近景攝影測量技術(shù)在煤礦沉陷模型試驗中的應用研究

楊福芹 蔣瑞波 戴華陽 閆偉濤 韓瑞芳

(1.河南工程學院，河南省鄭州市，451191；2.中國礦業(yè)大學(北京) 地球科學與測繪工程學院，北京市海淀區(qū)，100083)

煤礦開采容易引起地表沉陷，給煤礦開采和居民生產(chǎn)生活帶來了不可估量的影響，越來越多的研究者開始關(guān)注煤礦塌陷區(qū)情況。相似材料模擬試驗是根據(jù)相似性原理將礦山巖層按一定比例縮小，用相似材料做成模型來模擬礦山開采，以此研究開采沉陷規(guī)律或解決與開采沉陷有關(guān)的實際工程。

隨著科技的發(fā)展，一種新的技術(shù)——多基線交向攝影測量技術(shù)應用于相似模型試驗中，這種方法采用非接觸式的特點，能實時動態(tài)監(jiān)測模型的沉陷變化情況，外業(yè)測量及內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理工作量大大減少，克服了傳統(tǒng)相似模型這方面的缺點。柯濤等人采用旋轉(zhuǎn)攝影的方法以增大攝影視場角、提高交會的精度，很好地解決了交會攝影時影像難以自動匹配的問題；張浩然等人依據(jù)流動相似理論和幾何相似規(guī)律，在實驗室建立了相似模擬通風系統(tǒng)及采空區(qū)模型，研究表明模擬結(jié)果布置的鉆孔瓦斯抽采量穩(wěn)定，效果顯著；盛業(yè)華等人設(shè)計了塌陷區(qū)數(shù)字近景攝影測量的外業(yè)工作流程和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理方法，表明該方法可以很好的計算出塌陷區(qū)的下陷情況；楊化超等人提出了利用數(shù)字攝影測量技術(shù)對相似模型材料進行拍攝，用支持向量機算法對變形點和非變形點進行識別，利用自檢校光束平差法實現(xiàn)對數(shù)碼影像的處理，從而可以更好地監(jiān)測模型的實時變形過程；任偉中等人將數(shù)字化近景攝影測量應用于巖土工程相似模型試驗中，結(jié)果表明該方法應用于巖土工程相似模型中所測位移場規(guī)律性很好，與常規(guī)方法所測的差值在30%以內(nèi)；李欣等人研究在采礦物理模型上模擬地下開采與民采的共同作用下，使用普通數(shù)碼相機獲得在模型豎直表面布置的215個變形監(jiān)測點的變形情況，得到巖層移動和地表變形分析所需要的數(shù)據(jù)；吳作啟等人編寫了一套相似材料模擬實驗變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理軟件，并應用于中國遼寧南票礦區(qū)大窯溝煤礦某采煤工作面，取得了良好的應用效果。

上述研究主要側(cè)重于非數(shù)碼相機獲得變形點的位移矢量流程，而未從相機拍攝方式和坐標轉(zhuǎn)換角度對變形點坐標的影響進行深入分析。為此，本文基于三維光學攝影測量系統(tǒng)，對拍攝方式及拍攝流程在不同時刻獲得的觀測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一基準坐標系下的坐標轉(zhuǎn)換模型進行了研究。

本研究以開灤集團錢家營礦地質(zhì)采礦條件為依據(jù)，模擬協(xié)調(diào)式充填開采技術(shù)對巖層與地表移動規(guī)律的影響。錢家營礦七采區(qū)位于錢家營礦井田西翼-850 m以上生產(chǎn)水平，松散層厚度為263～314 m，平均厚度為275 m。主要模擬12-1煤層，其平均厚度為3.10 m，直接頂為黑色腐泥質(zhì)粘土巖，厚度為4 m。

1 條帶式攝影測量技術(shù)及羅德里格矩陣簡介

模型試驗中的條帶式攝影測量技術(shù)是指參照相似材料模型的尺寸和非量測相機的覆蓋范圍，將模型按水平方向合理設(shè)計若干條帶進行拍攝，以達到獲取模型監(jiān)測點坐標信息的目的。在每個攝站點手持數(shù)碼相機，采用多重交向攝影測量的方法進行拍攝，對相似材料模型上每個條帶進行連續(xù)攝影，每個攝站相機水平拍攝6張照片，同一位置將相機旋轉(zhuǎn)90°，拍攝3張，最后將所有攝站的照片導入三維光學攝影測量系統(tǒng)，利用XJTUDP軟件解算靜態(tài)攝影測量工程可以得到各標志點的三維坐標。

西安交通大學研發(fā)的三維光學攝影測量系統(tǒng)(XJTUDP)，可以將不同時刻不同狀態(tài)的數(shù)據(jù)通過控制點進行坐標轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換到同一坐標系統(tǒng)下，進而研究變形點的變形情況。但是在轉(zhuǎn)換過程中人為誤差性較大，選用不同控制點進行組合，其出現(xiàn)誤差值大小也不同。針對這一問題，基于羅德里格矩陣公式及性質(zhì)，提出了利用平移矩陣的計算模型以及旋轉(zhuǎn)矩陣的誤差方程以減小控制點轉(zhuǎn)換誤差的影響，根據(jù)坐標轉(zhuǎn)換的物理過程見式(1)：

(1)

式中：X，Y，Z——物方坐標；

根據(jù)(1)式可得坐標轉(zhuǎn)換模型誤差方程見式(2)：

(2)

令

則見式(3)：

V=a-Rb-T

(3)

根據(jù)最小二乘原理，見式(4):

∑VTV=min

(4)

式(4)對T求偏導，則得式(5)：

T=ag-Rbg

(5)

式中:

從式(5)可以看出，只要將各個坐標系下的控制點進行重心化計算，由計算出的旋轉(zhuǎn)矩陣R，帶入式(5)即可求出平移參數(shù)T。

2 精度評定

坐標轉(zhuǎn)換的精度對評價相似材料模型不同時刻，不同狀態(tài)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一坐標系的結(jié)果起著決定性的影響，精度越高說明轉(zhuǎn)換模型性質(zhì)越優(yōu)良。相似材料模型是分析地表和巖層的下沉和水平移動趨勢，因此試驗中只統(tǒng)計平面精度見式(6)：

(6)

式中：Xi，Zi——原坐標系中的坐標值；

xi，zi——轉(zhuǎn)換后的坐標值；

n——控制點個數(shù)，σ2越小說明轉(zhuǎn)換結(jié)果的精度越高。

3 試驗及結(jié)果分析

本文以開灤集團錢家營礦12-1深部開采工作面為藍本建立相似材料模型試驗，相似材料模型尺寸長度為3 m，高度為1.8 m。在模型鋼結(jié)構(gòu)架的兩側(cè)及上中下固定橫梁上布設(shè)了39個控制點，模型表面布設(shè)了85個變形監(jiān)測點。根據(jù)模型試驗所需測量精度要求、攝影測量系統(tǒng)引起誤差的因素，設(shè)計了攝影測量用于相似材料模型的攝影流程如下：

(1)根據(jù)相似材料模型試驗要求，在模型鋼結(jié)構(gòu)架和表面上布設(shè)控制點和變形監(jiān)測點，控制點布設(shè)在穩(wěn)固的鋼結(jié)構(gòu)架兩側(cè)及上中下固定橫梁上，變形監(jiān)測點布置在相似材料模型的豎直表面，標志點和條帶攝影示意圖如圖1所示。

(2)根據(jù)模型架的寬度和高度，設(shè)置攝影距離為3 m，3個攝站中每個攝站采用兩個水平，與模型等高和1/2模型高度，與模型等高表示站在板凳上對相似材料模型進行水平和旋轉(zhuǎn)拍攝，1/2模型高度表示半蹲對相似材料模型進行水平和旋轉(zhuǎn)拍攝，攝站布置和照片條帶拍攝示意圖如圖2所示。

圖1 標志點和條帶攝影示意圖

(3)在每個攝站上手持數(shù)碼相機，對相似材料模型進行多基線交向攝影測量。水平拍攝時，把相似材料模型分為2個條帶，按照傳統(tǒng)航空攝影測量中“航帶”的思想對相似材料模型進行“條帶”拍攝。保證了在每個攝站對相似材料模型的大重疊度攝影，提高了自動匹配的精度，如圖2(b)中的黑線所示。

(4)在每一個攝站上，水平拍攝完畢后，將相機旋轉(zhuǎn)90°，按照傳統(tǒng)航空攝影測量中“旁向”拍攝模式對相似材料模型拍攝3張照片，保證了照片90%以上的重疊，如圖2(b)中的紅線所示。

試驗拍攝了2組變形監(jiān)測點不動的數(shù)據(jù)，數(shù)碼相機采用尼康D90，主要參數(shù)為相機分辨率4288×2848，傳感器尺寸為23.6 mm×15.8 mm，焦距為24 mm。按式(4)解算出來的反對稱矩陣3個元素分別是-1.1647 mm、0.3798 mm、-0.4575 mm。由羅德里格矩陣R計算出旋轉(zhuǎn)矩陣見式(7)：

(7)

由公式(5)求出的平移矩陣見式(8):

(8)

將8組第一次拍攝的控制點坐標作為原始值，把基于羅德里格矩陣三維坐標轉(zhuǎn)換算法解算的坐標當作觀測值，采用外精度進行精度統(tǒng)計，并與三維光學攝影測量系統(tǒng)解算的精度進行對比，各點轉(zhuǎn)換精度結(jié)果見表1。

圖2 攝站布置和照片條帶拍攝示意圖

表1 各點轉(zhuǎn)換精度

由表1可以看出，采用本文提出的羅德里格矩陣三維坐標轉(zhuǎn)換平差模型，測量精度(m=0.011 mm)遠遠高于三維光學攝影系統(tǒng)解算的精度(m=0.171 mm)，這種方法可以用于相似材料模型巖層移動和地表變形分析。

把第二次的觀測數(shù)據(jù)分別通過三維光學攝影測量系統(tǒng)軟件和本文提出的算法轉(zhuǎn)換到基準狀態(tài)下，由同一點位不同時刻的坐標值，計算出監(jiān)測點坐標受拍攝方式、坐標轉(zhuǎn)換等誤差影響的位移矢量圖(放大1000倍)。三維光學攝影測量軟件解算的誤差矢量圖如圖3所示，羅德里格矩陣三維坐標轉(zhuǎn)換誤差矢量圖如圖4所示。

圖3 三維光學攝影測量軟件解算的誤差矢量圖

圖4 羅德里格矩陣三維坐標轉(zhuǎn)換誤差矢量圖

由圖3和圖4可以看出，采用羅德里格矩陣進行三維坐標轉(zhuǎn)換，可以大大提高控制點的平面轉(zhuǎn)換精度，完全可以滿足相似材料模型變形測量精度的要求。

4 結(jié)論

(1)利用非量測相機采用非固定攝站自由直接拍攝技術(shù)，針對不同的拍攝模式對近景攝影測量誤差影響的差異性，設(shè)計了一套高精度的多基線交向攝影流程，并將其成功應用于模擬煤礦開采沉陷規(guī)律研究的相似材料模型試驗中。

(2)針對三維光學攝影測量系統(tǒng)坐標轉(zhuǎn)換帶來的偏差，嚴重影響相似材料模型微小變形所要求的觀測精度的問題，提出了基于羅德里格矩陣的坐標轉(zhuǎn)換平差模型，解決了控制點分布不均造成的監(jiān)測點解算精度不均的問題，取得了良好的應用效果，完全可以滿足相似材料模型變形測量精度的要求。