近景攝影測量技術在相似材料模型觀測中的應用

柳炳俊 楊洋 涂輝 郝元偉

摘 要：相似材料模擬實驗是研究開采沉陷規律的重要方法，然而現有相似材料模型觀測手段存在精度低、工作量大、穩定性差等缺點。針對現有觀測方法的不足，本文引進了近景攝影測量的方法，介紹了近景攝影測量的原理與系統，評價了該方法的觀測精度，并采用該技術對相似材料模型實驗進行了觀測，得到了較為理想的下沉曲線與水平移動曲線。實例表明該方法觀測相似材料模型有著速度快、精度高、穩定性高、信息量大等優點，為相似材料模型實驗觀測提供新技術支持。

關鍵詞：近景攝影測量；相似材料模擬實驗；開采沉陷

相似材料模擬實驗因其成本低、成果直觀、易重復等優點被廣泛地應用到煤礦開采沉陷相關問題的研究中[1]。模型的觀測是相似材料模擬實驗中的關鍵一步，所得數據直接影響實驗成果的質量。傳統觀測方法有：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，該方法技術成熟，但是工作量大、設備穩定性較差、透鏡安裝麻煩且精度難以保證，如今已很少被采用。全站儀觀測法使用全站儀無棱鏡模式，操作靈活方便，但是不能實時獲取數據，且影響實驗的準確性。三維激光掃描法有測量速度快的優點，但是它的測量精度受到物體材料及其表面特性的制約，物體反光能力較強會降低測量精度。此外，三維激光掃描系統價格昂貴，普通用戶難以承受[2-5]。

近景攝影測量是指在近距離內對目標進行拍攝，然后加工處理，確定它的大小、形狀和幾何位置的技術[6]。將近景攝影測量技術應用到相似材料模型觀測中較傳統方法有著非接觸、快速、精度可靠和信息量大等優點。

1 近景攝影測量的原理與系統

1.1攝影測量原理

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

在近景攝影測量中為了確保特征識別的準確和精度，便于多幅圖像特征點的匹配，可以在待測物體表面放置一些容易識別的參考點。參考點可以分為編碼點和非編碼點兩種。

編碼參考點由一個中心點和周圍的環狀編碼組成。每個點有自己固定的編號，被拍攝后能夠被近景攝影測量系統的軟件自動識別和計算[7]。

非編碼參考點是有一定半徑的環形圓點，測量中對它自動編號，以得到被測物體相關點位的坐標信息。

1.2 近景攝影測量系統

市場上成熟的近景攝影測量系統有德國的GOM公司的TRITOP系統、AICON公司的DAP-pro系統等。本文主要介紹的是西安交通大學數字近景工業攝影測量系統（XJTUDP）。

XJTUDP的系統組成包括：

（1）數碼相機；

（2）參考點：包括編碼點和非編碼點兩種；

（3）高精度定標尺：刻度尺作為測量結果的比例，長度被精確測定；

（4）計算機：用來安裝系統軟件

（5）測量系統軟件：安裝在計算機上。利用拍攝的多幅數字圖像， XJTUDP系統軟件可以自動識別圖像上的標志點并計算出其精確的三維坐標，其解算步驟可分三步：標志點的像點中心計算、圖片匹配、共線方程式的解算[8]。

2 精度評定

2.1 評定方案設計

XJTUDP攝影測量系統的標稱單點點位精度為0.03mm-0.1mm。精度評定實驗中為了避免多個坐標系轉換帶來的誤差，采用了在相同觀測條件下，對多個點進行連續多次拍攝，測量多個固定點之間的距離，計算相同條件下多次觀測的距離誤差。之后，通過誤差傳播律來計算系統的點位誤差，實現XJTUDP系統點位精度的評定。

本文設計了精度評定方案，在地面布設一系列觀測點，采用NikonD80相機對它一起觀測，共采集了14組實驗數據，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象。

2.2 數據處理和分析

中誤差σ是精度評定的指標。假設各點的中誤差均為σ，又假設坐標點在三個坐標軸方向的中誤差均相等，那么根據誤差傳播率就可以推算得到點位中誤差是距離中誤差的 倍。

中誤差計算公式如下：

（1）

計算結果顯示，兩點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則點位中誤差最大值為0.092mm，最小值為0.046mm 。儀器精度評定結果基本滿足XJTUDP三維光學攝影測量系統的標稱精度要求的0.03mm-0.1mm。

3 應用案例

經過上面對近景攝影測量原理和系統的介紹和精度的評定，下面用XJTUDP近景攝影測量系統對相似材料模型實驗進行一次觀測。

3.1 實驗模型設計

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

3.2 觀測方案設計

觀測點的布設要求為：

（1）觀測點的布設范圍應該大于模型形變區域的范圍；

（2）編碼點（觀測控制點）布設在模型架的兩側和上下端橫梁觀測點；

（3）非編碼點（觀測點）沿著巖層布設，變形劇烈區域，比如采空區上方，應該增加觀測點的密度。

3.3 數據采集

使用數碼相機進行數據采集，為了采集得到數據的多角度、多層次，拍攝從三個水平方向拍攝，0水平為正常站立拍攝，+1水平為以站在板凳等物體上進行拍攝，-1水平為以下蹲的方式拍攝，位于同一水平拍攝時要有四個位置，圖1為具體的攝站布置。

3.4 數據處理及分析

相似模擬材料模型不同時刻的觀測數據要轉換到統一的坐標系才能進行數據處理。為此XJTUDP系統設置了3-2-1坐標對齊功能，其原理如圖2所示，由3個點確定一個面，設為Z面；然后指定2個點，可以確定出通過這2個點并和Z面垂直的面，設為X面；最后再指定1個點，確定出通過這個點并和X面和Z面都垂直的面，設為Y面，并能確定出它們的交點，即原點，至此就確定了一個唯一的坐標系。3-2-1坐標對齊需6個全局標志點，一般從模型架及橫梁上固定不動的編碼點中選擇，其中兩個點應該為確定鉛垂線的編碼點中的兩個點。

不同時刻的觀測數據轉經3-2-1對齊被換到了同一坐標系統下，計算同一觀測點不同時刻的坐標差值，即可求得該點的變形量。提取各個巖層的各排觀測點，繪制開采前后的下沉與水平移動曲線。圖3和圖4為觀測所得的下沉及水平移動曲線（曲線均未進行異常改正）。

所得的下沉曲線反映了連續平穩的下沉過程，沒有出現粗差以及異常點。水平移動曲線中的跳躍部分是模型表面裂縫的部位。可見近景攝影測量技術對本次的相似材料模型觀測是比較理想的，所得的下沉曲線符合開采沉陷基本規律。

4 結束語

經過本次試驗可以得到以下結論：

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

（2）相似材料模型觀測中用近景攝影測量技術比傳統的方法具有更高的穩定性和更高的精度。

（3）采用近景攝影測量技術觀測得到的結果符合開采沉陷的基本規律，此方法是進行相似材料模型觀測的有效方法。

參考文獻：

[1] 何國清，楊倫，凌賡娣等.礦山開采沉陷學[M]徐州：中國礦業大學出版社.

[2] 蘇景嵐，郭江潮. 相似材料模擬在開采沉陷研究中的應用[J].現代礦業，2015，（7）：147-149

作者簡介：

柳炳俊，（1985-），男，山東蓬萊人，工程師，碩士研究生學歷，2011年畢業于中國海洋大學，主要從事瓦斯治理，煤炭生態環境保護工作。