近景攝影測量技術在相似材料模型觀測中的應用

1、    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(guī)律的重要方法，然而現(xiàn)有相似材料模型觀測手段存在精度低、工作量大、穩(wěn)定性差等缺點。針對現(xiàn)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(tǒng)，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(wěn)定性高、信息量大等優(yōu)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

2、似材料模擬實驗因其成本低、成果直觀、易重復等優(yōu)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(shù)據(jù)直接影響實驗成果的質(zhì)量。傳統(tǒng)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(wěn)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(shù)據(jù)，且影響實驗的準確性。三維激光掃描法有測量速度快的優(yōu)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(tǒng)價格昂貴，普通用戶難以承受2-5。近

3、景攝影測量是指在近距離內(nèi)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(tǒng)方法有著非接觸、快速、精度可靠和信息量大等優(yōu)點。1 近景攝影測量的原理與系統(tǒng)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(huán)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(tǒng)的軟件

4、自動識別和計算7。非編碼參考點是有一定半徑的環(huán)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(tǒng)市場上成熟的近景攝影測量系統(tǒng)有德國的gom公司的tritop系統(tǒng)、aicon公司的dap-pro系統(tǒng)等。本文主要介紹的是西安交通大學數(shù)字近景工業(yè)攝影測量系統(tǒng)（xjtudp）。xjtudp的系統(tǒng)組成包括：（1）數(shù)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(jié)果的比例，長度被精確測定；（4）計算機：用來安裝系統(tǒng)軟件（5）測量系統(tǒng)軟件：安裝在計算機上。利用拍攝的多幅數(shù)字圖像， xjtudp系統(tǒng)軟件可以自動識別圖像上的標志點并計算出其

5、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(tǒng)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(zhuǎn)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(xù)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(tǒng)的點位誤差，實現(xiàn)xjtudp系統(tǒng)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(shù)據(jù)，選擇8-9、40-54、30-34、37-38、50-28及54

6、-66等六組距離作為比較對象。2.2 數(shù)據(jù)處理和分析中誤差是精度評定的指標。假設各點的中誤差均為，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(jù)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(jié)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(jié)果基本滿足xjtudp三維光學攝影測量系統(tǒng)的標稱精度要求的0.03mm-0.1mm。3 應用案例經(jīng)過上面對近景攝影測量原理和系統(tǒng)的介

7、紹和精度的評定，下面用xjtudp近景攝影測量系統(tǒng)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(shù)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(qū)域的范圍；（2）編碼點（觀測控制點）布設在模型架的兩側(cè)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(qū)域，比如采空區(qū)上方，應該增加觀測點的密度。3.3 數(shù)據(jù)采集使用數(shù)碼相機進行數(shù)據(jù)采集，為了采集得到數(shù)據(jù)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

8、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(shù)據(jù)處理及分析相似模擬材料模型不同時刻的觀測數(shù)據(jù)要轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的坐標系才能進行數(shù)據(jù)處理。為此xjtudp系統(tǒng)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

9、的編碼點中的兩個點。不同時刻的觀測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)經(jīng)3-2-1對齊被換到了同一坐標系統(tǒng)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(xù)平穩(wěn)的下沉過程，沒有出現(xiàn)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(guī)律。4 結(jié)束語經(jīng)過本次試驗可以得到以下結(jié)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(tǒng)的方法具有更高的穩(wěn)定性和更高的精度。（3）采用近景攝影測