相似材料模型离层裂隙动态检测研究_张家文.pdf

工程前沿21工程技术研究 第 8 卷 总第 130 期 2023 年 1 月相似材料模型离层裂隙动态检测研究张家文中煤长江生态环境科技有限公司，江苏 南京 210046摘要：为分析开采前后上覆岩层的移动变形规律，使用相似材料模拟工作面开采引起的离层裂隙变化。此研究借助近景摄影测量技术拍摄开采模型不同时刻的状态，基于 SIFT 检测算子进行影像匹配，通过二维直接线性变换将像点坐标转化在物方空间，采用 Canny算子检测影像离层裂隙边缘。最后，将不同时刻离层裂隙矢量化，从而实现模型的动态检测。通过融合多种检测算子，提高了矿山开采相似材料模型的模拟精度，可以高效便捷地检测离层裂隙，能够为分析裂缝演变规律、制订开采计划提供重要数据参考。关键词：相似材料模型；SIFT；Canny 算子；直接线性变换Abstract:In order to analyze the movement and deformation law of overlying strata before and after mining,similar materials are used to simulate the changes of separation cracks caused by mining in the working face.This research uses close-range photogrammetry technology to photograph the state of mining model at different times,and carries out image matching based on SIFT detection operator.The image point coordinates are transformed into the object space by two-dimensional direct linear transformation,and the Canny operator is used to detect the edge of the image separation crack.Finally,the separation cracks at different times are vectorized to realize the dynamic detection of the model.By integrating multiple detection operators,the simulation accuracy of similar material model for mining is improved,and the separation cracks can be detected efficiently and conveniently,which can provide important data reference for analyzing the evolution law of cracks and formulating mining plans.Research on Dynamic Detection of Separation Cracks in Similar Material ModelZHANG JiawenChina Coal Changjiang Ecological Environment Technology Co.,Ltd.,Nanjing 210046,Jiangsu,China007.DOI:10.19537/ki.2096-2789.2023.02.作者简介：张家文，男，本科，高级工程师，研究方向为测绘工程、生态环境工程。矿产资源开发伴随着岩体变形破坏和地表形变，造成一系列不同程度的开采损害，如地面建（构）筑物破坏、水体泄漏、井筒偏斜和断裂等1-2。为确保采矿过程的安全生产，有必要研究采矿过程中岩体位移的演化过程，分析离层裂隙的变形规律。多年以来，众多学者致力于开采离层裂隙的研究。从理论分析和实验方法两个角度构建地表形变离层裂隙变化模型3。传统的模型实验存在测量工作量大、成本高等缺点，难以通过标识点的测量数据反映离层裂隙的变化过程4-5。目前，针对综放工作面覆岩采动裂隙演化规律研究主要采用二维相似材料模拟。林建成等6依据煤矿开采工作面的煤层赋存条件，设计了相似材料实验与理论分析方法研究上覆岩“竖三带”的分布规律。郭龙辉7设计了踩空区上覆岩层的垮落形态和破坏特征模拟相似实验，通过布设测点来观察煤层开采后地表沉降状况，利用 FLAC3D 软件进行数值模型，验证了实验结果的一致性。鉴于此，文章针对非量测相机无内外方位元素，通过 SIFT（scale invariant feature transform）检测算子匹配无量测相机所获取的两幅影像，确定两幅影像的同名像点，采用二维直接线性变换方程将像点坐标转化为物方坐标。通过 Canny 算子的非极大值抑制以确定离层裂隙，结合双阈值算法的八邻域窗口遍历整幅影像实现裂缝空间连接。最后，基于整幅影像的矢量化结果分析覆岩形变时裂隙的分布演化规律。Key Words:similar material model;SIFT;Canny operator;direct linear transformation分类号：TD1222 工程前沿 2023 年 第 02 期 总第 130 期 工程技术研究1 研究方法1.1 SIFT 影像匹配算法SIFT 影像匹配算法，是通过侦测影像中的局部性特征寻找极值点，并提取位置、尺度等相关信息。这种算法不易受到噪声干扰，提取的特征良好。算法实现步骤分述如下：（1）特征点检测。由高斯函数 G(x,y,)与原图像O(x,y)的矩阵卷积得到高斯金字塔图像 L(x,y,)。(,)(,)(,)O x yG x yL x y=*（1）2222(,)1(,)exp()(,)22L x yxyG x yO x y+=-（2）式中：*为卷积运算；为因子尺度空间。相邻两尺度空间函数之差（difference of gaussi-an,DOG），用 D(x,y,)来表示。为保证检测像素值在尺度空间和图像空间均达到局部极值（极小值或极大值），DOG 尺度空间中间层的像素点应满足：目标像素点与周围 8 个像素点比较为极值；空间相邻层的 92个像素点比较也为极值。（2）特征点向量。以特征点为中心取 88 的邻域作为窗口，像素的梯度方向与模值用箭头指向和箭头长度表示。在图像窗口上计算各方向的梯度，根据灰度直方图计算梯度累加值以形成种子点。k 个种子点与8 个梯度方向构成的 SIFT 特征向量维度为 8k。（3）匹配 SIFT 特征向量。以待定点特征向量间的距离划分两图像相似性，通过设置比例阈值（待定点间次近距离除以最近距离），若大于阈值，则接收该对匹配点。此外，通过几何限制及约束条件消除错误匹配，以提高特征向量匹配的鲁棒性。不同阈值下特征匹配数目如表 1 所示。表 1 不同阈值下的特征匹配数目1.2 二维直接线性变换二维直接线性变换的公式可写成：1237845678=01=0 1l Xl Ylxl Xl Yl Xl Ylyl Xl Y+（3）式中：(x,y)为像点坐标，相应地在物方空间的坐标为(x,y)，待定系数记为(l1,l2,l3,l4,l5,l6,l7,l8)。二维直接线性变换建立了物方坐标与像面坐标间的关系。模型有 8 个待定系数，仅需 4 个二维控制点就能解算模型。得到系数 L 后，可计算每个像点在物方空间中的近似坐标值。在相似材料模型的制作中，通过安置高精度标尺辅助求解转换系数 L，将标尺的一端作为物方空间坐标系的原点，采用最小二乘法求解近似坐标(x,y)和近似系数 L。由于控制点坐标精确度不高，可能导致解算出的物方坐标精度不能满足需求，因此通过迭代计算以控制精度，将满足迭代条件或者达到最大迭代次数的作为最终的修正系数 L。1.3 Canny 边缘检测算法Canny 算子是具有滤波增强的多阶段边缘检测算子。首先利用高斯平滑滤波器来去除原始图像的噪声，然后经过一个非极大值抑制技术初步检测图像边缘，最后采用双阈值算法进行边缘检测和连接。其步骤分述如下：（1）高斯滤波器平滑图像。使用一维高斯函数构成滤波器，分别按行和列对原始图像进行卷积运算得到平滑图像，以实现图像降噪。一维高斯函数为（4）（2）一阶偏导的有限差分计算梯度的幅值和方向。主要利用边缘检测算子来计算图像的纵横梯度，选择边缘检测 Sobel 算子。该算子提取的边缘信息比较清楚，适合文章研究的裂缝监测。Soble 算子的模板为121000121-，101202101-（5）通过模板计算出水平和垂直方向上的影像 x 方向和 y 方向灰度梯度 Gx、Gy，并计算出梯度的幅值和方向，具体计算公式如下：22GGxyG=+GG（6）GarctanGyx=GG（7）（3）非极大值抑制。为准确定位边缘，需要抑制非极大值点，保留局部梯度最大的点。在每一点的梯度方向上，通过对比中心像素与沿着梯度线两个像素的梯度值大小，以提取全局梯度中的局部最大点。（4）双阈值算法检测和连接边缘。使用上下阈值进行开采沉陷模拟材料离层裂缝的边缘控制。高于上阈值的像素点集为真边缘点（不连续），低于下阈值的不同阈值 d匹配数目 n0.4740.52810.66920.82386 工程前沿23工程技术研究 第 8 卷 总第 130 期 2023 年 1 月像素点为伪边缘点（连续）。因此，在检测图像边缘时，将像素灰度值大于上阈值的像素作为轮廓线的起点，在该像素点的 8 邻域窗口中不断进行搜索，将窗口中大于下阈值的像素判定为图像的真实边缘阈值。随后搜索下一个大于上阈值的像素作为下一段轮廓的起点，直到遍历整个图像，从而实现边缘连接。2 相似模拟实验2.1 开采沉陷相似材料模型制作开采沉陷相似材料模型制作所需设备有护板、模型架及拌料机等，使用平面模型架进行模型设计。模型制作过程分述如下。（1）模型的铺设。根据各种材料的计算量，称量好每一分层中所需材料并搅拌均匀，然后倒入模型中。为尽可能逼近实际开采状况，确保每一层所倒入的材料用刮板摊平后压实且达到目标高度。（2）待模型干燥后，在模型上端安置高精度标尺，作为测量结果计算基准。文章采用的标尺为 10-11 型号，长度为 927.144 mm（注册温度为 20 ；膨胀系数为 22.4）。（3）模型开挖前，在关键部位（基岩与土层分界面、岩层内部等）设置测量标志，点间距为 100 mm；相邻两排测点的排距为 100 mm。对于变形较大区域，适当缩短标志点间距离；对于不明显的区域，适当增大标志点间距。（4）开采实验结束后，拆下相似材料模拟装置的所有护板，并将观测仪器和工具安置稳妥。该模型采用时间比例进行开采实验，通过跳采的方式，间隔开采并预留煤柱，最后回收煤柱，顶板管理采用全部垮落法。2.2 测点布置在相似材料模型体的表面布设分布均匀的测量标志点，由正方形黑纸上的白色圆环和实心圆心组成。其中，像控点安置在模型框架结构的两侧，测量点为模型体上的标志点，开采沉陷相似材料模型及标志点如图 1 所示。通过近景摄影测量技术获取数据时，影像应最大限度地包括整个模型。按照摄影测量原理，同名像片必须有一定的重叠度（一般要求大于 70%），重叠度越高越好。在选择数字影像的时应注意：（1）影像要尽可能包括整个相似材料模型，为确保有计算参考基准，高精度标尺必须在影像中。（2）同名数字影像的拍摄角度应有较大差异，若拍摄角度类似，进行像点空间与物方空间转换时将存在较大误差。2.3 实验过程利用已标定好的数码相机，在同一时刻对布设控制点的模型，从不同角度拍摄多张数字影像。随着模拟煤层的开采，隔一定时间采集一次数据。随后，利用 STIF 进行影像匹配。由于不同数量的匹配点对二维直接线性变换方程的转换系数有较大影响，需要根据