近景摄影测量技术在相似材料模型观测中的应用

柳炳俊 杨洋 涂辉 郝元伟

摘 要：相似材料模拟实验是研究开采沉陷规律的重要方法，然而现有相似材料模型观测手段存在精度低、工作量大、稳定性差等缺点。针对现有观测方法的不足，本文引进了近景摄影测量的方法，介绍了近景摄影测量的原理与系统，评价了该方法的观测精度，并采用该技术对相似材料模型实验进行了观测，得到了较为理想的下沉曲线与水平移动曲线。实例表明该方法观测相似材料模型有着速度快、精度高、稳定性高、信息量大等优点，为相似材料模型实验观测提供新技术支持。

关键词：近景摄影测量；相似材料模拟实验；开采沉陷

相似材料模拟实验因其成本低、成果直观、易重复等优点被广泛地应用到煤矿开采沉陷相关问题的研究中[1]。模型的观测是相似材料模拟实验中的关键一步，所得数据直接影响实验成果的质量。传统观测方法有：灯光透镜法、全站仪法和三维激光扫描等。

灯光透镜法曾被广泛采用，该方法技术成熟，但是工作量大、设备稳定性较差、透镜安装麻烦且精度难以保证，如今已很少被采用。全站仪观测法使用全站仪无棱镜模式，操作灵活方便，但是不能实时获取数据，且影响实验的准确性。三维激光扫描法有测量速度快的优点，但是它的测量精度受到物体材料及其表面特性的制约，物体反光能力较强会降低测量精度。此外，三维激光扫描系统价格昂贵，普通用户难以承受[2-5]。

近景摄影测量是指在近距离内对目标进行拍摄，然后加工处理，确定它的大小、形状和几何位置的技术[6]。将近景摄影测量技术应用到相似材料模型观测中较传统方法有着非接触、快速、精度可靠和信息量大等优点。

1 近景摄影测量的原理与系统

1.1攝影测量原理

近景摄影测量是基于几何透视原理，用相机从不同角度多次拍摄物体，利用前方交会的方法解算出立体像对的空间三维坐标。

在近景摄影测量中为了确保特征识别的准确和精度，便于多幅图像特征点的匹配，可以在待测物体表面放置一些容易识别的参考点。参考点可以分为编码点和非编码点两种。

编码参考点由一个中心点和周围的环状编码组成。每个点有自己固定的编号，被拍摄后能够被近景摄影测量系统的软件自动识别和计算[7]。

非编码参考点是有一定半径的环形圆点，测量中对它自动编号，以得到被测物体相关点位的坐标信息。

1.2 近景摄影测量系统

市场上成熟的近景摄影测量系统有德国的GOM公司的TRITOP系统、AICON公司的DAP-pro系统等。本文主要介绍的是西安交通大学数字近景工业摄影测量系统（XJTUDP）。

XJTUDP的系统组成包括：

（1）数码相机；

（2）参考点：包括编码点和非编码点两种；

（3）高精度定标尺：刻度尺作为测量结果的比例，长度被精确测定；

（4）计算机：用来安装系统软件

（5）测量系统软件：安装在计算机上。利用拍摄的多幅数字图像， XJTUDP系统软件可以自动识别图像上的标志点并计算出其精确的三维坐标，其解算步骤可分三步：标志点的像点中心计算、图片匹配、共线方程式的解算[8]。

2 精度评定

2.1 评定方案设计

XJTUDP摄影测量系统的标称单点点位精度为0.03mm-0.1mm。精度评定实验中为了避免多个坐标系转换带来的误差，采用了在相同观测条件下，对多个点进行连续多次拍摄，测量多个固定点之间的距离，计算相同条件下多次观测的距离误差。之后，通过误差传播律来计算系统的点位误差，实现XJTUDP系统点位精度的评定。

本文设计了精度评定方案，在地面布设一系列观测点，采用NikonD80相机对它一起观测，共采集了14组实验数据，选择8--9、40--54、30--34、37--38、50--28及54--66等六组距离作为比较对象。

2.2 数据处理和分析

中误差σ是精度评定的指标。假设各点的中误差均为σ，又假设坐标点在三个坐标轴方向的中误差均相等，那么根据误差传播率就可以推算得到点位中误差是距离中误差的 倍。

中误差计算公式如下：

（1）

计算结果显示，两点间距离中误差的最大值为0.070mm，最小值为0.035 mm。一般而言点位中误差与距离中误差的比值在1.13到1.50之间[9]，取平均值1.31则点位中误差最大值为0.092mm，最小值为0.046mm 。仪器精度评定结果基本满足XJTUDP三维光学摄影测量系统的标称精度要求的0.03mm-0.1mm。

3 应用案例

经过上面对近景摄影测量原理和系统的介绍和精度的评定，下面用XJTUDP近景摄影测量系统对相似材料模型实验进行一次观测。

3.1 实验模型设计

本文采用煤层倾角为00的相似材料模型。模型的相似系数选择了1：200，模型架长度为3m，模型架高2m，厚度为0.3m。

3.2 观测方案设计

观测点的布设要求为：

（1）观测点的布设范围应该大于模型形变区域的范围；

（2）编码点（观测控制点）布设在模型架的两侧和上下端横梁观测点；

（3）非编码点（观测点）沿着岩层布设，变形剧烈区域，比如采空区上方，应该增加观测点的密度。

3.3 数据采集

使用数码相机进行数据采集，为了采集得到数据的多角度、多层次，拍摄从三个水平方向拍摄，0水平为正常站立拍摄，+1水平为以站在板凳等物体上进行拍摄，-1水平为以下蹲的方式拍摄，位于同一水平拍摄时要有四个位置，图1为具体的摄站布置。

3.4 数据处理及分析

相似模拟材料模型不同时刻的观测数据要转换到统一的坐标系才能进行数据处理。为此XJTUDP系统设置了3-2-1坐标对齐功能，其原理如图2所示，由3个点确定一个面，设为Z面；然后指定2个点，可以确定出通过这2个点并和Z面垂直的面，设为X面；最后再指定1个点，确定出通过这个点并和X面和Z面都垂直的面，设为Y面，并能确定出它们的交点，即原点，至此就确定了一个唯一的坐标系。3-2-1坐标对齐需6个全局标志点，一般从模型架及横梁上固定不动的编码点中选择，其中两个点应该为确定铅垂线的编码点中的两个点。

不同时刻的观测数据转经3-2-1对齐被换到了同一坐标系统下，计算同一观测点不同时刻的坐标差值，即可求得该点的变形量。提取各个岩层的各排观测点，绘制开采前后的下沉与水平移动曲线。图3和图4为观测所得的下沉及水平移动曲线（曲线均未进行异常改正）。

所得的下沉曲线反映了连续平稳的下沉过程，没有出现粗差以及异常点。水平移动曲线中的跳跃部分是模型表面裂缝的部位。可见近景摄影测量技术对本次的相似材料模型观测是比较理想的，所得的下沉曲线符合开采沉陷基本规律。

4 结束语

经过本次试验可以得到以下结论：

（1）近景摄影测量技术是非接触测量手段，通过拍摄即可获得目标大量的物理和几何信息，容易操作且速度快。

（2）相似材料模型观测中用近景摄影测量技术比传统的方法具有更高的稳定性和更高的精度。

（3）采用近景摄影测量技术观测得到的结果符合开采沉陷的基本规律，此方法是进行相似材料模型观测的有效方法。

参考文献：

[1] 何国清，杨伦，凌赓娣等.矿山开采沉陷学[M]徐州：中国矿业大学出版社.

[2] 苏景岚，郭江潮. 相似材料模拟在开采沉陷研究中的应用[J].现代矿业，2015，（7）：147-149

作者简介：

柳炳俊，（1985-），男，山东蓬莱人，工程师，硕士研究生学历，2011年毕业于中国海洋大学，主要从事瓦斯治理，煤炭生态环境保护工作。