煤礦掘進工作面影像地質編錄系統研究與開發

劉亞南 ，李 浩，毛羽豐，楊建華 ，楊 彪，蘇 博

（1.河海大學 地球工程與工程學院，江蘇 南京 210098；2.兗州煤業股份有限公司，山東 濟寧272000）

煤礦掘進工作面影像地質編錄系統研究與開發

劉亞南1，李 浩1，毛羽豐1，楊建華2，楊 彪1，蘇 博1

（1.河海大學 地球工程與工程學院，江蘇 南京 210098；2.兗州煤業股份有限公司，山東 濟寧272000）

以近景攝影測量理論為基礎，研究掘進工作面影像地質編錄方法。設計開發了煤礦掘進工作面影像地質編錄系統，實現了從原始數據采集到編錄成果輸出的全數字化作業，以及掘進工作面井下場景的三維重建。實踐表明，系統能夠快速生成影像地質編錄成果，提高了掘進工作面的編錄效率和精度。

掘進工作面；DSM ；地質編錄 ；系統開發

煤礦井下地質編錄對煤礦的安全生產有著重要的影響[1]。傳統地質勘測的工作方式是用羅盤、皮尺、地質錘等工具在現場測量描述記錄地質現象，根據外業的記錄進行內業整理。這種接觸式手工操作方法勞動強度大、危險性高、效率低，難以滿足煤礦現代化安全生產與技術管理的需求[2]。近年來，許多專家和學者對工程開挖面地質編錄進行了大量的研究[3-5]。在此基礎上，本文建立了一套適用于煤礦掘進工作面的影像地質編錄方法和體系，開發設計了煤礦掘進工作面影像地質編錄系統。該系統采用近景攝影測量和數字圖像處理的相關理論知識聯合應用CAD和GIS技術，對獲取的掘進工作面等影像進行處理，快速、準確提取地質編錄要素，生成規范的煤礦施工地質編錄成果圖，并實現編錄要素的有效管理與查詢檢索。

1 系統工作原理及關鍵技術

系統通過防爆數碼相機獲取工作面立體影像，對立體影像進行畸變校正、特征點提取與匹配、自動相對定向、基于特殊線段的絕對定向等影像處理過程后，基于影像進行地質編錄要素的提取與描述，并通過影像密集匹配重建掘進工作面三維場景，最終輸出規范化的編錄成果，并實現對編錄成果的數據庫管理。系統關鍵技術包括影像匹配、基于特殊線段的絕對定向和影像地質編錄。

1.1 掘進工作面影像匹配

影像匹配是數字攝影測量的關鍵技術之一。在掘進工作面影像立體量測中，采用影像匹配技術以提高同名像點量測的準確性和自動化程度。由于煤礦工作區環境較差，一般的匹配方法不能很好地適合處理掘進工作面影像。SIFT算子能夠提供穩定的尺度、旋轉以及平移不變等特征，同時對于光照及噪聲的影響也具有較強的抵抗性。本文采用SIFT算法進行自動相對定向即通過SIFT算法提取特征點后基于歐氏距離進行初匹配，采用基于相對定向的RANSAC算法誤匹配剔除，并獲得初始相對定向元素和相鄰影像的重疊區域。

由于SIFT算法提取出的同名像點較少，不能構建DSM。掘進工作面立體影像具有攝影比例尺和角度的差異、被攝物體的空間分布不連續、斷裂、遮擋，以及紋理單一等特性，故稠密匹配采用概率松弛匹配算法，為DSM的構建提供可靠的高精度點云。

1.2 基于特殊線段的絕對定向

通常絕對定向需要布設足夠多的控制點，但煤礦掘進工作面地質條件復雜、工作環境惡劣，布設、量測控制點費時費力，所以常規的絕對定向方法不能滿足礦井的實際情況。而煤礦巷道頂部有導向激光，且激光的方位角已知，利用這一現場條件來進行立體模型姿態方位的控制。進而采用一種基于指向激光和鉛垂線的攝影測量控制方法，即依靠掘進工作面現場附近的指向激光與在拍攝范圍內懸掛的鉛垂線來確定像對立體模型的旋轉角，利用鉛垂線的長度來確定模型的縮放比例，再利用掘進工作面上的激光點坐標確定模型的平移量[6,7]。通過實際操作發現，該方法既能減少現場工作量，又能滿足像對定向的控制要求。其基本流程如下：

1）旋轉矩陣的計算。相對定向之后已經得到垂線上端點、垂線下端點、激光軸前端點與激光軸后端點之間的相對關系。根據鉛垂線在像空間坐標系的坐標，在立體空間3個方向的投影得到3個旋轉角j1、j2、j3，9個旋轉矩陣元素，最終轉換到像空間洞軸坐標系里：

2）比例尺系數的計算。由于像空間巷道軸方向坐標系Z '軸方向就是垂直方向，則比例尺系數λ：

其中L為垂線的長度；Z '上為上方垂線點在像空間巷道軸方向坐標系中的Z坐標，Z ''下為下方垂線點在像空間巷道軸方向坐標系中的Z坐標。

3）平移量的計算。通過公式（3）計算各點在像空間正北坐標系中的坐標，確定模型的方向、比例，根據公式（4）計算模型平移量。

α為指向激光軸前進方向的方位角，XCtrl、YCtrl、ZCtrl為控制點在地面坐標系中坐標；X"Ctrl、Y"Ctrl、Z"Ctrl為控制點在像空間正北方向坐標系中的坐標。

1.3 影像地質編錄

地質構造面的產狀是以巖層面在空間的延伸方向及其傾斜程度來確定的，即采用巖層面的走向、傾向和傾角來表示，可以通過確定結構面所在的平面方程，即確定一個巖層面上的3個或3個以上點的三維坐標坐標，經過最小二乘擬合，可得到結構面的平面方程，如式（5）：

解出A、B、C的值，設巖層走向為θ（傾向）、傾角為α（傾角）。

平面傾角α的計算方法如下：

傾向和走向相差90°，一旦走向確定，傾向也確定了。

2 系統設計及開發

針對煤礦行業勘測要求及礦井工作環境的特殊性，系統以工程地質和數字攝影測量理論為基礎，綜合應用近景攝影測量技術、數字圖像處理技術和地理信息系統技術，用煤安防爆數碼相機采集影像，通過特殊的影像定向定位算法，實現在計算機上完成煤礦編錄勘測數據輸入、影像自動定向、地質構造特征描繪、產狀量測、地質屬性錄入、生成DSM和圖形圖像數據的數據查詢、AutoCAD成圖等功能。

2.1 系統總體設計

基于煤礦掘進工作面的特殊情況設計開發了掘進工作面影像地質編錄系統，包括數據準備、影像處理和地質編錄等3個主要部分。數據準備部分是為掘進工作面地質編錄提供數據源；影像處理通過相對定向和絕對定向計算掘進工作面的定向參數，匹配之后得到物方坐標；地質編錄部分將掘進工作面按多種方式地質編錄然后輸出，根據巖層的走向和傾角及時為工作人員提供地質信息，見圖1。

圖1 系統工作流程

2.2 功能模塊設計

系統基于Visual Studio 2010底層開發與AutoCAD二次開發，以SQL SERVER 2010作為編錄成果數據庫。共分為5個模塊：系統輸入模塊、圖像處理模塊、地質編錄模塊、成果輸出模塊和可視化查詢模塊（如圖2所示）。

1）輸入模塊：系統設置了相機參數功能，用于相機內方位元素和畸變參數的設置。通過工作區信息和攝站參數功能將信息輸入系統，以達到圖像預處理的目的。

2）圖像處理模塊：圖像增強加強用戶對圖像的目視判讀。通過SIFT算法快速找出掘進工作面影像的特征點，提取同名像點，自動計算相對定向元素。基于有向線段的絕對定向可以快速得到絕對定向的3個角元素，節省了大量的計算時間。

3）地質編錄模塊：編錄模塊是本系統的核心。地質構造繪制以立體像對為編錄底圖，通過左右影像繪制構造線；通過找出在構造線上的同名像點，自動計算出巖層的產狀；對構造線的屬性進行設置，如輸入線名、線型、構造線性質等，并將其信息存入構造線屬性數據庫。

4）輸出模塊：DSM客觀真實地反映物體結構在三維空間上的特征與細節，工作人員可以進一步分析掘進工作面的地質信息；報表直接輸出地質編錄的重要信息如斷層產狀、斷層性質和素描示意圖。

5）查詢模塊：該模塊最大限地發揮系統的優勢，靈活地提供各類信息。圖形查詢顯示地質編錄三維展示圖、地質編錄立面展開圖，屬性查詢根據給定條件，由屬性表查找相應圖形及屬性表信息，滿足用戶及有關部門的需要。

圖2 系統主要功能模塊

2.3 系統工作流程

現場工作者利用防爆數碼相機配合特殊的定向控制方法獲取掘進工作面原始影像；內業時系統根據各攝站設置的參數，進行影像畸變校正及影像定向，以掘進工作面立體像對作為編錄底圖，進行地質要素的繪制、地質信息的錄入和產狀自動計算；編錄完成后，輸出符合煤礦專業規范的掘進工作面報表。

3 系統應用及分析

系統已成功應用于國內多家大型煤礦。其中，濟寧三號煤礦位于山東省濟寧市任城區境內，隸屬兗州煤業股份有限公司。井田總面積105.05 km2，局部因受斷層牽引影響，傾角變陡，可達18°以上。地質構造復雜，小構造發育，對生產影響很大。在洞軸兩側拍攝立體影像，攝影基線長度約為拍攝距離的1/10。在掘進工作面場景中鉛垂懸掛一根長2 m的標桿，作為定長控制垂線；掘進指示激光穿透安裝在標桿上透明板，在透明板與工作面上產生兩個投影點，將其連線作為已知方位的控制線段。

3.1 影像定向及編錄

在掘進工作面相對定向過程中，采用SIFT算法自動提取特征點，左影像有12 343個，右影像有11 678個，匹配出同名像點2 219對，通過誤匹配算法剔除錯點之后得到同名像點1 515對，如圖3所示。經過解算，相對定向的中誤差為Mq=0.289像元。

圖3 自動相對定向點提取與匹配結果

相對定向完成之后，根據兩條控制線段進行絕對定向，得到三維重建的基本參數。再通過密集匹配共采集32 316個三維坐標點，生成的點云如圖4所示。采用不規則三角網構建DSM，將原始影像作為紋理，對掘進工作面進行三維重建，如圖5所示。

圖4 密集匹配生成的三維點云

圖5 疊加真實紋理的DSM

分別在左右影像上繪制構造線，完成地質屬性錄入、產狀自動計算后，將地質編錄成果包括斷層編號、斷層產狀、斷層描述、斷層性質、斷層示意圖以圖表形式輸出，并將編錄成果自動保存到服務器的數據庫中。

3.2 地質編錄精度分析

為了驗證系統的地質編錄精度，在實驗區選擇5組典型結構面。首先用地質羅盤量測出5組結構面的產狀，將其多次量測的平均值作為驗證值，與本系統量測得到的產狀進行對比，結果如表1、2所示。對比結果表明，系統的地質編錄產狀量測精度能滿足生產作業規范要求。

表1 地質編錄誤差分析

3.3 系統作業效率對比

為驗證系統的作業效率，與現有方法進行對比。現有井下地質編錄主要采用手工量測方法，這種接觸式作業方法需要工作人員直接靠近掘進工作面，危險性較高。此外，現場需要卷尺丈量、測點定位、羅盤量測、手工記錄等，每個工作面編錄作業人員與作業時間要求也相對較多。與此相比，本文方法采用非接觸式作業方法，井下作業內容僅為簡易的物方布控和立體攝影，在人員要求、作業安全、作業效率等方面都有絕對優勢。對比結果表明，本系統的應用不僅能減少人員數量要求、提高作業安全，還能顯著提高作業效率。

表2 地質編錄方法效率對比

4 結 語

針對煤礦井下掘進工作面特殊的作業環境，基于近景攝影測量理論方法，研發具有嚴格精度控制、無控制點依賴的煤礦掘進工作面影像地質編錄系統，實現從數字影像采集到編錄成果輸出的掘進工作面地質編錄全數字化作業，以及掘進工作面井下場景的三維重建。實際應用表明，本文研發的掘進工作面影像地質編錄技術和系統精度可靠、安全高效，能夠滿足煤礦井下地質編錄的需求，有助于煤礦掘進工作面地質編錄的信息化管理。

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P234

B

1672-4623（2017）12-0091-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.12.029

2016-09-27。

水利部黃土高原水土流失過程與控制重點實驗室開放課題基金資助項目（015001）。

劉亞南，碩士研究生，研究方向為攝影測量與遙感。