采煤工作面地质编录技术的应用

张旭栋

（西山煤电集团官地矿，山西 太原 030000）

采煤工作面地质编录是煤矿生产的重要保障，传统的地质编录技术效率低、工作难度大、误差大且易发生安全事故。随着近年来自动化水平不断提高，出现了影像地质编录技术。影像地质编录技术以摄影测量理论为基础，通过CAD、GIS等技术可高效准确得到编录成果，更适用于采煤工作面地质编录。涉及到的关键技术有图像匹配、绝对定向、编录成果管理等，目前该技术在全国范围内应用广泛，对煤矿安全有序生产有着重要的意义。

1 矿井影像地质编录

不同于传统采取人工测量、绘图方式的地质编录，影像地质编录技术以摄影测量理论为基础，通过影像测量、激光测距得到数据，进行自动化的分析计算、建立模型，从而得到符合标准要求的编录结果，并对编录结果有效管理，便于后续查看、检索。该地质编录技术使用数码照相机、激光测距仪、探照灯等工具对煤矿井下工作面地质数据进行测量，再通过Computer Aided Design计算机辅助设计技术与Geographic Information System地理信息系统技术对得到的影像、数据进行计算分析，检索地质编录关键数据，生成地质编录模型、图表，最后通过数据库进行存储管理。其中关键技术包括煤矿工作面图像匹配、绝对定向与编录成果管理等。煤矿井下影像地质编录技术相较于传统的人工地质编录技术，不仅提高工作效率，缩小人工测量、计算、绘图中出现的误差，减少人工作业量，更重要的是极大提高安全性，确保煤矿生产安全有序进行。

2 关键技术

2.1 图像匹配

在矿井工作面影像地质编录技术中，对数码照相机等工具采集到煤矿巷道、工作面等图像的特征点、结构、色彩灰度等对比分析，根据相似度分析相似目标是一个关键环节，称为煤矿井下图像匹配。图像匹配通常分为灰度匹配（也称像素匹配）与轮廓匹配（也称形状匹配）两类，包括Hessian-Affine算法、MSER算法、ASFIT算法、SIFT算法等。基于煤矿环境较为恶劣，存在采集到的图片影像光照差等问题，在矿井影像地质编录图像匹配阶段通常采用SIFT算法。SIFT算法通过检索关键点、定位确定特征方向、比较特征向量建立对应关系最终实现特征匹配，如图1所示。该算法稳定性较强，能够适应煤矿特殊环境带来的图像旋转、缩放以及光照变化，且特征匹配速度快，匹配信息准确。

图1 煤矿工作面图像匹配SIFT算法

2.2 绝对定向

同样基于煤矿工作面的特殊环境，设置控制点工作量大、难度高、耗时多，因此在煤矿单位实际生产工作中不会布设较多控制点。但一般情况下绝对定向对控制点要求较高，需要大量控制点方可满足要求，因此在煤矿工作面地质编录技术中需采用特别的绝对定向方法。利用矿井激光方位角α与图像内活尖垂球线确定模型旋转角度β；根据活尖垂球线长度确定模型缩放比例；根据激光点坐标推导平移距离。计算流程：

式中：D、E、F为控制点实际测量坐标；β1、β2、β3为活尖垂球线投影到坐标系三个平面中确定的模型旋转角，通过公式（1）转换坐标系，然后通过公式（2）计算比例系数t。

式中：Z1'为上垂点在空间坐标系中Z坐标，Z2'为下垂点在空间坐标系中Z坐标。在得到比例系数t后，利用该系数计算确定模型。

式中：α为上文提到的方位角，公式（3）计算可得到模型坐标。

2.3 编录成果管理

在得到采矿工作面地质编录成果后，需使用数据库对这些数据进行管理。常见的数据库有SQL Server、MySQL、PostgreSQL以及国产的KingBase数据库等，考虑到煤矿工作面地质编录数据的敏感性以及对常见系统的兼容，在矿井影像地质编录技术中使用KingBase数据库进行编录成果的存储与管理。该技术使用数据源连接的方式与数据库建立连接，创建编录Database，每一项数据如旋转角、空间系X坐标、Y坐标、Z坐标、偏移量等均创建一个Relation，并将分析计算后得到的编录结果直接插入到对应的Relation中，完成数据存储。为保证存储数据的安全性与持久性，即在设备受到损坏时数据仍然不会丢失，可采用数据主从备份，在三台服务器上存储数据。当主设备故障时，备份数据可用于临时检索和恢复主设备数据。同时，可通过数据库相应的SQL语句做到对数据值的便捷更改、单点检索、局部检索与全部编录数据扫描，利于工作人员检索与维护编录成果。

3 应用分析

3.1 矿井影像地质编录技术应用

该矿井工作面地质编录技术已应用于全国各大煤矿单位，以山西省内某煤矿为例，该井田占地面积达106.04 km2，一些区域倾角陡峭，有时倾斜程度甚至超过18°，这是由于断层的牵引作用导致。但在整个生产过程中，尽管是非常细微的结构差异，对于整个复杂的地址结构而言，都会产生放大效应，给生产带来非常明显的变化。在拍摄立体影像时，工作人员站在洞轴两端，此时的拍摄距离是基线长度的十倍左右。为使得垂线固定，以2 m长的标杆作为参照，并配置一块透明板然后放置于掘进的工作环境里，注意要保证其垂直悬挂。掘进过程中，激光通过透明板之后投影到工作面上，将会在透明板和工作面上投射形成两个点，两点连接所得到的线段即可确定为已知方位的控制线段。

在掘进工作面的相对定向环节中，选择SIFT算法对于影像进行提取，最终确定提取个数为左侧13 252个特征点，右侧12 742个特征点，通过分析可保留2 114对成功匹配的同名影像，再进一步根据检验分析筛除错误影响点后，最终保留1 412对影像点，其中误差为Mq=0.276像元。相对定向结束之后开始进入绝对定向环节，控制两条线段以反映出三维重建所需的各项参数。最终通过密集匹配，可使用的三维数据共计31 214个。

三维重建掘进工作面时，应将最初采集的图像作为纹理录入，再进行DSM构建数字地面模型，该环节主要使用不规则三角网模型进行拟合。绘制左右影像的构造线之后，要将反映地质各个属性的数据录入系统，经过自动计算之后，系统将会输出图表格式的结果，包括断层编号、断层产状、断层描述及性质、断层示意图等详细信息，系统服务器的数据库也会自动保存这些结果，以免数据丢失。

3.2 效率对比

本文通过与现行的编录方法进行比较来验证采矿工作面影像地质编录技术的工作效率。前者目前仍使用传统手工勘测，技术人员需要与掘进工作面近距离接触，增大了作业过程的危险性。在效率方面，现场测度需要技术人员卷尺丈量、罗盘量测、测点定位以及手工记录等，耗费大量工作时间使得效率降低。而本文所推出的方法无需人员与工作面直接接触，采用物方布控技术和立体摄影模式，保证了作业安全性的同时也提升了工作效率（见表1）。总之，采矿工作面影像地质编录技术的应用对于井下作业优势明显，高效率与安全性均得到实现。

表1 采煤工作面地质传统手工编录与影响编录技术对比

4 结语

采煤工作面影像地质编录技术使用现代化电子仪器测量地质数据，结合CAD与GIS技术对数据计算处理，生成采煤工作面地质编录成果，并通过数据库进行数据存储与维护。该技术相较于传统编录过程中技术人员手工测量、记录，节省人力，降低误差，有更高的准确度，且能极大提高安全性，在全国范围内煤矿单位应用广泛。