl、YCtrl、ZCtrl為控制點(diǎn)在地面坐標(biāo)系中坐標(biāo)；X"Ctrl、Y"Ctrl、Z"Ctrl為控制點(diǎn)在像空間正北方向坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。

1.3 影像地質(zhì)編錄

地質(zhì)構(gòu)造面的產(chǎn)狀是以巖層面在空間的延伸方向及其傾斜程度來(lái)確定的，即采用巖層面的走向、傾向和傾角來(lái)表示，可以通過(guò)確定結(jié)構(gòu)面所在的平面方程，即確定一個(gè)巖層面上的3個(gè)或3個(gè)以上點(diǎn)的三維坐標(biāo)坐標(biāo)，經(jīng)過(guò)最小二乘擬合，可得到結(jié)構(gòu)面的平面方程，如式（5）：

解出A、B、C的值，設(shè)巖層走向?yàn)棣龋▋A向）、傾角為α（傾角）。

平面傾角α的計(jì)算方法如下：

傾向和走向相差90°，一旦走向確定，傾向也確定了。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及開(kāi)發(fā)

針對(duì)煤礦行業(yè)勘測(cè)要求及礦井工作環(huán)境的特殊性，系統(tǒng)以工程地質(zhì)和數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量理論為基礎(chǔ)，綜合應(yīng)用近景攝影測(cè)量技術(shù)、數(shù)字圖像處理技術(shù)和地理信息系統(tǒng)技術(shù)，用煤安防爆數(shù)碼相機(jī)采集影像，通過(guò)特殊的影像定向定位算法，實(shí)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)上完成煤礦編錄勘測(cè)數(shù)據(jù)輸入、影像自動(dòng)定向、地質(zhì)構(gòu)造特征描繪、產(chǎn)狀量測(cè)、地質(zhì)屬性錄入、生成DSM和圖形圖像數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)查詢(xún)、AutoCAD成圖等功能。

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于煤礦掘進(jìn)工作面的特殊情況設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了掘進(jìn)工作面影像地質(zhì)編錄系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、影像處理和地質(zhì)編錄等3個(gè)主要部分。數(shù)據(jù)準(zhǔn)備部分是為掘進(jìn)工作面地質(zhì)編錄提供數(shù)據(jù)源；影像處理通過(guò)相對(duì)定向和絕對(duì)定向計(jì)算掘進(jìn)工作面的定向參數(shù)，匹配之后得到物方坐標(biāo)；地質(zhì)編錄部分將掘進(jìn)工作面按多種方式地質(zhì)編錄然后輸出，根據(jù)巖層的走向和傾角及時(shí)為工作人員提供地質(zhì)信息，見(jiàn)圖1。

圖1 系統(tǒng)工作流程

2.2 功能模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)基于Visual Studio 2010底層開(kāi)發(fā)與AutoCAD二次開(kāi)發(fā)，以SQL SERVER 2010作為編錄成果數(shù)據(jù)庫(kù)。共分為5個(gè)模塊：系統(tǒng)輸入模塊、圖像處理模塊、地質(zhì)編錄模塊、成果輸出模塊和可視化查詢(xún)模塊（如圖2所示）。

1）輸入模塊：系統(tǒng)設(shè)置了相機(jī)參數(shù)功能，用于相機(jī)內(nèi)方位元素和畸變參數(shù)的設(shè)置。通過(guò)工作區(qū)信息和攝站參數(shù)功能將信息輸入系統(tǒng)，以達(dá)到圖像預(yù)處理的目的。

2）圖像處理模塊：圖像增強(qiáng)加強(qiáng)用戶(hù)對(duì)圖像的目視判讀。通過(guò)SIFT算法快速找出掘進(jìn)工作面影像的特征點(diǎn)，提取同名像點(diǎn)，自動(dòng)計(jì)算相對(duì)定向元素。基于有向線(xiàn)段的絕對(duì)定向可以快速得到絕對(duì)定向的3個(gè)角元素，節(jié)省了大量的計(jì)算時(shí)間。

3）地質(zhì)編錄模塊：編錄模塊是本系統(tǒng)的核心。地質(zhì)構(gòu)造繪制以立體像對(duì)為編錄底圖，通過(guò)左右影像繪制構(gòu)造線(xiàn)；通過(guò)找出在構(gòu)造線(xiàn)上的同名像點(diǎn)，自動(dòng)計(jì)算出巖層的產(chǎn)狀；對(duì)構(gòu)造線(xiàn)的屬性進(jìn)行設(shè)置，如輸入線(xiàn)名、線(xiàn)型、構(gòu)造線(xiàn)性質(zhì)等，并將其信息存入構(gòu)造線(xiàn)屬性數(shù)據(jù)庫(kù)。

4）輸出模塊：DSM客觀(guān)真實(shí)地反映物體結(jié)構(gòu)在三維空間上的特征與細(xì)節(jié)，工作人員可以進(jìn)一步分析掘進(jìn)工作面的地質(zhì)信息；報(bào)表直接輸出地質(zhì)編錄的重要信息如斷層產(chǎn)狀、斷層性質(zhì)和素描示意圖。

5）查詢(xún)模塊：該模塊最大限地發(fā)揮系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，靈活地提供各類(lèi)信息。圖形查詢(xún)顯示地質(zhì)編錄三維展示圖、地質(zhì)編錄立面展開(kāi)圖，屬性查詢(xún)根據(jù)給定條件，由屬性表查找相應(yīng)圖形及屬性表信息，滿(mǎn)足用戶(hù)及有關(guān)部門(mén)的需要。

圖2 系統(tǒng)主要功能模塊

2.3 系統(tǒng)工作流程

現(xiàn)場(chǎng)工作者利用防爆數(shù)碼相機(jī)配合特殊的定向控制方法獲取掘進(jìn)工作面原始影像；內(nèi)業(yè)時(shí)系統(tǒng)根據(jù)各攝站設(shè)置的參數(shù)，進(jìn)行影像畸變校正及影像定向，以掘進(jìn)工作面立體像對(duì)作為編錄底圖，進(jìn)行地質(zhì)要素的繪制、地質(zhì)信息的錄入和產(chǎn)狀自動(dòng)計(jì)算；編錄完成后，輸出符合煤礦專(zhuān)業(yè)規(guī)范的掘進(jìn)工作面報(bào)表。

3 系統(tǒng)應(yīng)用及分析

系統(tǒng)已成功應(yīng)用于國(guó)內(nèi)多家大型煤礦。其中，濟(jì)寧三號(hào)煤礦位于山東省濟(jì)寧市任城區(qū)境內(nèi)，隸屬兗州煤業(yè)股份有限公司。井田總面積105.05 km2，局部因受斷層牽引影響，傾角變陡，可達(dá)18°以上。地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，小構(gòu)造發(fā)育，對(duì)生產(chǎn)影響很大。在洞軸兩側(cè)拍攝立體影像，攝影基線(xiàn)長(zhǎng)度約為拍攝距離的1/10。在掘進(jìn)工作面場(chǎng)景中鉛垂懸掛一根長(zhǎng)2 m的標(biāo)桿，作為定長(zhǎng)控制垂線(xiàn)；掘進(jìn)指示激光穿透安裝在標(biāo)桿上透明板，在透明板與工作面上產(chǎn)生兩個(gè)投影點(diǎn)，將其連線(xiàn)作為已知方位的控制線(xiàn)段。

3.1 影像定向及編錄

在掘進(jìn)工作面相對(duì)定向過(guò)程中，采用SIFT算法自動(dòng)提取特征點(diǎn)，左影像有12 343個(gè)，右影像有11 678個(gè)，匹配出同名像點(diǎn)2 219對(duì)，通過(guò)誤匹配算法剔除錯(cuò)點(diǎn)之后得到同名像點(diǎn)1 515對(duì)，如圖3所示。經(jīng)過(guò)解算，相對(duì)定向的中誤差為Mq=0.289像元。

圖3 自動(dòng)相對(duì)定向點(diǎn)提取與匹配結(jié)果

相對(duì)定向完成之后，根據(jù)兩條控制線(xiàn)段進(jìn)行絕對(duì)定向，得到三維重建的基本參數(shù)。再通過(guò)密集匹配共采集32 316個(gè)三維坐標(biāo)點(diǎn)，生成的點(diǎn)云如圖4所示。采用不規(guī)則三角網(wǎng)構(gòu)建DSM，將原始影像作為紋理，對(duì)掘進(jìn)工作面進(jìn)行三維重建，如圖5所示。

圖4 密集匹配生成的三維點(diǎn)云

圖5 疊加真實(shí)紋理的DSM

分別在左右影像上繪制構(gòu)造線(xiàn)，完成地質(zhì)屬性錄入、產(chǎn)狀自動(dòng)計(jì)算后，將地質(zhì)編錄成果包括斷層編號(hào)、斷層產(chǎn)狀、斷層描述、斷層性質(zhì)、斷層示意圖以圖表形式輸出，并將編錄成果自動(dòng)保存到服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)中。

3.2 地質(zhì)編錄精度分析

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的地質(zhì)編錄精度，在實(shí)驗(yàn)區(qū)選擇5組典型結(jié)構(gòu)面。首先用地質(zhì)羅盤(pán)量測(cè)出5組結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀，將其多次量測(cè)的平均值作為驗(yàn)證值，與本系統(tǒng)量測(cè)得到的產(chǎn)狀進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表1、2所示。對(duì)比結(jié)果表明，系統(tǒng)的地質(zhì)編錄產(chǎn)狀量測(cè)精度能滿(mǎn)足生產(chǎn)作業(yè)規(guī)范要求。

表1 地質(zhì)編錄誤差分析

3.3 系統(tǒng)作業(yè)效率對(duì)比

為驗(yàn)證系統(tǒng)的作業(yè)效率，與現(xiàn)有方法進(jìn)行對(duì)比?，F(xiàn)有井下地質(zhì)編錄主要采用手工量測(cè)方法，這種接觸式作業(yè)方法需要工作人員直接靠近掘進(jìn)工作面，危險(xiǎn)性較高。此外，現(xiàn)場(chǎng)需要卷尺丈量、測(cè)點(diǎn)定位、羅盤(pán)量測(cè)、手工記錄等，每個(gè)工作面編錄作業(yè)人員與作業(yè)時(shí)間要求也相對(duì)較多。與此相比，本文方法采用非接觸式作業(yè)方法，井下作業(yè)內(nèi)容僅為簡(jiǎn)易的物方布控和立體攝影，在人員要求、作業(yè)安全、作業(yè)效率等方面都有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。對(duì)比結(jié)果表明，本系統(tǒng)的應(yīng)用不僅能減少人員數(shù)量要求、提高作業(yè)安全，還能顯著提高作業(yè)效率。

表2 地質(zhì)編錄方法效率對(duì)比

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)煤礦井下掘進(jìn)工作面特殊的作業(yè)環(huán)境，基于近景攝影測(cè)量理論方法，研發(fā)具有嚴(yán)格精度控制、無(wú)控制點(diǎn)依賴(lài)的煤礦掘進(jìn)工作面影像地質(zhì)編錄系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)從數(shù)字影像采集到編錄成果輸出的掘進(jìn)工作面地質(zhì)編錄全數(shù)字化作業(yè)，以及掘進(jìn)工作面井下場(chǎng)景的三維重建。實(shí)際應(yīng)用表明，本文研發(fā)的掘進(jìn)工作面影像地質(zhì)編錄技術(shù)和系統(tǒng)精度可靠、安全高效，能夠滿(mǎn)足煤礦井下地質(zhì)編錄的需求，有助于煤礦掘進(jìn)工作面地質(zhì)編錄的信息化管理。

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P234

B

1672-4623（2017）12-0091-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.12.029

2016-09-27。

水利部黃土高原水土流失過(guò)程與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題基金資助項(xiàng)目（015001）。

劉亞南，碩士研究生，研究方向?yàn)閿z影測(cè)量與遙感。