基于摄影测量的矿井巷道围岩变形监测仪

张靖林

摘  要：从矿井巷道围岩检测的角度出发，提出了一种基于摄影测量与变形检测的自动矿井巷道围岩变形监测仪，该仪器应用近景摄影测量方法采集巷道围岩结构信息，结合双目摄影原理构建巷道围岩三维模型，通过人机交互方式标识围岩体结构面，实现围岩变形的精确监测，同时基于神经网络对变形监测的数据进行分析，建立时间序列模型预测巷道围岩变形量，有助于提前采取巷道围岩加固支护措施。

关键词：巷道围岩检测;摄影测量;双目摄影原理;人机交互

一：国内外研究现状

国外，波兰、英国、荷兰和日本等国都对深部开采的巷道矿压及其控制措施

进行了大量研究。国外的研究一方面是将己有的岩石力学与矿山压力成果应用于深部开采，但同时还结合深部开采的特殊性和本国国情对深井巷道矿压控制进行了专门研究。

目前，我国获取巷道围岩变形主要是人工采用皮尺接触式测量、全站仪、多点位移计等测量方法，皮带接触式测量和全站仪方法耗费时间长，人工劳动强度大，危险性高，测量精度受人为因素影响较大，且对于倾斜程度大、地质构造复杂等区域难以直接测量;多点位移计虽然实现了自动化监测分析，但巷道变形绝对参照点选定困难，仅能测量出巷道的相对变形量。由此可见，传统矿井巷道围岩变形监测存在诸多问题亟需解决。

二：研究的意义

基于上述关于井下巷道变形检测方法与摄影测量技术的相关研究成果。本文提出了一种基于摄影测量与变形检测的自动矿井巷道围岩变形监测仪，用于实现煤矿井下巷道围岩变形精确测量，弥补矿井巷道围岩绝对变形量无法精确监测的空白，有助于实现矿井巷道围岩变形动态监测，为实现巷道围岩变形控制提供技术手段，对实现矿井安全高效生产具有重要意义。

三：技术描述与技术支持

1）总机械系统结构设计

2）数据采集与存储系统

a）顶部半圆镜头：上方数据采集系统，半球形设计，增大了数据采集范围，易保证数据的准确性。

b）上下各置八个镜头：周围镜头采用独特的凸出倾角设计，有效减少镜头伤损;上半镜头、下半镜头分别装有八个镜头，方便采集图像数据，且有一定倾角，增大数据采集面积，数据采集量大，便于检校分析成图。

c）显示器：显示作用。显示仪器的工作进度和状态参数，方便测量者随时检测，确保测量的精度。

d）键盘：输入作用。用于仪器的初始设置、功能切换、数据导出等。

e）USB端口：输出作用。用于导入、导出相关数据。

f）SD卡：储存作用。用于图像数据的收集与存储。

g）扩展功能：无线网络连接与使用。在开阔、有无线信号的工作环境，仪器与电脑无线连接，可实现边测量边绘图的功能。

3）支撑系统

a）防滑伸缩握把：连接、支持、稳定作用。便于仪器与底座相连接;伸缩设计可根据测量环境调整合适的高度;最下端设计为防滑握把，可保证测量工作者手持仪器时的稳定性。

4）固定系统

a）螺丝和螺孔：连接、固定作用。使仪器充分固定在底座上，保持仪器的稳定性。

b）对中轴：对中作用。用于仪器定点定位，保持原始点位置确定，方便数据收集，且本设计为一固定轴，可避免设备偏移。

c）底座：固定和支持作用。仪器架设在地面时可保持仪器稳定。

5）测量摄像头

摄像头基于Sirovision岩体遥测和结构分析系统，利用双目视觉技术学习人类双眼视觉成像原理，应用数字化影像采集设备模仿人类左右眼，从两个不同角度拍摄同一物体。根据同一物点在图像平面中两个像点的坐标差，计算物点在三维空间中的坐标方位，从而实现目标物体三维表面模型的构建。

6）基于Sirovision的三维建模操作流程

应用Sirovision建立岩体表面三维模型操作流程。在数据采集过程中，以下注意点对采集数据质量有重要影响：

a）采集不同的像对时，保证相同的摄影距离;

b）各组像对拍摄区域之间，须保证足够的重合区域，以便不同区域三维模型的拼接;

c）遵循“摄影基线长度∶拍摄距离=1∶50”和“摄影基线长度∶拍摄距离=1∶7”的原则进行拍摄，保证摄影角度正直;

d）补光灯应尽量远离镜头，靠近掌子面，避免粉尘折光影响，在数字照片中形成焦点;

e）拍摄不同区域时，应随时调整补光灯位置、朝向与光强，以保证每次拍摄范围内光照适中且均匀;

四：创新之处

（1）结合矿井实际生产环境的特点，设计出基于摄影测量的矿井巷道围岩变形监测仪，该装置核心部分为摄像头，即应用Sirovision系统建立岩体表面三维模型。

（2）利用双目立体视觉技术的原理对数据进行采集，利用装置内部软件自動检测像片的内方位元素x0、y0、f，将像片扫描坐标转化为像片坐标系坐标。

（3）该装置在测量过程中不会对被测量目标造成损伤，同时内存信息容量大，可进行动、静态目标复合测量，时效性高。

参考文献

[1]  李浩.基于数码影像的边坡工程地质编录信息系统[J].华南理工大学学报，2008，36（1）：145-151.

[2]  李满宏.数码摄影图像处理技术及其在隧道地质判释中的应用研究[J].重庆建筑，2013，12（3）：1-4.