工业近景摄影测量系统在相似材料模拟实验中的应用

一. 应用背景

矿山开采造成的地表沉陷对人类的巨大影响越来越受到关注和广泛的研究。相似模拟实验作为矿山开采室内模型研究的主要方法之一，其传统观测方法主要是物理测量或者机械测量，存在观测装置或传感器安装繁琐、工作量大、采样点有限等缺点。随着社会的发展、科技的进步及研究问题的深入，对模型实验数据采集的简单化、高效性及全面性的要求越来越高。一种全面快速观测方法的引入显得尤为重要。

二. 研究目的

摄影测量和光栅测量方法相结合的三维光学测量技术由于其非接触式测量的特点，可以快速准确的获得测量数据。新拓三维技术（深圳）有限公司研发的工业近景摄影测量系统（XTDP）可进行移动式测量，快速实现复杂曲面工件关键点的提取以及全尺寸的检查。广泛应用于汽车工业、航空航天工业、船舶工业、建筑业等，通过三维坐标可以质量检测、变形测量、逆向工程等。

本次实验会将XTDP系统引入到相似模型的观测中，一方面可以拓展XTDP的应用领域，另一方面可以为矿山开采相似模型实验提供便捷的测量方法。

三. 系统简介

XTDP系统是工业非接触式光学三坐标测量系统，可精确的获得离散的目标点三维坐标，这是一种便携式、移动式的三坐标光学测量系统，可用于静态工件的质量控制和静态变形分析实时测量。

XTDP系统标称单点位移精度为0.03mm-0.1mm，可测量0.1m-10m的柔性物体，精度达到1/70000-1/150000，相当于1米长度工件的测量精度为0.01mm。对于1:200的相似材料模型，10mmde 实际观测误差在模型中表现为0.05mm，由XTDP系统标称的1m长度工件测量精度为0.01mm可得出，该套系统满足相似测量模型观测时的精度要求。由此推测三维光学测量系统在开采沉降相似模型观测中将有很好的应用前景。

四. XTDP三维摄影测量系统硬件组成

本次实验将会搭配一套完整的XTDP系统。XTDP系统主要由负责图像采集的硬件系统和负责图像处理分析的软件系统组成。硬件系统主要包括一台单反相机、闪光灯、标定尺、编码点、非编码点等；软件系统功能包括图像的捆绑调整、自标定、三维解算及后处理等。如图所示。

五. 实验方案

煤矿采煤工作面相似模拟在研究矿压和“三下”采煤岩层移动规律等方面都得到广泛应用。传统的模型观测通常是物理测量或机械测量，安装繁琐、工作量大。而XTDP系统克服传统检测的缺点，具有精度高、信息量大、方便易行的优点，可实现实时观测和以影像记录模型破坏形态，自动化程度高。

应用该系统分别对不同煤层倾角的相似材料模型进行观测，本次实验将选取水平煤层的相似材料模型进行分析。其中模型比例为1:200，模拟的工作面采高为4m，采深约为180m，开采长度为400m。

XTDP系统可以实现多层位布点，尽可能多的采集模型信息，以实现模型测量的最大价值。如图，对于地表、表土及各模拟地层层间等关键层位布设了8层标志点（非编码点），每层相邻的标志点间距在5cm左右，对厚度较大的岩层也布设了间隔为10cm左右的标志点。在外围框架上粘贴编码点作为不动点。由于标志点材质轻，不会对模型另外施压，因此不会影响到模型自身变化。

六. 实验过程及结果分析

模型布点准备就绪后，首先用单反相机围绕模型进行一组多角度的拍摄获取被测点的坐标作为基准，而后，每开采一次到达静止后，再围绕模型进行拍照，作为对照组。选取模型外的不动点作为多次拍摄坐标转换的全局控制点，将每次观测所得的不同坐标系下的三维坐标转换到一个统一的坐标下，这样就可以获得关键点的下沉值和水平位移值，为模型分析提供数据支持。

提取解算结果中的一条水平观测线上所有坐标点，对比分析模型开采前后该观测线上各点的坐标，可得出该层的下沉曲线及水平位移曲线，由此可看出，应用该工业测量系统观测相似材料模型，数据结果符合开采沉降规律。

七. 结论

XTDP系统用于相似材料模型变形的观测与其他手段相比有明显的优点：它能够快速获取被拍摄物体的大量物理信息和几何信息，特别适合观测点众多的目标，它是一种非接触式的测量手段，对模型本身不会产生附加影响。而且数码相片是一种直观可靠的资料，可在任何时候进行核验，并记录下测量瞬间任何点的移动情况，可为动态目标提供运动轨迹。