自動化煤堆體積測量系統(tǒng)的開發(fā)應用

1、自動化煤堆體積測量系統(tǒng)的開發(fā)應用摘要：本文介紹了煤堆體積測量的現(xiàn)狀，詳述了自動化煤堆體積測量系統(tǒng)的開發(fā)前景，系統(tǒng)的硬件軟件組成以及主要采用的一些數(shù)學模型。關(guān)鍵詞：煤堆體積測量，云臺，系統(tǒng)組成，近景攝影測量。Abstract: This paper introduces the existing status and foreground of volume - measure of coal dump . And it presents the main theory and constitution of the system that is used to measure volume o

2、f the coal dump automatically.Key words: volume - measure of coal dump, platform , system constitution, close range photogrammetric survey. 測繪信息網(wǎng)隨著國家對礦產(chǎn)資源管理的重視，要求熱發(fā)電廠，煤礦等各種礦產(chǎn)應用企業(yè)和開采企業(yè)必須用科學，規(guī)范的礦產(chǎn)管理方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的粗放型礦產(chǎn)管理模式，這其中的轉(zhuǎn)變除了由傳統(tǒng)的管理制度向現(xiàn)代化的管理制度轉(zhuǎn)變之外，還涉及到技術(shù)問題。面對不斷變化的已開采的礦產(chǎn)存儲場的礦產(chǎn)資源數(shù)量實時，準確的量算就顯得非常的重要。熱發(fā)電廠煤場的煤

3、存儲是處于不斷的變化之中，傳統(tǒng)的盤煤方法由于周期長，和測量手段的局限，難以到達高精度，高效率的要求?；痣姀S的燃煤管理是生產(chǎn)管理的重要工作，對電廠的經(jīng)濟運行有著直接影響，火電廠燃料成本占整個生產(chǎn)成本的絕大多數(shù)，煤場存煤量的計量直接影響著電廠的經(jīng)濟指標。因而，迅速準確的測量出煤場煤堆的體積和質(zhì)量對各電廠進行成本核算，經(jīng)濟效益評估和科學管理的有著極為重要的作用。目前，國家以耗煤企業(yè)盤煤的精度作為考察企業(yè)經(jīng)營管理的一項最重要指標，使得煤場準確盤煤成了一些熱發(fā)電廠煤場管理必須解決的問題。并且，煤場環(huán)境惡劣，操作人員長期在煤場工作即不便又不利于身體健康。因此，能開發(fā)出智能化，自動化的煤堆體積測量系統(tǒng)也顯得

4、極為重要。本文以上海某電廠自動化煤堆體積測量系統(tǒng)為背景，著重闡述了利用一體化攝像機為攝取像對工具，根據(jù)數(shù)字攝影測量的方法，實現(xiàn)全自動煤堆體積測量的應用。一 常用的體積測算方法測繪信息網(wǎng)目前根據(jù)各煤礦礦產(chǎn)相關(guān)企業(yè)的規(guī)模和經(jīng)濟實力不同，用以測算煤堆體積的方法也各不相同。大體有以下幾類：1 卷尺現(xiàn)場量算：它的基本過程是將量算對象堆成較為規(guī)則的形狀，由工作人員用卷尺現(xiàn)場丈量規(guī)則對象的幾何形狀，從而計算體積的方法。這種方法雖然簡單，易行，但需對觀測對象進行整理，人工現(xiàn)場丈量，周期較長，時效性差，而且精度不是很高。2 全站儀地面數(shù)字模型法：全站儀地面數(shù)字模型法的原理是利用全站儀可以直接測量三維坐標的功能，

5、先對整個觀測對象進行全面測量，建立整個觀測對象數(shù)字模型，然后確定其體積。此方法在建立數(shù)字模型過程中工作量往往較大，而且需要較高的測繪和計算機專業(yè)水準，測量精度和周期要視觀測對象的變化量而定。3 超聲波，激光斷面掃描法：這種方法是將觀測對象沿一邊方向分成若干個段單元，利用超聲波或激光通過不通介質(zhì)具有不同反射的特性，對每段單元的每個斷面進行掃描，分析計算斷面的掃描面積，從而求出整個觀測對象體積。由于煤堆的不均勻和波在不同介質(zhì)中反射不一致，而帶來測量誤差影響測算精度。該方法自動化程度和技術(shù)含量都很高，但是成本也比較高。測繪信息網(wǎng)以上這些現(xiàn)有的煤體體積測量方案，總體來說都需要很大的工作量，而且精度有限

6、，為此，設計了自動化煤堆體積測量系統(tǒng)。它的主要設計思路是利用常規(guī)的監(jiān)控設備，包括云臺，攝像機，采用數(shù)字攝影測量的方法自動計算煤體體積。整個系統(tǒng)在初次安裝以后（包括硬件和軟件的安裝）就不需要再人為的進行干預,按照預先設定好的時間間隔進行一次或者多次體積測量。達到完全自動化的目的。二 化煤堆體積測量系統(tǒng)硬件組成自動化煤堆體積測量系統(tǒng)硬件主要由以下幾部分組成：1PH-301P室外重型云臺。其載重18公斤，仰俯角度-90º+20º，全方位355º旋轉(zhuǎn)全金屬外罩結(jié)構(gòu)，云臺中內(nèi)置了步進馬達，并且裝有云臺解碼器和鏡頭解碼器PH-K1501，共有64個預制點。另外還配有帶雨刷功能

7、的室外全天候防護罩PH-H09E，在防護罩邊上加裝了一個密封箱，每次測量完畢云臺自動轉(zhuǎn)到該密封箱內(nèi)以防止煤堆煤灰對測量的影響。此外還有。RS485串口通訊線200米。2一體化攝像機：采用DSP彩色470線CCD攝像機。其采集的單片最大有效分辨率為752*582。測繪信息網(wǎng)3視頻采集卡：視頻捕捉卡是用于捕捉攝像機所采集的視頻數(shù)據(jù)。這里采用了天敏公司的SDK-2000視頻捕捉卡。4 全站儀：這里采用了Leica TCRA1102型全站儀。主要用于建立攝影測量的控制網(wǎng)。測繪信息網(wǎng)5 計算機房及微機。用以云臺控制，圖像采集，數(shù)據(jù)處理。三 動化煤堆體積測量系統(tǒng)的軟件組成及數(shù)學模型1. 臺控制部分云臺是通

8、過485串行線控制的。采用PELCO D 通訊協(xié)議。主要控制云臺的上下左右的運動，云臺的停止以及預置位的設置。預置位的設置對于整個自動化煤堆測量系統(tǒng)非常重要。它免除了人工的照準，改而只需初次選定一些攝像點便可在以后的測量過程中自動運動到初始設定的位置，進行一些列的攝像動作。并且由于采用了步進馬達使得云臺預置點定位精度非常高。PH-301P室外重型云臺的內(nèi)置云臺解碼器支持設定多達64個預置點。云臺中的鏡頭解碼器還可以控制攝像機鏡頭的變倍變焦以及光圈大小等。測繪信息網(wǎng)2. 數(shù)據(jù)采集攝像機部分測繪信息網(wǎng)為了能獲得攝像機所拍攝的圖像，必須采用視頻捕捉卡。又為了在windows平臺上能得到視頻捕捉卡所獲

9、得的圖像，采用了DirectX組件中的DirectShow。DirectShow支持多種接口的視頻采集卡，他們可能以PCI或者AGP的方式插入PC機箱，也可能以USB接口的方式外掛，但是USB接口有傳輸距離的限制，我們就采用了PCI的視頻采集卡。根據(jù)使用驅(qū)動程序類型不同，采集卡主要分兩種VFW（Video for Windows）卡和WDM（Windows Driver Model）卡。前者是一種趨于廢棄的卡，而后者是前者的替代模型。從編程實現(xiàn)角度看，對WDM卡選擇視頻輸入端子，設置采集輸出的圖像格式，設置圖像的對比度，亮度，色調(diào)，飽和度等顯示參數(shù)，都是通過COM接口來實現(xiàn)的。DirectSh

10、ow即支持WDM卡，也支持VFW卡，具有良好的兼容性。對于安裝了多個系統(tǒng)設備（攝像機）的情況，DirectShow則是通過枚舉的方式來創(chuàng)建。測繪信息網(wǎng)3. 體積量算的理論及數(shù)學模型近景攝影測量1). 自動化煤堆體積測量系統(tǒng)的運行步驟：a) 攝像機坐標系統(tǒng)向像平面坐標轉(zhuǎn)換：攝像機傳感器平面坐標系統(tǒng)與數(shù)字攝影測量的像平面坐標系統(tǒng)不重合，存在變形，通過對拍攝過程中的仿射變形糾正以及坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換參數(shù)的解算，使得用攝像機拍攝的數(shù)字影像符合攝影測量中對影像坐標系的要求。b) 內(nèi)定向：內(nèi)定向是攝影測量的第一步，在模擬攝影測量儀上進行攝影測量時，首先應將相片的框標與相片盤上的框標重合，在解析儀上測量坐標時，在

11、將相片安放在相片盤上后，首先要觀測相片框標的坐標，使相片坐標系統(tǒng)與框架坐標系統(tǒng)聯(lián)系在儀器。數(shù)字攝影測量的第一步也是內(nèi)定向，內(nèi)定向的目的就是確定攝像機坐標系統(tǒng)與像平面坐標系統(tǒng)之間的關(guān)系以及糾正數(shù)字影像可能存在的變形。c) 相對定向：相對定相是通過左右影像上的已知同名影像控制點，解求影像對的相對定向元素和攝影主距，以確定影像像對的相對位置及恢復攝影機物方光束的相對位置。采用的方法是利用相對定向的直接解，結(jié)果的表現(xiàn)形式是右方影像相對于左方影像的旋轉(zhuǎn)矩陣和右攝影站點在模型坐標系中的坐標以及三個基線分量。相對定向是將像平面坐標轉(zhuǎn)化成模型坐標的前提。d) 影像的重采樣：由于攝取觀測對象的左右像對時，攝像機

12、的拍攝姿態(tài)在一定范圍內(nèi)是任意的，根據(jù)中心透視原理，必然存在幾何變形，為了將同名點匹配的二維搜索變?yōu)橐痪S搜索，利用核線的幾何關(guān)系，對相片進行重采樣，實現(xiàn)按核線關(guān)系排列，以便于搜索同名點。e) 特征點的提取：根據(jù)設計區(qū)域影像灰度變化大小核變化趨勢一致性，提取影像特征點，并按特征值的大小對特征點進行分級，為特征點的分級匹配做好準備。f) 同名點對的獲?。和c對的獲取是自動化煤堆體積測量系統(tǒng)的關(guān)鍵之一。該步工作是通過分級控制的同名點匹配實現(xiàn)的。主要目的是根據(jù)同名點的灰度相關(guān)的關(guān)系，確定特征點在左右影像平面上的像平面坐標值。以解算特征點在模型坐標系中的坐標值。g) 絕對定向：利用空間后方交會原理，確定

13、模型坐標系向物方空間坐標系轉(zhuǎn)換的旋轉(zhuǎn)矩陣和模型坐標系原點在物方坐標系中的坐標值即求解外方位元素。然后利用各攝站的外方位元素根據(jù)解析空中三角測量中計算投影系數(shù)的數(shù)學關(guān)系，利用前方交會原理計算出碎步點的物方三維坐標。以實現(xiàn)模型坐標向物方坐標的轉(zhuǎn)換。h) 空間三維坐標以及觀測對象體積的計算：通過上述的同名點匹配，獲得了同名點在各自像平面上的二維坐標值。根據(jù)共線條件，以相對定向，絕對定向元素為參數(shù)，解算特征點在物體方空間坐標系統(tǒng)中的坐標值。用不規(guī)則三角形將這些離散特征點連成近等邊三角形，且沒有重復。每個三角形都形成一個垂至于觀測對象地面的三棱體，以每個三棱鏡位單元分別計算三棱鏡的體積，然后求和便求得了

14、整個觀測對象的體積。然后確定煤體的平均密度，就可以求得觀測對象的質(zhì)量了。2). 采用近景攝影測量方式的一些優(yōu)點：a).近景攝影測量可在瞬間精確記錄下被攝物體的信息,即可得到瞬間的點位關(guān)系。這是其它方法所不能辦到的。視作業(yè)的目的不同,作業(yè)方法有較大的靈活性。對于煤堆測量就不需要人工到達現(xiàn)場即可進行測量。b).像片信息豐富,顯示能力客觀,適用于測量規(guī)則或不規(guī)則的物體的外形。對于煤堆這種不規(guī)則，不均勻的物體特別適合。c) 對控制點的布設及精度要求較高,但與傳統(tǒng)的大地測量相比,可大大減少外業(yè)工作量。d) 像片可長期保存,有利于檢查,分析及對比。測繪信息網(wǎng)3). 影響精度的主要因素表現(xiàn)在近景攝影測量系統(tǒng)

15、的幾何特征，物理特征以及數(shù)學模型方面。具體說有以下幾個方面。a 點坐標改正后的殘余誤差。這是因為現(xiàn)實的成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜。用某種數(shù)學模型只能達到一定程度上的近似。有些影像諸如CCD陣列的不均勻，物鏡的徑向和切向畸變，成像坐標的比例和正交性并不能完全消除。這些都說明已改正的像點坐標中還存在微小的系統(tǒng)誤差。b 量測誤差，對像點坐標的量測取決于算法的優(yōu)劣。但是自動化量測帶來的巨大進步減少了人工的干預，同時也基本消除了人工觀測的誤差影響；攝影測量的幾何圖形，如攝影機焦距，基距比B/Y以及攝影機軸的交會角等都影響模型坐標的精度。c 攝站數(shù)量及其分布，攝影方式，攝影距離。d 控制點的數(shù)量以及它們的分布。e

16、控制點標志的大小及其測量精度。f 攝影空間大氣或其他介質(zhì)的折光影響；g 被測物體的照明狀態(tài)，被測物體表面結(jié)構(gòu)的處理。測繪信息網(wǎng)4).提高精度應采取的措施：清晰了影響近景攝影測量的主要因素，在煤堆體積自動化測量系統(tǒng)盡可能的采取一些有效措施避免了一些因素的影響。a 量測采用特征點提??；b 控制點的數(shù)量及其在模型空間中的分布取決于被測目標的預期精度，算法，和目標的復雜程度，一般情況下要求控制點在整個目標范圍內(nèi)均勻分布，所有控制點連線能控制所研究的目標，不分布在同一平面或者近似同一個平面上。過多的控制點對提高精度沒有明顯的益處，而且布置也困難。因此，參與平差控制點的數(shù)量取為比較合適的912個。；c 攝

17、站分布要構(gòu)成比較好的圖形。攝影距離越長，精度越低。因此盡可能的靠近物體攝影。攝影基線大致平行于攝影目標，以便不致因近景點和遠近景點的距離相差懸殊而使精度相差很大。基線與攝影距離之比一般為1/4，1/5為宜。d 選用的一體化攝像機具有很好的夜視功能。并且適當調(diào)整煤場的照明條件。四 小結(jié)自動化煤堆量測系統(tǒng)在一定精度的保證下充分實現(xiàn)自動化。免除了人工在惡劣環(huán)境中的作業(yè)，以及人為的誤差造成的精度損失。并且速度快測量周期短，設備成本也比較合理。對降低發(fā)電成本，提高工作效率有著不可估量的作用。具有較高的實用價值。測繪信息網(wǎng)參考文獻魏明果 劉德福 基于普通數(shù)碼攝像機全攝影測量的理論和方法 大壩觀測與土木測試 NO.1,2000張祖勛 張劍清 數(shù)字攝影測量 武漢測繪科技大學出版社陸其明