自動(dòng)化煤堆體積測(cè)量系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用

1、自動(dòng)化煤堆體積測(cè)量系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用摘要：本文介紹了煤堆體積測(cè)量的現(xiàn)狀，詳述了自動(dòng)化煤堆體積測(cè)量系統(tǒng)的開(kāi)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(xué)模型。關(guān)鍵詞：煤堆體積測(cè)量，云臺(tái)，系統(tǒng)組成，近景攝影測(cè)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. 隨著國(guó)家對(duì)礦產(chǎn)資源管理的重視，要求熱發(fā)電廠(chǎng)，煤礦等各種礦產(chǎn)應(yīng)用企業(yè)和開(kāi)采企業(yè)必須用科學(xué)，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(wèn)題。面對(duì)不斷變化的已開(kāi)采的礦產(chǎn)存儲(chǔ)場(chǎng)的礦產(chǎn)資源數(shù)量實(shí)時(shí)，準(zhǔn)確的量算就顯得非常的重要。熱發(fā)電廠(chǎng)煤場(chǎng)的煤存儲(chǔ)是處于

3、不斷的變化之中，傳統(tǒng)的盤(pán)煤方法由于周期長(zhǎng)，和測(cè)量手段的局限，難以到達(dá)高精度，高效率的要求?；痣姀S(chǎng)的燃煤管理是生產(chǎn)管理的重要工作，對(duì)電廠(chǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有著直接影響，火電廠(chǎng)燃料成本占整個(gè)生產(chǎn)成本的絕大多數(shù)，煤場(chǎng)存煤量的計(jì)量直接影響著電廠(chǎng)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。因而，迅速準(zhǔn)確的測(cè)量出煤場(chǎng)煤堆的體積和質(zhì)量對(duì)各電廠(chǎng)進(jìn)行成本核算，經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估和科學(xué)管理的有著極為重要的作用。目前，國(guó)家以耗煤企業(yè)盤(pán)煤的精度作為考察企業(yè)經(jīng)營(yíng)管理的一項(xiàng)最重要指標(biāo)，使得煤場(chǎng)準(zhǔn)確盤(pán)煤成了一些熱發(fā)電廠(chǎng)煤場(chǎng)管理必須解決的問(wèn)題。并且，煤場(chǎng)環(huán)境惡劣，操作人員長(zhǎng)期在煤場(chǎng)工作即不便又不利于身體健康。因此，能開(kāi)發(fā)出智能化，自動(dòng)化的煤堆體積測(cè)量系統(tǒng)也顯得極為重要。

4、本文以上海某電廠(chǎng)自動(dòng)化煤堆體積測(cè)量系統(tǒng)為背景，著重闡述了利用一體化攝像機(jī)為攝取像對(duì)工具，根據(jù)數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的方法，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)煤堆體積測(cè)量的應(yīng)用。一 常用的體積測(cè)算方法目前根據(jù)各煤礦礦產(chǎn)相關(guān)企業(yè)的規(guī)模和經(jīng)濟(jì)實(shí)力不同，用以測(cè)算煤堆體積的方法也各不相同。大體有以下幾類(lèi)：1 卷尺現(xiàn)場(chǎng)量算：它的基本過(guò)程是將量算對(duì)象堆成較為規(guī)則的形狀，由工作人員用卷尺現(xiàn)場(chǎng)丈量規(guī)則對(duì)象的幾何形狀，從而計(jì)算體積的方法。這種方法雖然簡(jiǎn)單，易行，但需對(duì)觀(guān)測(cè)對(duì)象進(jìn)行整理，人工現(xiàn)場(chǎng)丈量，周期較長(zhǎng)，時(shí)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(cè)量三維坐標(biāo)的功能，先對(duì)整個(gè)觀(guān)測(cè)對(duì)象進(jìn)行

5、全面測(cè)量，建立整個(gè)觀(guān)測(cè)對(duì)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(guò)程中工作量往往較大，而且需要較高的測(cè)繪和計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)水準(zhǔn)，測(cè)量精度和周期要視觀(guān)測(cè)對(duì)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(guān)測(cè)對(duì)象沿一邊方向分成若干個(gè)段單元，利用超聲波或激光通過(guò)不通介質(zhì)具有不同反射的特性，對(duì)每段單元的每個(gè)斷面進(jìn)行掃描，分析計(jì)算斷面的掃描面積，從而求出整個(gè)觀(guān)測(cè)對(duì)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(lái)測(cè)量誤差影響測(cè)算精度。該方法自動(dòng)化程度和技術(shù)含量都很高，但是成本也比較高。以上這些現(xiàn)有的煤體體積測(cè)量方案，總體來(lái)說(shuō)都需要很大的工作量，而且精度有限，為此，設(shè)計(jì)了自動(dòng)化煤堆體積測(cè)

6、量系統(tǒng)。它的主要設(shè)計(jì)思路是利用常規(guī)的監(jiān)控設(shè)備，包括云臺(tái)，攝像機(jī)，采用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的方法自動(dòng)計(jì)算煤體體積。整個(gè)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(jìn)行干預(yù),按照預(yù)先設(shè)定好的時(shí)間間隔進(jìn)行一次或者多次體積測(cè)量。達(dá)到完全自動(dòng)化的目的。二 化煤堆體積測(cè)量系統(tǒng)硬件組成自動(dòng)化煤堆體積測(cè)量系統(tǒng)硬件主要由以下幾部分組成：1PH-301P室外重型云臺(tái)。其載重18公斤，仰俯角度-90+20，全方位355旋轉(zhuǎn)全金屬外罩結(jié)構(gòu)，云臺(tái)中內(nèi)置了步進(jìn)馬達(dá)，并且裝有云臺(tái)解碼器和鏡頭解碼器PH-K1501，共有64個(gè)預(yù)制點(diǎn)。另外還配有帶雨刷功能的室外全天候防護(hù)罩PH-H09E，在防護(hù)罩邊上加裝了一個(gè)密封箱，每

7、次測(cè)量完畢云臺(tái)自動(dòng)轉(zhuǎn)到該密封箱內(nèi)以防止煤堆煤灰對(duì)測(cè)量的影響。此外還有。RS485串口通訊線(xiàn)200米。2一體化攝像機(jī)：采用DSP彩色470線(xiàn)CCD攝像機(jī)。其采集的單片最大有效分辨率為752*582。3視頻采集卡：視頻捕捉卡是用于捕捉攝像機(jī)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(cè)量的控制網(wǎng)。5 計(jì)算機(jī)房及微機(jī)。用以云臺(tái)控制，圖像采集，數(shù)據(jù)處理。三 動(dòng)化煤堆體積測(cè)量系統(tǒng)的軟件組成及數(shù)學(xué)模型1. 臺(tái)控制部分云臺(tái)是通過(guò)485串行線(xiàn)控制的。采用PELCO D 通訊協(xié)議。主要控制云臺(tái)的上下左右的運(yùn)動(dòng)，云臺(tái)

8、的停止以及預(yù)置位的設(shè)置。預(yù)置位的設(shè)置對(duì)于整個(gè)自動(dòng)化煤堆測(cè)量系統(tǒng)非常重要。它免除了人工的照準(zhǔn)，改而只需初次選定一些攝像點(diǎn)便可在以后的測(cè)量過(guò)程中自動(dòng)運(yùn)動(dòng)到初始設(shè)定的位置，進(jìn)行一些列的攝像動(dòng)作。并且由于采用了步進(jìn)馬達(dá)使得云臺(tái)預(yù)置點(diǎn)定位精度非常高。PH-301P室外重型云臺(tái)的內(nèi)置云臺(tái)解碼器支持設(shè)定多達(dá)64個(gè)預(yù)置點(diǎn)。云臺(tái)中的鏡頭解碼器還可以控制攝像機(jī)鏡頭的變倍變焦以及光圈大小等。2. 數(shù)據(jù)采集攝像機(jī)部分為了能獲得攝像機(jī)所拍攝的圖像，必須采用視頻捕捉卡。又為了在windows平臺(tái)上能得到視頻捕捉卡所獲得的圖像，采用了DirectX組件中的DirectShow。DirectShow支持多種接口的視頻采集卡，

9、他們可能以PCI或者AGP的方式插入PC機(jī)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(dòng)程序類(lèi)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(shí)現(xiàn)角度看，對(duì)WDM卡選擇視頻輸入端子，設(shè)置采集輸出的圖像格式，設(shè)置圖像的對(duì)比度，亮度，色調(diào)，飽和度等顯示參數(shù)，都是通過(guò)COM接口來(lái)實(shí)現(xiàn)的。DirectShow即支持WDM卡，也支持VFW卡，具有良好的兼容性。對(duì)于安裝了多個(gè)系統(tǒng)設(shè)備（攝像機(jī)）的情況，Direct

10、Show則是通過(guò)枚舉的方式來(lái)創(chuàng)建。3. 體積量算的理論及數(shù)學(xué)模型近景攝影測(cè)量1). 自動(dòng)化煤堆體積測(cè)量系統(tǒng)的運(yùn)行步驟：a) 攝像機(jī)坐標(biāo)系統(tǒng)向像平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換：攝像機(jī)傳感器平面坐標(biāo)系統(tǒng)與數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的像平面坐標(biāo)系統(tǒng)不重合，存在變形，通過(guò)對(duì)拍攝過(guò)程中的仿射變形糾正以及坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換參數(shù)的解算，使得用攝像機(jī)拍攝的數(shù)字影像符合攝影測(cè)量中對(duì)影像坐標(biāo)系的要求。b) 內(nèi)定向：內(nèi)定向是攝影測(cè)量的第一步，在模擬攝影測(cè)量?jī)x上進(jìn)行攝影測(cè)量時(shí)，首先應(yīng)將相片的框標(biāo)與相片盤(pán)上的框標(biāo)重合，在解析儀上測(cè)量坐標(biāo)時(shí)，在將相片安放在相片盤(pán)上后，首先要觀(guān)測(cè)相片框標(biāo)的坐標(biāo)，使相片坐標(biāo)系統(tǒng)與框架坐標(biāo)系統(tǒng)聯(lián)系在儀器。數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的第一步也是內(nèi)

11、定向，內(nèi)定向的目的就是確定攝像機(jī)坐標(biāo)系統(tǒng)與像平面坐標(biāo)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(duì)定向：相對(duì)定相是通過(guò)左右影像上的已知同名影像控制點(diǎn)，解求影像對(duì)的相對(duì)定向元素和攝影主距，以確定影像像對(duì)的相對(duì)位置及恢復(fù)攝影機(jī)物方光束的相對(duì)位置。采用的方法是利用相對(duì)定向的直接解，結(jié)果的表現(xiàn)形式是右方影像相對(duì)于左方影像的旋轉(zhuǎn)矩陣和右攝影站點(diǎn)在模型坐標(biāo)系中的坐標(biāo)以及三個(gè)基線(xiàn)分量。相對(duì)定向是將像平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)化成模型坐標(biāo)的前提。d) 影像的重采樣：由于攝取觀(guān)測(cè)對(duì)象的左右像對(duì)時(shí)，攝像機(jī)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(diǎn)匹配的二維搜索變?yōu)橐痪S搜索，利用核線(xiàn)

12、的幾何關(guān)系，對(duì)相片進(jìn)行重采樣，實(shí)現(xiàn)按核線(xiàn)關(guān)系排列，以便于搜索同名點(diǎn)。e) 特征點(diǎn)的提?。焊鶕?jù)設(shè)計(jì)區(qū)域影像灰度變化大小核變化趨勢(shì)一致性，提取影像特征點(diǎn)，并按特征值的大小對(duì)特征點(diǎn)進(jìn)行分級(jí)，為特征點(diǎn)的分級(jí)匹配做好準(zhǔn)備。f) 同名點(diǎn)對(duì)的獲取：同名點(diǎn)對(duì)的獲取是自動(dòng)化煤堆體積測(cè)量系統(tǒng)的關(guān)鍵之一。該步工作是通過(guò)分級(jí)控制的同名點(diǎn)匹配實(shí)現(xiàn)的。主要目的是根據(jù)同名點(diǎn)的灰度相關(guān)的關(guān)系，確定特征點(diǎn)在左右影像平面上的像平面坐標(biāo)值。以解算特征點(diǎn)在模型坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值。g) 絕對(duì)定向：利用空間后方交會(huì)原理，確定模型坐標(biāo)系向物方空間坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的旋轉(zhuǎn)矩陣和模型坐標(biāo)系原點(diǎn)在物方坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值即求解外方位元素。然后利用各攝站的外方

13、位元素根據(jù)解析空中三角測(cè)量中計(jì)算投影系數(shù)的數(shù)學(xué)關(guān)系，利用前方交會(huì)原理計(jì)算出碎步點(diǎn)的物方三維坐標(biāo)。以實(shí)現(xiàn)模型坐標(biāo)向物方坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。h) 空間三維坐標(biāo)以及觀(guān)測(cè)對(duì)象體積的計(jì)算：通過(guò)上述的同名點(diǎn)匹配，獲得了同名點(diǎn)在各自像平面上的二維坐標(biāo)值。根據(jù)共線(xiàn)條件，以相對(duì)定向，絕對(duì)定向元素為參數(shù)，解算特征點(diǎn)在物體方空間坐標(biāo)系統(tǒng)中的坐標(biāo)值。用不規(guī)則三角形將這些離散特征點(diǎn)連成近等邊三角形，且沒(méi)有重復(fù)。每個(gè)三角形都形成一個(gè)垂至于觀(guān)測(cè)對(duì)象地面的三棱體，以每個(gè)三棱鏡位單元分別計(jì)算三棱鏡的體積，然后求和便求得了整個(gè)觀(guān)測(cè)對(duì)象的體積。然后確定煤體的平均密度，就可以求得觀(guān)測(cè)對(duì)象的質(zhì)量了。2). 采用近景攝影測(cè)量方式的一些優(yōu)點(diǎn)：a)

14、.近景攝影測(cè)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(diǎn)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(duì)于煤堆測(cè)量就不需要人工到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)即可進(jìn)行測(cè)量。b).像片信息豐富,顯示能力客觀(guān),適用于測(cè)量規(guī)則或不規(guī)則的物體的外形。對(duì)于煤堆這種不規(guī)則，不均勻的物體特別適合。c) 對(duì)控制點(diǎn)的布設(shè)及精度要求較高,但與傳統(tǒng)的大地測(cè)量相比,可大大減少外業(yè)工作量。d) 像片可長(zhǎng)期保存,有利于檢查,分析及對(duì)比。3). 影響精度的主要因素表現(xiàn)在近景攝影測(cè)量系統(tǒng)的幾何特征，物理特征以及數(shù)學(xué)模型方面。具體說(shuō)有以下幾個(gè)方面。a 點(diǎn)坐標(biāo)改正后的殘余誤差。這是因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)的成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。用某種

15、數(shù)學(xué)模型只能達(dá)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(biāo)的比例和正交性并不能完全消除。這些都說(shuō)明已改正的像點(diǎn)坐標(biāo)中還存在微小的系統(tǒng)誤差。b 量測(cè)誤差，對(duì)像點(diǎn)坐標(biāo)的量測(cè)取決于算法的優(yōu)劣。但是自動(dòng)化量測(cè)帶來(lái)的巨大進(jìn)步減少了人工的干預(yù)，同時(shí)也基本消除了人工觀(guān)測(cè)的誤差影響；攝影測(cè)量的幾何圖形，如攝影機(jī)焦距，基距比B/Y以及攝影機(jī)軸的交會(huì)角等都影響模型坐標(biāo)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(diǎn)的數(shù)量以及它們的分布。e 控制點(diǎn)標(biāo)志的大小及其測(cè)量精度。f 攝影空間大氣或其他介質(zhì)的折光影響；g 被測(cè)物體的照明狀態(tài)，被測(cè)物體表面結(jié)構(gòu)的處理。4).提高

16、精度應(yīng)采取的措施：清晰了影響近景攝影測(cè)量的主要因素，在煤堆體積自動(dòng)化測(cè)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(cè)采用特征點(diǎn)提取；b 控制點(diǎn)的數(shù)量及其在模型空間中的分布取決于被測(cè)目標(biāo)的預(yù)期精度，算法，和目標(biāo)的復(fù)雜程度，一般情況下要求控制點(diǎn)在整個(gè)目標(biāo)范圍內(nèi)均勻分布，所有控制點(diǎn)連線(xiàn)能控制所研究的目標(biāo)，不分布在同一平面或者近似同一個(gè)平面上。過(guò)多的控制點(diǎn)對(duì)提高精度沒(méi)有明顯的益處，而且布置也困難。因此，參與平差控制點(diǎn)的數(shù)量取為比較合適的912個(gè)。；c 攝站分布要構(gòu)成比較好的圖形。攝影距離越長(zhǎng)，精度越低。因此盡可能的靠近物體攝影。攝影基線(xiàn)大致平行于攝影目標(biāo)，以便不致因近景點(diǎn)和遠(yuǎn)近景點(diǎn)的距離相差懸殊而使精度相差很大?；€(xiàn)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(jī)具有很好的夜視功能。并且適當(dāng)調(diào)整煤場(chǎng)的照明條件。四 小結(jié)自動(dòng)化煤堆量測(cè)系統(tǒng)在一定精度的保證下充分實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(cè)量周期短，設(shè)備成本也比較合理。對(duì)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(shí)用價(jià)值。參考文獻(xiàn)魏明果 劉德福 基于普通數(shù)碼攝像機(jī)全攝影測(cè)量的理論和方法 大壩觀(guān)測(cè)與土木測(cè)試 NO.1,2000張祖勛 張劍清 數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量 武漢測(cè)繪科技大學(xué)出版社陸其明