煤矿掘进工作面影像地质编录系统研究与开发

刘亚南 ，李 浩，毛羽丰，杨建华 ，杨 彪，苏 博

（1.河海大学 地球工程与工程学院，江苏 南京 210098；2.兖州煤业股份有限公司，山东 济宁272000）

煤矿掘进工作面影像地质编录系统研究与开发

刘亚南1，李 浩1，毛羽丰1，杨建华2，杨 彪1，苏 博1

（1.河海大学 地球工程与工程学院，江苏 南京 210098；2.兖州煤业股份有限公司，山东 济宁272000）

以近景摄影测量理论为基础，研究掘进工作面影像地质编录方法。设计开发了煤矿掘进工作面影像地质编录系统，实现了从原始数据采集到编录成果输出的全数字化作业，以及掘进工作面井下场景的三维重建。实践表明，系统能够快速生成影像地质编录成果，提高了掘进工作面的编录效率和精度。

掘进工作面；DSM ；地质编录 ；系统开发

煤矿井下地质编录对煤矿的安全生产有着重要的影响[1]。传统地质勘测的工作方式是用罗盘、皮尺、地质锤等工具在现场测量描述记录地质现象，根据外业的记录进行内业整理。这种接触式手工操作方法劳动强度大、危险性高、效率低，难以满足煤矿现代化安全生产与技术管理的需求[2]。近年来，许多专家和学者对工程开挖面地质编录进行了大量的研究[3-5]。在此基础上，本文建立了一套适用于煤矿掘进工作面的影像地质编录方法和体系，开发设计了煤矿掘进工作面影像地质编录系统。该系统采用近景摄影测量和数字图像处理的相关理论知识联合应用CAD和GIS技术，对获取的掘进工作面等影像进行处理，快速、准确提取地质编录要素，生成规范的煤矿施工地质编录成果图，并实现编录要素的有效管理与查询检索。

1 系统工作原理及关键技术

系统通过防爆数码相机获取工作面立体影像，对立体影像进行畸变校正、特征点提取与匹配、自动相对定向、基于特殊线段的绝对定向等影像处理过程后，基于影像进行地质编录要素的提取与描述，并通过影像密集匹配重建掘进工作面三维场景，最终输出规范化的编录成果，并实现对编录成果的数据库管理。系统关键技术包括影像匹配、基于特殊线段的绝对定向和影像地质编录。

1.1 掘进工作面影像匹配

影像匹配是数字摄影测量的关键技术之一。在掘进工作面影像立体量测中，采用影像匹配技术以提高同名像点量测的准确性和自动化程度。由于煤矿工作区环境较差，一般的匹配方法不能很好地适合处理掘进工作面影像。SIFT算子能够提供稳定的尺度、旋转以及平移不变等特征，同时对于光照及噪声的影响也具有较强的抵抗性。本文采用SIFT算法进行自动相对定向即通过SIFT算法提取特征点后基于欧氏距离进行初匹配，采用基于相对定向的RANSAC算法误匹配剔除，并获得初始相对定向元素和相邻影像的重叠区域。

由于SIFT算法提取出的同名像点较少，不能构建DSM。掘进工作面立体影像具有摄影比例尺和角度的差异、被摄物体的空间分布不连续、断裂、遮挡，以及纹理单一等特性，故稠密匹配采用概率松弛匹配算法，为DSM的构建提供可靠的高精度点云。

1.2 基于特殊线段的绝对定向

通常绝对定向需要布设足够多的控制点，但煤矿掘进工作面地质条件复杂、工作环境恶劣，布设、量测控制点费时费力，所以常规的绝对定向方法不能满足矿井的实际情况。而煤矿巷道顶部有导向激光，且激光的方位角已知，利用这一现场条件来进行立体模型姿态方位的控制。进而采用一种基于指向激光和铅垂线的摄影测量控制方法，即依靠掘进工作面现场附近的指向激光与在拍摄范围内悬挂的铅垂线来确定像对立体模型的旋转角，利用铅垂线的长度来确定模型的缩放比例，再利用掘进工作面上的激光点坐标确定模型的平移量[6,7]。通过实际操作发现，该方法既能减少现场工作量，又能满足像对定向的控制要求。其基本流程如下：

1）旋转矩阵的计算。相对定向之后已经得到垂线上端点、垂线下端点、激光轴前端点与激光轴后端点之间的相对关系。根据铅垂线在像空间坐标系的坐标，在立体空间3个方向的投影得到3个旋转角j1、j2、j3，9个旋转矩阵元素，最终转换到像空间洞轴坐标系里：

2）比例尺系数的计算。由于像空间巷道轴方向坐标系Z '轴方向就是垂直方向，则比例尺系数λ：

其中L为垂线的长度；Z '上为上方垂线点在像空间巷道轴方向坐标系中的Z坐标，Z ''下为下方垂线点在像空间巷道轴方向坐标系中的Z坐标。

3）平移量的计算。通过公式（3）计算各点在像空间正北坐标系中的坐标，确定模型的方向、比例，根据公式（4）计算模型平移量。

α为指向激光轴前进方向的方位角，XCtrl、YCtrl、ZCtrl为控制点在地面坐标系中坐标；X"Ctrl、Y"Ctrl、Z"Ctrl为控制点在像空间正北方向坐标系中的坐标。

1.3 影像地质编录

地质构造面的产状是以岩层面在空间的延伸方向及其倾斜程度来确定的，即采用岩层面的走向、倾向和倾角来表示，可以通过确定结构面所在的平面方程，即确定一个岩层面上的3个或3个以上点的三维坐标坐标，经过最小二乘拟合，可得到结构面的平面方程，如式（5）：

解出A、B、C的值，设岩层走向为θ（倾向）、倾角为α（倾角）。

平面倾角α的计算方法如下：

倾向和走向相差90°，一旦走向确定，倾向也确定了。

2 系统设计及开发

针对煤矿行业勘测要求及矿井工作环境的特殊性，系统以工程地质和数字摄影测量理论为基础，综合应用近景摄影测量技术、数字图像处理技术和地理信息系统技术，用煤安防爆数码相机采集影像，通过特殊的影像定向定位算法，实现在计算机上完成煤矿编录勘测数据输入、影像自动定向、地质构造特征描绘、产状量测、地质属性录入、生成DSM和图形图像数据的数据查询、AutoCAD成图等功能。

2.1 系统总体设计

基于煤矿掘进工作面的特殊情况设计开发了掘进工作面影像地质编录系统，包括数据准备、影像处理和地质编录等3个主要部分。数据准备部分是为掘进工作面地质编录提供数据源；影像处理通过相对定向和绝对定向计算掘进工作面的定向参数，匹配之后得到物方坐标；地质编录部分将掘进工作面按多种方式地质编录然后输出，根据岩层的走向和倾角及时为工作人员提供地质信息，见图1。

图1 系统工作流程

2.2 功能模块设计

系统基于Visual Studio 2010底层开发与AutoCAD二次开发，以SQL SERVER 2010作为编录成果数据库。共分为5个模块：系统输入模块、图像处理模块、地质编录模块、成果输出模块和可视化查询模块（如图2所示）。

1）输入模块：系统设置了相机参数功能，用于相机内方位元素和畸变参数的设置。通过工作区信息和摄站参数功能将信息输入系统，以达到图像预处理的目的。

2）图像处理模块：图像增强加强用户对图像的目视判读。通过SIFT算法快速找出掘进工作面影像的特征点，提取同名像点，自动计算相对定向元素。基于有向线段的绝对定向可以快速得到绝对定向的3个角元素，节省了大量的计算时间。

3）地质编录模块：编录模块是本系统的核心。地质构造绘制以立体像对为编录底图，通过左右影像绘制构造线；通过找出在构造线上的同名像点，自动计算出岩层的产状；对构造线的属性进行设置，如输入线名、线型、构造线性质等，并将其信息存入构造线属性数据库。

4）输出模块：DSM客观真实地反映物体结构在三维空间上的特征与细节，工作人员可以进一步分析掘进工作面的地质信息；报表直接输出地质编录的重要信息如断层产状、断层性质和素描示意图。

5）查询模块：该模块最大限地发挥系统的优势，灵活地提供各类信息。图形查询显示地质编录三维展示图、地质编录立面展开图，属性查询根据给定条件，由属性表查找相应图形及属性表信息，满足用户及有关部门的需要。

图2 系统主要功能模块

2.3 系统工作流程

现场工作者利用防爆数码相机配合特殊的定向控制方法获取掘进工作面原始影像；内业时系统根据各摄站设置的参数，进行影像畸变校正及影像定向，以掘进工作面立体像对作为编录底图，进行地质要素的绘制、地质信息的录入和产状自动计算；编录完成后，输出符合煤矿专业规范的掘进工作面报表。

3 系统应用及分析

系统已成功应用于国内多家大型煤矿。其中，济宁三号煤矿位于山东省济宁市任城区境内，隶属兖州煤业股份有限公司。井田总面积105.05 km2，局部因受断层牵引影响，倾角变陡，可达18°以上。地质构造复杂，小构造发育，对生产影响很大。在洞轴两侧拍摄立体影像，摄影基线长度约为拍摄距离的1/10。在掘进工作面场景中铅垂悬挂一根长2 m的标杆，作为定长控制垂线；掘进指示激光穿透安装在标杆上透明板，在透明板与工作面上产生两个投影点，将其连线作为已知方位的控制线段。

3.1 影像定向及编录

在掘进工作面相对定向过程中，采用SIFT算法自动提取特征点，左影像有12 343个，右影像有11 678个，匹配出同名像点2 219对，通过误匹配算法剔除错点之后得到同名像点1 515对，如图3所示。经过解算，相对定向的中误差为Mq=0.289像元。

图3 自动相对定向点提取与匹配结果

相对定向完成之后，根据两条控制线段进行绝对定向，得到三维重建的基本参数。再通过密集匹配共采集32 316个三维坐标点，生成的点云如图4所示。采用不规则三角网构建DSM，将原始影像作为纹理，对掘进工作面进行三维重建，如图5所示。

图4 密集匹配生成的三维点云

图5 叠加真实纹理的DSM

分别在左右影像上绘制构造线，完成地质属性录入、产状自动计算后，将地质编录成果包括断层编号、断层产状、断层描述、断层性质、断层示意图以图表形式输出，并将编录成果自动保存到服务器的数据库中。

3.2 地质编录精度分析

为了验证系统的地质编录精度，在实验区选择5组典型结构面。首先用地质罗盘量测出5组结构面的产状，将其多次量测的平均值作为验证值，与本系统量测得到的产状进行对比，结果如表1、2所示。对比结果表明，系统的地质编录产状量测精度能满足生产作业规范要求。

表1 地质编录误差分析

3.3 系统作业效率对比

为验证系统的作业效率，与现有方法进行对比。现有井下地质编录主要采用手工量测方法，这种接触式作业方法需要工作人员直接靠近掘进工作面，危险性较高。此外，现场需要卷尺丈量、测点定位、罗盘量测、手工记录等，每个工作面编录作业人员与作业时间要求也相对较多。与此相比，本文方法采用非接触式作业方法，井下作业内容仅为简易的物方布控和立体摄影，在人员要求、作业安全、作业效率等方面都有绝对优势。对比结果表明，本系统的应用不仅能减少人员数量要求、提高作业安全，还能显著提高作业效率。

表2 地质编录方法效率对比

4 结 语

针对煤矿井下掘进工作面特殊的作业环境，基于近景摄影测量理论方法，研发具有严格精度控制、无控制点依赖的煤矿掘进工作面影像地质编录系统，实现从数字影像采集到编录成果输出的掘进工作面地质编录全数字化作业，以及掘进工作面井下场景的三维重建。实际应用表明，本文研发的掘进工作面影像地质编录技术和系统精度可靠、安全高效，能够满足煤矿井下地质编录的需求，有助于煤矿掘进工作面地质编录的信息化管理。

[1]Haneberg W C.Using Close Range Terrestrial Digital Photogrammetry for 3-D Rock Slope Modeling and Discontinuity Mapping in the United States [J]. Bull Eng Geol Environ, 2008(67):457-46

[2]杨建华,张广学,毛羽丰,等.摄影测量技术在巷道迎头面地质编录中的应用[J].煤矿现代化,2012,4(2):59-62

[3]李浩,张友静,华锡生,等. 硐室数字摄影地质编录及其基本算法研究[J].武汉大学学报(信息科学报),2004,29(9):805-808

[4]叶英,王梦想.隧道掌子面地质信息数字编录识别技术研究[J].北京交通大学学报,2007,31(1):59-62

[5]宋妍,王晓琳,李洋,等. 三维激光扫描技术与数码影像地质编录系统隧道围岩信息采集应用对比研究[J].隧道建设,2013,33(3):197-202

[6]毛羽丰,李浩,杨建华,等.巷道掘进工作面影像地质编录绝对定向方法[J].煤炭科学技术,2014,42(3):89-92

[7]Mao Yufeng，Li Hao，He Yanlan. Key Techniques of Fast Photographic Geological Logging in Exploration Tunnel [J].Applied Mechanics and Materials Vols, 2015,12(5): 316-324

P234

B

1672-4623（2017）12-0091-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.12.029

2016-09-27。

水利部黄土高原水土流失过程与控制重点实验室开放课题基金资助项目（015001）。

刘亚南，硕士研究生，研究方向为摄影测量与遥感。