柳炳俊 楊洋 涂輝 郝元偉

摘 要：相似材料模擬實(shí)驗(yàn)是研究開(kāi)采沉陷規(guī)律的重要方法，然而現(xiàn)有相似材料模型觀測(cè)手段存在精度低、工作量大、穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)。針對(duì)現(xiàn)有觀測(cè)方法的不足，本文引進(jìn)了近景攝影測(cè)量的方法，介紹了近景攝影測(cè)量的原理與系統(tǒng)，評(píng)價(jià)了該方法的觀測(cè)精度，并采用該技術(shù)對(duì)相似材料模型實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了觀測(cè)，得到了較為理想的下沉曲線與水平移動(dòng)曲線。實(shí)例表明該方法觀測(cè)相似材料模型有著速度快、精度高、穩(wěn)定性高、信息量大等優(yōu)點(diǎn)，為相似材料模型實(shí)驗(yàn)觀測(cè)提供新技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：近景攝影測(cè)量；相似材料模擬實(shí)驗(yàn)；開(kāi)采沉陷

相似材料模擬實(shí)驗(yàn)因其成本低、成果直觀、易重復(fù)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛地應(yīng)用到煤礦開(kāi)采沉陷相關(guān)問(wèn)題的研究中[1]。模型的觀測(cè)是相似材料模擬實(shí)驗(yàn)中的關(guān)鍵一步，所得數(shù)據(jù)直接影響實(shí)驗(yàn)成果的質(zhì)量。傳統(tǒng)觀測(cè)方法有：燈光透鏡法、全站儀法和三維激光掃描等。

燈光透鏡法曾被廣泛采用，該方法技術(shù)成熟，但是工作量大、設(shè)備穩(wěn)定性較差、透鏡安裝麻煩且精度難以保證，如今已很少被采用。全站儀觀測(cè)法使用全站儀無(wú)棱鏡模式，操作靈活方便，但是不能實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)，且影響實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。三維激光掃描法有測(cè)量速度快的優(yōu)點(diǎn)，但是它的測(cè)量精度受到物體材料及其表面特性的制約，物體反光能力較強(qiáng)會(huì)降低測(cè)量精度。此外，三維激光掃描系統(tǒng)價(jià)格昂貴，普通用戶難以承受[2-5]。

近景攝影測(cè)量是指在近距離內(nèi)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行拍攝，然后加工處理，確定它的大小、形狀和幾何位置的技術(shù)[6]。將近景攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用到相似材料模型觀測(cè)中較傳統(tǒng)方法有著非接觸、快速、精度可靠和信息量大等優(yōu)點(diǎn)。

1 近景攝影測(cè)量的原理與系統(tǒng)

1.1攝影測(cè)量原理

近景攝影測(cè)量是基于幾何透視原理，用相機(jī)從不同角度多次拍攝物體，利用前方交會(huì)的方法解算出立體像對(duì)的空間三維坐標(biāo)。

在近景攝影測(cè)量中為了確保特征識(shí)別的準(zhǔn)確和精度，便于多幅圖像特征點(diǎn)的匹配，可以在待測(cè)物體表面放置一些容易識(shí)別的參考點(diǎn)。參考點(diǎn)可以分為編碼點(diǎn)和非編碼點(diǎn)兩種。

編碼參考點(diǎn)由一個(gè)中心點(diǎn)和周圍的環(huán)狀編碼組成。每個(gè)點(diǎn)有自己固定的編號(hào)，被拍攝后能夠被近景攝影測(cè)量系統(tǒng)的軟件自動(dòng)識(shí)別和計(jì)算[7]。

非編碼參考點(diǎn)是有一定半徑的環(huán)形圓點(diǎn)，測(cè)量中對(duì)它自動(dòng)編號(hào)，以得到被測(cè)物體相關(guān)點(diǎn)位的坐標(biāo)信息。

1.2 近景攝影測(cè)量系統(tǒng)

市場(chǎng)上成熟的近景攝影測(cè)量系統(tǒng)有德國(guó)的GOM公司的TRITOP系統(tǒng)、AICON公司的DAP-pro系統(tǒng)等。本文主要介紹的是西安交通大學(xué)數(shù)字近景工業(yè)攝影測(cè)量系統(tǒng)（XJTUDP）。

XJTUDP的系統(tǒng)組成包括：

（1）數(shù)碼相機(jī)；

（2）參考點(diǎn)：包括編碼點(diǎn)和非編碼點(diǎn)兩種；

（3）高精度定標(biāo)尺：刻度尺作為測(cè)量結(jié)果的比例，長(zhǎng)度被精確測(cè)定；

（4）計(jì)算機(jī)：用來(lái)安裝系統(tǒng)軟件

（5）測(cè)量系統(tǒng)軟件：安裝在計(jì)算機(jī)上。利用拍攝的多幅數(shù)字圖像， XJTUDP系統(tǒng)軟件可以自動(dòng)識(shí)別圖像上的標(biāo)志點(diǎn)并計(jì)算出其精確的三維坐標(biāo)，其解算步驟可分三步：標(biāo)志點(diǎn)的像點(diǎn)中心計(jì)算、圖片匹配、共線方程式的解算[8]。

2 精度評(píng)定

2.1 評(píng)定方案設(shè)計(jì)

XJTUDP攝影測(cè)量系統(tǒng)的標(biāo)稱單點(diǎn)點(diǎn)位精度為0.03mm-0.1mm。精度評(píng)定實(shí)驗(yàn)中為了避免多個(gè)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換帶來(lái)的誤差，采用了在相同觀測(cè)條件下，對(duì)多個(gè)點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)多次拍攝，測(cè)量多個(gè)固定點(diǎn)之間的距離，計(jì)算相同條件下多次觀測(cè)的距離誤差。之后，通過(guò)誤差傳播律來(lái)計(jì)算系統(tǒng)的點(diǎn)位誤差，實(shí)現(xiàn)XJTUDP系統(tǒng)點(diǎn)位精度的評(píng)定。

本文設(shè)計(jì)了精度評(píng)定方案，在地面布設(shè)一系列觀測(cè)點(diǎn)，采用NikonD80相機(jī)對(duì)它一起觀測(cè)，共采集了14組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，選擇8--9、40--54、30--34、37--38、50--28及54--66等六組距離作為比較對(duì)象。

2.2 數(shù)據(jù)處理和分析

中誤差σ是精度評(píng)定的指標(biāo)。假設(shè)各點(diǎn)的中誤差均為σ，又假設(shè)坐標(biāo)點(diǎn)在三個(gè)坐標(biāo)軸方向的中誤差均相等，那么根據(jù)誤差傳播率就可以推算得到點(diǎn)位中誤差是距離中誤差的 倍。

中誤差計(jì)算公式如下：

（1）

計(jì)算結(jié)果顯示，兩點(diǎn)間距離中誤差的最大值為0.070mm，最小值為0.035 mm。一般而言點(diǎn)位中誤差與距離中誤差的比值在1.13到1.50之間[9]，取平均值1.31則點(diǎn)位中誤差最大值為0.092mm，最小值為0.046mm 。儀器精度評(píng)定結(jié)果基本滿足XJTUDP三維光學(xué)攝影測(cè)量系統(tǒng)的標(biāo)稱精度要求的0.03mm-0.1mm。

3 應(yīng)用案例

經(jīng)過(guò)上面對(duì)近景攝影測(cè)量原理和系統(tǒng)的介紹和精度的評(píng)定，下面用XJTUDP近景攝影測(cè)量系統(tǒng)對(duì)相似材料模型實(shí)驗(yàn)進(jìn)行一次觀測(cè)。

3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

本文采用煤層傾角為00的相似材料模型。模型的相似系數(shù)選擇了1：200，模型架長(zhǎng)度為3m，模型架高2m，厚度為0.3m。

3.2 觀測(cè)方案設(shè)計(jì)

觀測(cè)點(diǎn)的布設(shè)要求為：

（1）觀測(cè)點(diǎn)的布設(shè)范圍應(yīng)該大于模型形變區(qū)域的范圍；

（2）編碼點(diǎn)（觀測(cè)控制點(diǎn)）布設(shè)在模型架的兩側(cè)和上下端橫梁觀測(cè)點(diǎn)；

（3）非編碼點(diǎn)（觀測(cè)點(diǎn)）沿著巖層布設(shè)，變形劇烈區(qū)域，比如采空區(qū)上方，應(yīng)該增加觀測(cè)點(diǎn)的密度。

3.3 數(shù)據(jù)采集

使用數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，為了采集得到數(shù)據(jù)的多角度、多層次，拍攝從三個(gè)水平方向拍攝，0水平為正常站立拍攝，+1水平為以站在板凳等物體上進(jìn)行拍攝，-1水平為以下蹲的方式拍攝，位于同一水平拍攝時(shí)要有四個(gè)位置，圖1為具體的攝站布置。

3.4 數(shù)據(jù)處理及分析

相似模擬材料模型不同時(shí)刻的觀測(cè)數(shù)據(jù)要轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的坐標(biāo)系才能進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。為此XJTUDP系統(tǒng)設(shè)置了3-2-1坐標(biāo)對(duì)齊功能，其原理如圖2所示，由3個(gè)點(diǎn)確定一個(gè)面，設(shè)為Z面；然后指定2個(gè)點(diǎn)，可以確定出通過(guò)這2個(gè)點(diǎn)并和Z面垂直的面，設(shè)為X面；最后再指定1個(gè)點(diǎn)，確定出通過(guò)這個(gè)點(diǎn)并和X面和Z面都垂直的面，設(shè)為Y面，并能確定出它們的交點(diǎn)，即原點(diǎn)，至此就確定了一個(gè)唯一的坐標(biāo)系。3-2-1坐標(biāo)對(duì)齊需6個(gè)全局標(biāo)志點(diǎn)，一般從模型架及橫梁上固定不動(dòng)的編碼點(diǎn)中選擇，其中兩個(gè)點(diǎn)應(yīng)該為確定鉛垂線的編碼點(diǎn)中的兩個(gè)點(diǎn)。

不同時(shí)刻的觀測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)經(jīng)3-2-1對(duì)齊被換到了同一坐標(biāo)系統(tǒng)下，計(jì)算同一觀測(cè)點(diǎn)不同時(shí)刻的坐標(biāo)差值，即可求得該點(diǎn)的變形量。提取各個(gè)巖層的各排觀測(cè)點(diǎn)，繪制開(kāi)采前后的下沉與水平移動(dòng)曲線。圖3和圖4為觀測(cè)所得的下沉及水平移動(dòng)曲線（曲線均未進(jìn)行異常改正）。

所得的下沉曲線反映了連續(xù)平穩(wěn)的下沉過(guò)程，沒(méi)有出現(xiàn)粗差以及異常點(diǎn)。水平移動(dòng)曲線中的跳躍部分是模型表面裂縫的部位。可見(jiàn)近景攝影測(cè)量技術(shù)對(duì)本次的相似材料模型觀測(cè)是比較理想的，所得的下沉曲線符合開(kāi)采沉陷基本規(guī)律。

4 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)本次試驗(yàn)可以得到以下結(jié)論：

（1）近景攝影測(cè)量技術(shù)是非接觸測(cè)量手段，通過(guò)拍攝即可獲得目標(biāo)大量的物理和幾何信息，容易操作且速度快。

（2）相似材料模型觀測(cè)中用近景攝影測(cè)量技術(shù)比傳統(tǒng)的方法具有更高的穩(wěn)定性和更高的精度。

（3）采用近景攝影測(cè)量技術(shù)觀測(cè)得到的結(jié)果符合開(kāi)采沉陷的基本規(guī)律，此方法是進(jìn)行相似材料模型觀測(cè)的有效方法。

參考文獻(xiàn)：

[1] 何國(guó)清，楊倫，凌賡娣等.礦山開(kāi)采沉陷學(xué)[M]徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社.

[2] 蘇景嵐，郭江潮. 相似材料模擬在開(kāi)采沉陷研究中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2015，（7）：147-149

作者簡(jiǎn)介：

柳炳俊，（1985-），男，山東蓬萊人，工程師，碩士研究生學(xué)歷，2011年畢業(yè)于中國(guó)海洋大學(xué)，主要從事瓦斯治理，煤炭生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作。