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Sirovision 节理岩体遥测系统误差分析与修正方法
2015-08-17
采用Sirovision 节理岩体遥测系统进行岩体结构数据分析。为了获得更为精确的统计结 果,首先对该系 统的现场测量及数据分析流程进行了研究,介绍了该系统设备的组成及工作原理,分析了采用该系 统进行节理岩体 调查和分析时的误差主要来源,并将其归纳为拍摄操作误差、控制点坐标误差以及节理识别误差等 几类;然后针对不 同的误差来源,开展相应的误差标定试验,分析误差产生的原因及其对调查分析结果的影响程度,提 出了减小误差的 措施,实现了对调查分析结果的修正;最后基于修正后的Sirovision 节理岩体调查及分析方法对焦 家金矿典型岩体进 行了岩体结构调查与分...
Series No. 470 ꢀ Augustꢀ 2015 金ꢀ ꢀ 属ꢀ ꢀ 矿ꢀ ꢀ 山 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 总第 470期 METAL MINE 2015 年第 8 期 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ Sirovision 节理岩体遥测系统误差分析与修正方法 徐ꢀ 帅ꢀ 张ꢀ 驰ꢀ 安ꢀ 龙ꢀ 李元辉 深部金属矿山安全开采教育部重点实验室,辽宁 沈阳 110819) ( 摘ꢀ 要ꢀ 采用 Sirovision 节理岩体遥测系统进行岩体结构数据分析。 为了获得更为精确的统计结果,首先对该系 统的现场测量及数据分析流程进行了研究,介绍了该系统设备的组成及工作原理,分析了采用该系统进行节理岩体 调查和分析时的误差主要来源,并将其归纳为拍摄操作误差、控制点坐标误差以及节理识别误差等几类;然后针对不 同的误差来源,开展相应的误差标定试验,分析误差产生的原因及其对调查分析结果的影响程度,提出了减小误差的 措施,实现了对调查分析结果的修正;最后基于修正后的 Sirovision 节理岩体调查及分析方法对焦家金矿典型岩体进 行了岩体结构调查与分析,完成了岩体三维模型的重构与结构面信息的提取,并将调查分析结果与手工测量结果进 行了对比分析,结果表明,基于修正后的 Sirovision 节理岩体调查及分析方法获得的数据与实际情况吻合良好,能够达 到节理岩体调查所需的精度。 参照所获取的节理空间分布形态对焦家金矿岩体的不稳定结构(楔形体结构)进行了 分析,可为矿山岩体稳定性分级和确保矿山安全生产提供依据。 关键词ꢀ Sirovision 遥测系统ꢀ 误差分析与标定ꢀ 三维模型重构ꢀ 楔形体结构 ꢀ ꢀ 中图分类号ꢀ TD853ꢀ ꢀ ꢀ 文献标志码ꢀ Aꢀ ꢀ ꢀ 文章编号ꢀ 1001-1250(2015)-08-110-06 Error Analysis and Correction Method of Sirovision Telemetry System of Jointed Rock Mass Xu Shuaiꢀ Zhang Chiꢀ An Longꢀ Li Yuanhui ( Key Laboratory of Ministry of Education on Safe Mining of Deep Metal Mines,Shenyang 110819,China) Abstractꢀ In order to obtain more accurate statistical results when carrying out the data analysis of rock structure by u- sing Sirovision telemetry system of jointed rock mass,firstly,the process of filed measurement and data analysis of the system are studied,and the equipment composition and working principle of the system are introduced. Main source of the errors in the process of investigating and analyzing the jointed rock mass by using the system is analyzed. The errors can be summarized as the error of shooting operation,the error of control point coordinates and the error of joints identification;then,according to the different sources of errors,the corresponding error calibration experiments are carried out so as to analyze the causes of errors generated and the influence of the errors on investigation and analysis results. Effective measures of reducing errors are pro- posed to correct the investigation and analysis results;finally,rock structure of the typical rock of Jiaojia gold mine is investiga- ted and analyzed based on the corrected Sirovision jointed rock mass investigation and analysis method,and the three-dimen- sional model of rock mass is reconstructed and the information of the structure surface is extracted. Comparison between the in- vestigation and analysis results of the Sirovision system and the manual measurement results are conducted,and the results show that the data obtained by the corrected Sirovision jointed rock mass investigated and analysis method is consistent with the actual situation,it can meet the precision requirements of jointed rock mass investigation. The unstable structure (wedge struc- ture) of Jiaojia gold mine is analyzed based on the spatial distribution pattern obtained by the corrected Sirovision jointed rock mass investigation and analysis method proposed in this paper. It can provide some reference for stability of rock mass classifi- cation and ensuring mine safety production. Keywordsꢀ Sirovision telemetry system,Error analysis and calibration,Three-dimensional model reconstruction,Wedge structure [ 1] ꢀ ꢀ “言岩体必及结构” 是由于岩体中地质结构面 的存在,使得岩体力学强度大为降低。 工程实践证 收稿日期ꢀ 2015-06-23 基金项目ꢀ 国家自然科学基金项目(编号:51204031,51274055),“十二五”国家科技支撑计划项目(编号:2013BAB02B03),教育部基本科研业务 费项目(编号:N130401007,N120701001),辽宁省教育厅一般项目(编号:L2014100)。 作者简介ꢀ 徐ꢀ 帅(1981—),男,副教授,博士,硕士研究生导师。 · 110· ꢀ ꢀ ꢀ 徐ꢀ 帅等:Sirovision 节理岩体遥测系统误差分析与修正方法ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2015 年第 8 期 明,岩体结构面对于岩体的变形与破坏具有控制作 机的连线平行于水平面,属于“单独像对相对定向” (见图 1),通过 ϕ1 ,к1 ,ϕ2 ,w,к2 5 个定向元素,完成像 对的相对定向。 [ 2-12] 用 ,因此,准确描述岩体中结构面的空间几何形 态及力学性质对于判定和分析岩体的稳定性有着至 关重要的作用。 现有的岩体结构面采集方法可大致 划分为 2 类:①接触式测量法,以测线法为代表,通过 皮尺和罗盘对待测结构面进行人工现场逐一测量。 该方法可获得准确的结构面信息,但劳动强度大,工 作效率低,受环境及安全因素制约,存在较多无法测 量的区域。 随着科技的发展,该方法已经无法满足工 程快速施工的需求。 ②非接触测量法,包括三维激光 图 1ꢀ 单独像对相对定向元素 Fig. 1ꢀ Relative orientation elements [ 13-16] [17-20] 和摄影测量法 。 该 2 种方法无需接 扫描法 触岩体结构面即可采集信息,具有快速、便捷、高效的 特点。 但三维激光扫描的精度与效率受到激光测距 精度以及点云密度的制约;摄影测量技术由于采用严 密的解析计算方法从而能够获得较高的测量精度,在 岩土工程领域得到了广泛的应用,常用的摄影测量系 统有 3GSM、VirtuoZo、GeoSMAꢁ3D、LiDAR scans、Siro- vision 等。 为此,介绍了 Sirovision 岩体结构面三维遥 测系统的组成,对使用该系统进行测量时的误差来源 进行了分析,提出了减小测量误差的方法,并应用于 焦家金矿试验矿块,通过调查获取研究区内优势结构 面的产状及危险块体的具体位置,为确保矿山安全生 产及优化工程参数提供依据。 of individual image pairs 立体像对通过相对定向后,利用图形合成形成与 实物相似的几何模型,但该模型的大小与空间方位均 是任意的,因而有必要借助被测对象中已知的地面控 制点,对定向后的模型进行平移、旋转与缩放,转化为 摄影测量坐标系中的模型。 需要确定相对定向所建 立的模型空间方位的 7 个参数( Xs ,Ys ,Zs ,λ,ϕ,w, к), 借助目标对象中 3 个地面控制点,计算该 7 个参 数,公式如下: éa1 a2 a3 ù éU ù éXS ù éXù Y = λ b1 b2 b3 V + YS , (1) ëZû ëc1 c2 c3 û ëWû ëZS û 1 ꢀ 岩体结构面遥测系统 式中,(X,Y,Z)为地面控制点在摄影测量坐标系中的 坐标;λ 为缩放因子;( a1 ,b1 ,c1 ),( a2 ,b2 ,c2 ),( a3 , b3 ,c3 )为 2 个坐标轴系的 3 个转角 ϕ,w,к 计算出的 方向余弦值;(U,V,W) 为地面控制点在像空间辅助 坐标系中的坐标;(Xs ,Ys ,Zs )为坐标原点的平移量。 CAE SirovisionTM 是一套专门应用于岩体结构 面调查与分析的测量系统,包括 2 个部分:①CAE 立 体图像采集仪,集成 2 台高分辨率工业相机,通过单 杆脚架,实现 0° ~ 360°范围内岩面二维图像的快速 获取;②三维图像处理与分析软件,融合了岩体三维 模型重构、结构面绘制、结构面统计分析以及岩体稳 定性分析等 4 部分功能,不仅能够快速统计岩体结构 面的空间方位产状数据,而且能够对岩体的稳定性给 出准确的评价结果。 像点坐标与地面控制点在摄影测量坐标系中的 坐标可通过线性交换法进行求解: ìx = - I1 X + I2 Y + I3 Z + I4 I9 X + I10 Y + I11 Z + 1 í , (2) y = - I5 X + I6 Y + I7 Z + I8 I X + I Y + I Z + 1 Sirovision 节理岩体遥测系统( 以下简称 Sirovi- sion 系统)依据双目立体测图的基本原理获取目标岩 体的左右 2 幅图像,基于所获取的图像,完成图像的 内方位元素定位后,通过图像合成,重建目标岩体的 几何模型;根据目标岩体中的控制点坐标,进行外方 位元素定位,完成几何模型的坐标转换;在转换后的 模型中,提取节理岩体信息。 î 9 10 11 式中,( x,y ) 为像点坐标; I1 ,I2 ,I3 ,…,I11 为直接线 性变换系数。 Sirovision 系统工作时,2 台相机位置固定,其镜 头间距不变,相机参数固定,仅需要通过被测物体上 的 3 个控制点构建解算方程组即可进行求解。 2 ꢀ Sirovision 系统误差 图像内方位元素定向是用于确定 2 幅图像之间 的相对位置,直接服务于图像合成和模型建立。 Siro- vision 系统工作时设备平行于水平面,换言之,2 台相 2. 1ꢀ 误差来源 (1)目标岩面图像的合成效果。 岩面图像的合 成效果直接决定数据处理结果的准确性,而图像获取 · 111· 总第 470 期ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 金ꢀ ꢀ 属ꢀ ꢀ 矿ꢀ ꢀ 山ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2015 年第 8 期 时合理的拍摄距离以及最佳的拍摄角度对于提高三 导致拍摄方向与岩面法线存在夹角,造成获得的岩体 结构面产状统计数据与真实值间存在一定的误差。 为了分析拍摄角度改变时对测量结果的影响,分别使 拍摄方向与岩面法线成 0°、10°、20°、30°夹角进行拍 摄。 对改变拍摄角度获得的公共拍摄区域内的同一 节理进行调查,结果见图 3。 同一结构面在不同拍摄 角度下获得的产状数据与罗盘实测值对比见表 1。 维图像的合成效果具有较大影响。 ( 2) 控 制 点 坐 标 位 置 选 取 与 目 标 岩 面 定 位。 Sirovision 系统工作时,至少需要 3 个不在同一直线上 的控制点的真实坐标实现岩体结构由相对坐标到真 实坐标的转换。 因此,需要利用矿山已有的测量网 络,采用全站仪测量控制点坐标,控制点坐标测量的 方法与精度决定了三维合成图像坐标转换的精度。 ( 3)节理岩体信息的提取操作。 Sirovision 系统 提取岩体结构面信息是以三维合成模型为对象,采用 人工绘制的方式进行。 在统计节理的长度、尺度、分 布特征等信息过程中,由于缺乏统一标准,基本依赖 于操作人员对节理信息的理解,不同的操作人员所提 取的信息有所差异。 因此,人为因素成为影响结构面 产状数据统计结果一致性和准确性的重要因素。 图 3ꢀ 拍摄角度改变时岩体结构面产状差异 Fig. 3ꢀ Difference of the rock mass structure surface under different camera angles 2 2 2 . 2ꢀ 误差标定及对策 . 2. 1ꢀ 岩面合成效果 . 2. 1. 1ꢀ 拍摄距离 表 1ꢀ 同一结构面不同拍摄角度下的产状差异 Table 1ꢀ Differences of the same structure surface Sirovision 系统预先提供自定义设置、3 ~ 5 m、5 under different camera angles (°) ~ 7 m、7 ~ 10 m 等 4 类拍摄距离供选择。 地下矿山 Sirovision 系统测量值 巷道宽度差异较大,部分矿山巷道宽度小于 3 m,无 法选择预设的量测距离选项。 为此,在确保测量设备 与岩面垂直的基础上,分别在距离岩面 1. 8,2. 1,2. 5 m 处对岩面的同一区域进行拍摄,得到不同距离条件 下三维图像的合成效果见图 2。 罗ꢀ 盘 实测值 项ꢀ 目 0 10 20 30 倾ꢀ 向 倾ꢀ 角 16. 5 66. 5 16. 4 66. 5 31. 4 66. 9 42. 0 67. 6 52. 0 67. 2 ꢀ ꢀ 由表 1 可知,Sirovision 系统设备与岩面垂直时得 到的测量结果与罗盘实测值基本一致,当拍摄角度为 0°时,统计值与真实值间的误差较大,对此,按照上 1 述方法对 0° ~ 10°范围内改变拍摄角度对于结构面 产状数据的影响进行分析,发现当拍摄方向与岩面法 线间的夹角为 5°时,结构面的倾向值为 15. 8°,与真 实值间的绝对误差仅为 0. 7°,达到了可以接受的范 围。 因此,在测量前首先根据最佳拍摄距离在巷道底 板绘制 1 条与岩体平行的直线作为标准线,确保成像 系统在标准线上移动,2 台相机的连线与其平行或夹 角小于 5°,即可有效避免上述问题的产生。 图 2ꢀ 不同距离条件下图像的合成效果 Fig. 2ꢀ Synthetic effects of image under different distances 随着拍摄距离的增加,成像系统所能获取的图像 范围也有所增加,当垂直距离为 2. 5 m 时,三维图像 合成区域的面积与原始二维图像总面积的比值(合 成面积比)达到 72% ,为自定义设置条件下最大的合 成面积比;随着垂直距离进一步增大,虽然拍摄区域 有所增大,但图像边缘的质量显著降低,使得图像合 成时边缘处无法合成,降低了整幅图像的合成效果, 因此在巷道宽度小于 3 m 的矿山,选择 2. 5 m 的拍摄 距离有助于获得更为准确的数据分析结果。 2 . 2. 2ꢀ 控制点布设与目标岩面定位 采用免棱镜激光全站仪测量控制点坐标,通过空 间极坐标测量法获取目标点的三维坐标。 由于岩面 质量及控制点标识方式的影响,造成 Sirovision 系统 统计结果与实测值间存在一定的偏差。 为此,可按照 如图 4 所示的方式于目标岩面布置 6 个控制点。 采 # # # 用 2 、4 、5 控制点的测量坐标进行目标岩面的空间 # # # 定位,利用 1 、3 、6 控制点的测量坐标与 Sirovision 系统的统计值进行对比,结果见表 2。 2 . 2. 1. 2ꢀ 拍摄角度 由于测量条件限制以及操作者经验不足等因素 · 112· ꢀ ꢀ ꢀ 徐ꢀ 帅等:Sirovision 节理岩体遥测系统误差分析与修正方法ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2015 年第 8 期 表 3ꢀ 不同操作人员得到的岩体结构面统计数据 Table 3ꢀ Statistics results of rock mass structure surface of different operators 优势结构面产状 / (°) 结构面 平均间距 操作 人员 第 1 组 倾向 倾角 340. 0 82. 6 310. 6 78. 8 318. 0 76. 6 3. 7 75. 3 第 2 组 第 3 组 / m 倾向 倾角 倾向 倾角 57. 5 48. 9 A B 8. 0 4. 0 0. 502 0. 462 图 4ꢀ 控制点布设形式 ꢀ ꢀ 由表 3 可知,不同的操作人员对于岩体结构面信 Fig. 4ꢀ Layout form of control points 息的统计存在差异,导致按照产状特性进行的岩体结 构面分组的结果存在差异,造成了基于不同节理组间 岩体的稳定性分析结果存在较大误差。 对此,根据节 理的力学性质,制定了绘制结构面的一般原则:①绘 制出露明显并具有明显延伸趋势的单个结构面;②根 据节理发育特征绘制具有明显交叉呈“X” 型的剪节 理;③绘制具有等距平行排列特征的平行剪节理;④ 绘制长度大于 0. 3 m 并具有明显开口特征的张节理。 按照上述原则绘制结构面可以规范岩体结构面的绘 制方式,避免绘制的随意性。 表 2ꢀ 控制点坐标实测值与 Sirovision 系统统计值对比 Table 2ꢀ Comparison between measured values and statistic values of Sirovision system of control points m 测 点 坐 标 实测值 统计值 绝对误差 X Y Z X Y Z X Y Z 335 396. 788 3 519 696. 241 1 675. 627 335 396. 742 3 519 696. 197 1 675. 472 0. 046 0. 044 0. 155 0. 219 0. 023 0. 013 0. 049 0. 079 0. 187 # 1 335 399. 022 3 519 699. 198 1 675. 799 335 399. 241 3 519 699. 221 1 675. 786 # 3 335 395. 683 3 519 695. 408 1 676. 455 335 395. 634 3 519 695. 329 1 676. 268 # 6 3 ꢀ 应用实例 测试地点位于焦家金矿ꢁ450 m 中段,矿体赋存 # # # ꢀ ꢀ 由表 2 可知,1 、3 、6 控制点坐标实测值与统计 条件复杂,节理裂隙高度发育,矿岩破碎,稳定性差, 给矿山安全生产带来了巨大威胁。 针对试验矿块开 展破碎岩体的节理调查分析研究,查明该区节理方 位、节理面的组数进而推测岩体中危险块体的位置。 根据工程特点及稳定性分析的需要,共布置 9 个测 点,并按照测点的集中分布特征将其划分为 5 个测区 (见图 5),以便将同一测区内的三维岩面进行合成。 值间存在不同程度的误差,由于全站仪为经过标定的 设备,自误差较小,因此推测误差产生的原因主要有: ① 控制点选择在岩石尖端或岩面颜色相对单一的位 置,免棱镜激光全站仪观测时激光发生散射和折射, 导致测量结果存在偏差;②现场采用喷涂十字交叉点 的方式得到的控制点位置范围较大,而全站仪照准控 制点后所得到的测量坐标为激光点的位置,因此在进 行数据还原时无法精确对应,产生测量误差。 对此, 现场控制点应布设于岩面相对平坦且有明显的色块 交界处,标识控制点时应尽可能确保十字交叉位置能 够趋于 1 点,减小目标岩面的定位误差。 2 . 2. 3ꢀ 结构面绘制 Sirovision 系统提供了 2 种岩体结构面信息的识 别方法:①基于后处理软件的自动识别;②依托后处 理软件,根据结构面特征,手工进行绘制。 对于结构 面数量较少且特征明显的岩体采用第一种方法得到 的统计结果相对唯一,但对于绝大部分岩体,结构面 数量较大且错综复杂,通常采用手工绘制的方式识别 岩体结构面信息。 由于不同人员的操作经验各异,导 致相同的岩面绘制出不同数量的结构面,从而导致岩 体结构面统计结果存在一定的差异。 任意 2 位操作 人员得到的 3 组岩体结构面统计数据见表 3。 图 5ꢀ 调查区域测点分布 Fig. 5ꢀ Distribution of measuring points in investigation area 试验矿块所在的巷道宽 3. 5 m,选择对应的拍摄 距离和垂直于测区岩体的位置,获得岩面的二维图像 对并合成三维实体图。 基于 Sirovision 系统后处理软 件对节理裂隙进行了数字化的识别,得到了如图 6 所 示的节理面分布情况。 · 113· 总第 470 期ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 金ꢀ ꢀ 属ꢀ ꢀ 矿ꢀ ꢀ 山ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2015 年第 8 期 # # # # 由图 7 可知,1 ~ 3 、4 ~ 5 测点处的顶板中存在 危险体结构,可能对地下开采产生较大的威胁,需根 据现场情况及时处理。 4 ꢀ 结ꢀ 语 分析了 Sirovision 系统的图像获取操作及数据处 理过程,认为目标岩体控制点坐标获取、目标岩体的 图像质量,节理岩体的提取操作是产生测量误差的主 要原因,并给出了相应的减小误差措施。 进行了焦家 金矿试验采场节理岩体调查与稳定性分析,得到了调 查区内优势结构面的几何统计参数及岩体的不稳定 位置,与罗盘测量获得的数据误差较小。 # # 图 6ꢀ 1 ~ 3 测点节理分布 # # Fig. 6ꢀ Jointed distribution of 1 ~ 3 measuring points Sirovision 系统获得的岩体结构面参数与实测值 对比见表 4。 表 4ꢀ Sirovision 系统获得的岩体结构面参数与实测值对比 Table 4ꢀ Comparision of the parameters of rock mass structure surface obtained by Sirovision system and field measuring 误ꢀ ꢀ 差 参ꢀ 考ꢀ 文ꢀ 献 [ 1]ꢀ 吴志勇. 岩体结构信息化处理及工程应用[D]. 成都:成都理工 大学,2003. 倾向 倾角 / (°) 倾ꢀ 向 绝对 相对 (°) 倾ꢀ 角 项ꢀ 目 / (°) Wu Zhiyong. 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