張旭棟

（西山煤電集團(tuán)官地礦，山西 太原 030000）

采煤工作面地質(zhì)編錄是煤礦生產(chǎn)的重要保障，傳統(tǒng)的地質(zhì)編錄技術(shù)效率低、工作難度大、誤差大且易發(fā)生安全事故。隨著近年來(lái)自動(dòng)化水平不斷提高，出現(xiàn)了影像地質(zhì)編錄技術(shù)。影像地質(zhì)編錄技術(shù)以攝影測(cè)量理論為基礎(chǔ)，通過(guò)CAD、GIS等技術(shù)可高效準(zhǔn)確得到編錄成果，更適用于采煤工作面地質(zhì)編錄。涉及到的關(guān)鍵技術(shù)有圖像匹配、絕對(duì)定向、編錄成果管理等，目前該技術(shù)在全國(guó)范圍內(nèi)應(yīng)用廣泛，對(duì)煤礦安全有序生產(chǎn)有著重要的意義。

1 礦井影像地質(zhì)編錄

不同于傳統(tǒng)采取人工測(cè)量、繪圖方式的地質(zhì)編錄，影像地質(zhì)編錄技術(shù)以攝影測(cè)量理論為基礎(chǔ)，通過(guò)影像測(cè)量、激光測(cè)距得到數(shù)據(jù)，進(jìn)行自動(dòng)化的分析計(jì)算、建立模型，從而得到符合標(biāo)準(zhǔn)要求的編錄結(jié)果，并對(duì)編錄結(jié)果有效管理，便于后續(xù)查看、檢索。該地質(zhì)編錄技術(shù)使用數(shù)碼照相機(jī)、激光測(cè)距儀、探照燈等工具對(duì)煤礦井下工作面地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量，再通過(guò)Computer Aided Design計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)與Geographic Information System地理信息系統(tǒng)技術(shù)對(duì)得到的影像、數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，檢索地質(zhì)編錄關(guān)鍵數(shù)據(jù)，生成地質(zhì)編錄模型、圖表，最后通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行存儲(chǔ)管理。其中關(guān)鍵技術(shù)包括煤礦工作面圖像匹配、絕對(duì)定向與編錄成果管理等。煤礦井下影像地質(zhì)編錄技術(shù)相較于傳統(tǒng)的人工地質(zhì)編錄技術(shù)，不僅提高工作效率，縮小人工測(cè)量、計(jì)算、繪圖中出現(xiàn)的誤差，減少人工作業(yè)量，更重要的是極大提高安全性，確保煤礦生產(chǎn)安全有序進(jìn)行。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 圖像匹配

在礦井工作面影像地質(zhì)編錄技術(shù)中，對(duì)數(shù)碼照相機(jī)等工具采集到煤礦巷道、工作面等圖像的特征點(diǎn)、結(jié)構(gòu)、色彩灰度等對(duì)比分析，根據(jù)相似度分析相似目標(biāo)是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，稱為煤礦井下圖像匹配。圖像匹配通常分為灰度匹配（也稱像素匹配）與輪廓匹配（也稱形狀匹配）兩類，包括Hessian-Affine算法、MSER算法、ASFIT算法、SIFT算法等。基于煤礦環(huán)境較為惡劣，存在采集到的圖片影像光照差等問(wèn)題，在礦井影像地質(zhì)編錄圖像匹配階段通常采用SIFT算法。SIFT算法通過(guò)檢索關(guān)鍵點(diǎn)、定位確定特征方向、比較特征向量建立對(duì)應(yīng)關(guān)系最終實(shí)現(xiàn)特征匹配，如圖1所示。該算法穩(wěn)定性較強(qiáng)，能夠適應(yīng)煤礦特殊環(huán)境帶來(lái)的圖像旋轉(zhuǎn)、縮放以及光照變化，且特征匹配速度快，匹配信息準(zhǔn)確。

圖1 煤礦工作面圖像匹配SIFT算法

2.2 絕對(duì)定向

同樣基于煤礦工作面的特殊環(huán)境，設(shè)置控制點(diǎn)工作量大、難度高、耗時(shí)多，因此在煤礦單位實(shí)際生產(chǎn)工作中不會(huì)布設(shè)較多控制點(diǎn)。但一般情況下絕對(duì)定向?qū)刂泣c(diǎn)要求較高，需要大量控制點(diǎn)方可滿足要求，因此在煤礦工作面地質(zhì)編錄技術(shù)中需采用特別的絕對(duì)定向方法。利用礦井激光方位角α與圖像內(nèi)活尖垂球線確定模型旋轉(zhuǎn)角度β；根據(jù)活尖垂球線長(zhǎng)度確定模型縮放比例；根據(jù)激光點(diǎn)坐標(biāo)推導(dǎo)平移距離。計(jì)算流程：

式中：D、E、F為控制點(diǎn)實(shí)際測(cè)量坐標(biāo)；β1、β2、β3為活尖垂球線投影到坐標(biāo)系三個(gè)平面中確定的模型旋轉(zhuǎn)角，通過(guò)公式（1）轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系，然后通過(guò)公式（2）計(jì)算比例系數(shù)t。

式中：Z1'為上垂點(diǎn)在空間坐標(biāo)系中Z坐標(biāo)，Z2'為下垂點(diǎn)在空間坐標(biāo)系中Z坐標(biāo)。在得到比例系數(shù)t后，利用該系數(shù)計(jì)算確定模型。

式中：α為上文提到的方位角，公式（3）計(jì)算可得到模型坐標(biāo)。

2.3 編錄成果管理

在得到采礦工作面地質(zhì)編錄成果后，需使用數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。常見的數(shù)據(jù)庫(kù)有SQL Server、MySQL、PostgreSQL以及國(guó)產(chǎn)的KingBase數(shù)據(jù)庫(kù)等，考慮到煤礦工作面地質(zhì)編錄數(shù)據(jù)的敏感性以及對(duì)常見系統(tǒng)的兼容，在礦井影像地質(zhì)編錄技術(shù)中使用KingBase數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行編錄成果的存儲(chǔ)與管理。該技術(shù)使用數(shù)據(jù)源連接的方式與數(shù)據(jù)庫(kù)建立連接，創(chuàng)建編錄Database，每一項(xiàng)數(shù)據(jù)如旋轉(zhuǎn)角、空間系X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)、Z坐標(biāo)、偏移量等均創(chuàng)建一個(gè)Relation，并將分析計(jì)算后得到的編錄結(jié)果直接插入到對(duì)應(yīng)的Relation中，完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。為保證存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的安全性與持久性，即在設(shè)備受到損壞時(shí)數(shù)據(jù)仍然不會(huì)丟失，可采用數(shù)據(jù)主從備份，在三臺(tái)服務(wù)器上存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。當(dāng)主設(shè)備故障時(shí)，備份數(shù)據(jù)可用于臨時(shí)檢索和恢復(fù)主設(shè)備數(shù)據(jù)。同時(shí)，可通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)相應(yīng)的SQL語(yǔ)句做到對(duì)數(shù)據(jù)值的便捷更改、單點(diǎn)檢索、局部檢索與全部編錄數(shù)據(jù)掃描，利于工作人員檢索與維護(hù)編錄成果。

3 應(yīng)用分析

3.1 礦井影像地質(zhì)編錄技術(shù)應(yīng)用

該礦井工作面地質(zhì)編錄技術(shù)已應(yīng)用于全國(guó)各大煤礦單位，以山西省內(nèi)某煤礦為例，該井田占地面積達(dá)106.04 km2，一些區(qū)域傾角陡峭，有時(shí)傾斜程度甚至超過(guò)18°，這是由于斷層的牽引作用導(dǎo)致。但在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中，盡管是非常細(xì)微的結(jié)構(gòu)差異，對(duì)于整個(gè)復(fù)雜的地址結(jié)構(gòu)而言，都會(huì)產(chǎn)生放大效應(yīng)，給生產(chǎn)帶來(lái)非常明顯的變化。在拍攝立體影像時(shí)，工作人員站在洞軸兩端，此時(shí)的拍攝距離是基線長(zhǎng)度的十倍左右。為使得垂線固定，以2 m長(zhǎng)的標(biāo)桿作為參照，并配置一塊透明板然后放置于掘進(jìn)的工作環(huán)境里，注意要保證其垂直懸掛。掘進(jìn)過(guò)程中，激光通過(guò)透明板之后投影到工作面上，將會(huì)在透明板和工作面上投射形成兩個(gè)點(diǎn)，兩點(diǎn)連接所得到的線段即可確定為已知方位的控制線段。

在掘進(jìn)工作面的相對(duì)定向環(huán)節(jié)中，選擇SIFT算法對(duì)于影像進(jìn)行提取，最終確定提取個(gè)數(shù)為左側(cè)13 252個(gè)特征點(diǎn)，右側(cè)12 742個(gè)特征點(diǎn)，通過(guò)分析可保留2 114對(duì)成功匹配的同名影像，再進(jìn)一步根據(jù)檢驗(yàn)分析篩除錯(cuò)誤影響點(diǎn)后，最終保留1 412對(duì)影像點(diǎn)，其中誤差為Mq=0.276像元。相對(duì)定向結(jié)束之后開始進(jìn)入絕對(duì)定向環(huán)節(jié)，控制兩條線段以反映出三維重建所需的各項(xiàng)參數(shù)。最終通過(guò)密集匹配，可使用的三維數(shù)據(jù)共計(jì)31 214個(gè)。

三維重建掘進(jìn)工作面時(shí)，應(yīng)將最初采集的圖像作為紋理錄入，再進(jìn)行DSM構(gòu)建數(shù)字地面模型，該環(huán)節(jié)主要使用不規(guī)則三角網(wǎng)模型進(jìn)行擬合。繪制左右影像的構(gòu)造線之后，要將反映地質(zhì)各個(gè)屬性的數(shù)據(jù)錄入系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)自動(dòng)計(jì)算之后，系統(tǒng)將會(huì)輸出圖表格式的結(jié)果，包括斷層編號(hào)、斷層產(chǎn)狀、斷層描述及性質(zhì)、斷層示意圖等詳細(xì)信息，系統(tǒng)服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)也會(huì)自動(dòng)保存這些結(jié)果，以免數(shù)據(jù)丟失。

3.2 效率對(duì)比

本文通過(guò)與現(xiàn)行的編錄方法進(jìn)行比較來(lái)驗(yàn)證采礦工作面影像地質(zhì)編錄技術(shù)的工作效率。前者目前仍使用傳統(tǒng)手工勘測(cè)，技術(shù)人員需要與掘進(jìn)工作面近距離接觸，增大了作業(yè)過(guò)程的危險(xiǎn)性。在效率方面，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)度需要技術(shù)人員卷尺丈量、羅盤量測(cè)、測(cè)點(diǎn)定位以及手工記錄等，耗費(fèi)大量工作時(shí)間使得效率降低。而本文所推出的方法無(wú)需人員與工作面直接接觸，采用物方布控技術(shù)和立體攝影模式，保證了作業(yè)安全性的同時(shí)也提升了工作效率（見表1）?？傊?，采礦工作面影像地質(zhì)編錄技術(shù)的應(yīng)用對(duì)于井下作業(yè)優(yōu)勢(shì)明顯，高效率與安全性均得到實(shí)現(xiàn)。

表1 采煤工作面地質(zhì)傳統(tǒng)手工編錄與影響編錄技術(shù)對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

采煤工作面影像地質(zhì)編錄技術(shù)使用現(xiàn)代化電子儀器測(cè)量地質(zhì)數(shù)據(jù)，結(jié)合CAD與GIS技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)計(jì)算處理，生成采煤工作面地質(zhì)編錄成果，并通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與維護(hù)。該技術(shù)相較于傳統(tǒng)編錄過(guò)程中技術(shù)人員手工測(cè)量、記錄，節(jié)省人力，降低誤差，有更高的準(zhǔn)確度，且能極大提高安全性，在全國(guó)范圍內(nèi)煤礦單位應(yīng)用廣泛。