CN101469615A - 一种用于煤矿安全预警的数字近景摄影测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于煤矿安全预警的数字近景摄影测量方法，包括以下步骤：在矿井坑道的特征部位设定一定数量的特征点，对特征点布设经编码的RRT标志，形成监测点；拍摄像片：由专业相机在不同的位置对矿井坑道的同一特征部位进行拍摄，获取矿井坑道特征部位两张不同角度的影像；影像处理：计算机系统对影像进行处理，得到监测点的三维坐标；获取变形量：设定时间段，重复拍摄像片和影像处理步骤，进行连续测量，以获取不同测量周期内的监测点的三维坐标，并将后续周期与初始获取的监测点的三维坐标比较，得到监测点的变形量；对监测点的三维坐标变形量分析，得出煤矿安全预警信息。该方法具有测量精度高、适于实用、非接触测量的显著特点。

Description

一种用于煤矿安全预警的数字近景摄影测量方法

技术领域

本发明涉及一种用于煤矿的安全预警方法，具体的说，涉及一种用于煤矿安全预警的数字近景摄影测量方法。

背景技术

矿山灾害事故随采深增加而逐年加重，2006年我国煤矿平均开采深度为431m，平均每年增加10m～20m，瓦斯压力平均每年增加0.1MPa～0.3MPa，绝对瓦斯涌出量年增加15亿m³，低瓦斯矿井逐步变为高瓦斯、煤与瓦斯突出的矿井；瓦斯、冲击地压、水灾、热害威胁使事故发生的危险不断加剧；

同时，由于对煤矿灾害事故的致灾机理认识不清，监测监控、灾害预警、地质构造探查等方面的关键技术未能取得突破，煤矿安全技术基础性工作薄弱，亟待加以研究解决。

近年，随着煤矿安全预警技术研究的深入，对重大危险源和隐患进行监控预警，并变事故处理为事故预防，把事故消灭在萌芽状态，已经逐步得到人们的认识。

数字摄影测量具有精度高、非接触和便携的优点，在工业和工程测量中具有广泛的应用；将该技术应用于煤矿坑道的三维建模，对坑道变形进行监测，对于煤矿的安全预警具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，从而提供一种用于煤矿安全预警的数字近景摄影测量方法，该方法测量精度高，适于实用，具有非接触测量的特点。

本发明的目的是通过下面的技术方案来实现的：

一种用于煤矿安全预警的数字近景摄影测量方法，该方法包括以下步骤：

(1)、布设标志：在矿井坑道的特征部位设定一定数量的特征点，对所述特征点布设RRT标志，并对RRT标志编码，以形成矿井坑道监测点；

(2)、拍摄像片：由两台专业相机在不同的位置对矿井坑道的同一特征部位进行拍摄，获取矿井坑道特征部位两张不同角度的影像；

(3)、影像处理：计算机系统对获得的两张不同角度的影像进行影像处理，得到所述矿井坑道监测点的三维坐标；

(4)、获取变形量：设定时间段，重复步骤(2)和步骤(3)，进行连续测量，以获取不同测量周期内的所述矿井坑道监测点的三维坐标，并将后续周期获取的所述矿井坑道监测点的三维坐标与初始获取的所述矿井坑道监测点的三维坐标进行比较，得到所述矿井坑道监测点的变形量；

(5)、分析变形量：对所述矿井坑道监测点的三维坐标变形量进行分析，得出煤矿安全预警信息。

本发明相对于现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步性，具体的说，有以下有益效果：

1、数字近景摄影测量具有精度高、非接触测量和便携等特点，将该技术应用在煤矿安全预警中，产生了明显的社会效益和经济效益；

2、通过利用摄影测量技术对煤矿坑道的测量，可以发现坑道变形，在坑道塌方发生前采取安全保护措施，达到安全预警的目的；

3、煤矿发生事故时，对于救灾指挥中心而言，一方面需要准确掌握事故现场的情况，另一方面要了解事故可能的发展趋势，甚至有时需要进行远程指挥，地下煤矿的三维模型可以辅助决策者更准确、更快速的制定救灾决策。

附图说明

图1是本发明所述立体像对的示意图；

图2是本发明所述隧道表面RRT标志影像的示意图；

图3是本发明所述典型编码标志的类型示意图；

图4是本发明所述坑道标志布设平面示意图。

具体实施方式

为了更进一步的说明本发明的优点和技术特征，下面结合附图给出本发明的具体实施方式：

一种用于煤矿安全预警的数字近景摄影测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)、布设标志：在矿井坑道的特征部位设定一定数量的特征点，对所述特征点布设RRT标志，并对RRT标志编码，以形成矿井坑道监测点；

(2)、拍摄像片：由两台专业相机在不同的位置对矿井坑道的同一特征部位进行拍摄，获取矿井坑道特征部位两张不同角度的影像；

(3)、影像处理：计算机系统对获得的两张不同角度的影像进行影像处理，得到所述矿井坑道监测点的三维坐标；

(4)、获取变形量：设定时间段，重复步骤(2)和步骤(3)，进行连续测量，以获取不同测量周期内的所述矿井坑道监测点的三维坐标，并将后续周期获取的所述矿井坑道监测点的三维坐标与初始获取的所述矿井坑道监测点的三维坐标进行比较，得到所述矿井坑道监测点的变形量；

(5)、分析变形量：对所述矿井坑道监测点的三维坐标变形量进行分析，得出煤矿安全预警信息。

摄影测量基本原理：

由一台或两台相机在不同的位置或摄站对同一物体进行拍摄，获取被测目标的两张不同角度的像片，叫做立体像对或模型，在计算机视觉领域把这一过程称为双目立体视觉。

图1表示一个立体像对，物方点P在像片1和像片2上的成像分别为p1和p2，p1和p2称为相应像点，也称同名像点；物方点P、投影中心S1和S2三点共面，该平面叫做物方点P的核面；核面与像平面的交线(l₁和l₂)叫做核线；显然，相应像点p1和p2一定在相应的核线l₁和l₂上。

立体像对经过相对定向和绝对定向就可以由同名像点坐标解算出对应的物方点在真实空间中的坐标。相对定向就是要恢复摄影时左右相片的摄影光束的相互关系，它采用两幅影像的角元素实现相对定向，其定向元素为

它不需要地面控制点，利用左右像片上的5对同名像点即可解得相对定向的5个定向参数；立体像对经相对定向所建立的立体模型是以像空间辅助坐标系为基准的，比例尺是任意的，要想获取待定点的物方空间坐标还需要绝对定向。

借助于物空间坐标已知的控制点来确定像空间辅助坐标系和地面坐标系之间的变换关系，称为空间模型的绝对定向；绝对定向通常采用7参数模型(X₀ Y₀ Z₀ ω θ 

 k)，其中(X₀，Y₀，Z₀)为三个平移参数，(ω，θ，

)为三个分别绕X、Y、Z旋转的角度参数，k为尺度因子，R为由角度参数组成的旋转矩阵。设(X_G Y_G Z_G)为某点的物方空间坐标，(X Y Z)为该点的像空间辅助坐标系中的坐标，则它们有如式(1)的关系。只要利用三个控制点的物方空间坐标和计算所得的像空间辅助坐标就可解得7个参数。这样，通过绝对定向所有模型中的坐标都可以转换得到其物方空间坐标。

由于煤矿的坑道属于长廊型结构，在实际作业当中需要处理的不仅仅是一个独立的单元模型，需要同时处理多个连续的模型，这样就不能保证每个单元模型都有足够数量的地面控制点进行绝对定向。这时往往需要一些连接点(在相邻的两个单元模型中都有模型坐标的点)将该区域的所有模型统一到同一模型空间中，使它们具有统一的模型比例尺。从数学上来讲模型的拼接和绝对定向都属于不同原点的三维空间相似变换问题，所以模型的拼接也是通过式(1)来实现的。

煤矿坑道中摄影测量的具体实施：

在煤矿中进行摄影测量与航空、航天摄影测量不同，前者只需要在被摄对象的特征部位布设一定数量的特征点，解算这些特征点的坐标，达到以点带面的目的。

这样一方面可以保证或提高测量精度和可靠性，另一方面，它也是自动化量测的重要条件。

近年来，一种新型的材料，定向反光材料被用来制作成定向反光标志RRT(retro-reflective target)，它的特点是反射亮度比漫射白色标志高出数百甚至上千倍，可以轻松得到被测目标物自身影像“消隐”，RRT标志的构像却特别清晰而突出的“准二值影像”，故RRT标志在工业测量中已广为应用，该标志即使在煤矿坑道昏暗的条件下也可以清晰成像；图2是某隧道表面的RRT标志影像；

虽然普通RRT标志在立体像对的左右影像中可以清晰成像，立体像对的自动相对定向需要不少于5对同名像点，这时需要借助编码标志。对普通标志进行编码使其具有唯一的身份信息，这样就可以对这些标志实现自动的探测、识别和量测。

目前，编码标志主要分为两大类，一种是同心圆环型，如图3中的(a)和(b)，另一种是点分布型，如图3中的(c)和(d)；目前，编码标志已在数字近景摄影测量的研究和应用中广泛运用。

借助于编码标志可以使计算机自动在立体像对中识别同名点，尤其是识别连接点，这样可以实现像对定向的自动化。

坑道属于长廊型结构，可以布设成如图4所示的结构，深色的同名点采用编码标志，其它同名点采用普通标志。

这样的布设结构可以保证每个立体像对可以实现自动定向，并且通过连接点各个立体像对还可以统一到同一模型空间，煤矿坑道中摄影测量的主要工作便是标志的布设和像片的拍摄；影像处理在软件中自动完成。

实践证明任何事故的发生发展都有征兆出现，即安全状态信息，这些信息大多数是可观测的，有些还是可控的；倘若有先进、可靠的监控预警系统，完全可能避免事故的发生，至少能够把事故所造成的损失和影响降到最低程度；而利用数字近景摄影测量系统对煤矿坑道进行三维测量可以快速获取其三维模型，具有重要意义。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (1)

1、一种用于煤矿安全预警的数字近景摄影测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)、布设标志：在矿井坑道的特征部位设定一定数量的特征点，对所述特征点布设RRT标志，并对RRT标志编码，以形成矿井坑道监测点；

(2)、拍摄像片：由两台专业相机在不同的位置对矿井坑道的同一特征部位进行拍摄，获取矿井坑道特征部位两张不同角度的影像；

(3)、影像处理：计算机系统对获得的两张不同角度的影像进行影像处理，得到所述矿井坑道监测点的三维坐标；

(4)、获取变形量：设定时间段，重复步骤(2)和步骤(3)，进行连续测量，以获取不同测量周期内的所述矿井坑道监测点的三维坐标，并将后续周期获取的所述矿井坑道监测点的三维坐标与初始获取的所述矿井坑道监测点的三维坐标进行比较，得到所述矿井坑道监测点的变形量；

(5)、分析变形量：对所述矿井坑道监测点的三维坐标变形量进行分析，得出煤矿安全预警信息。

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