岩体形变实时监测系统研究.pdf

西安科技大学 硕士学位论文 岩体形变实时监测系统研究 姓名陈挺 申请学位级别硕士 专业计算机应用技术 指导教师秋兴国 2011 论文题目岩体形变实时监测系统研究 专 业计算机应用技术 硕 士 生陈 挺 （签名） 指导教师秋兴国 （签名） 摘 要 在煤矿安全事故中，巷道的冒顶片帮是最常见的事故之一。许多矿区都采用数字视 频监控系统对巷道进行监控，通过人工观测监控图像的方式分析巷道的安全状况。但对 于巷道表面岩体形变的具体数据都要通过位移传感器等监测装置进行测量。 随着摄影测 量技术的不断成熟，实现基于双目立体视觉测量技术的岩体形变实时监测系统成为可 能。 可视化的摄影测量代替传统的传感器测量， 可以充分发挥数字视频监控系统的作用， 节省大量人力物力，对矿区的安全生产具有重要意义。 通过岩体形变实时监测系统需求分析， 设计了系统的总体结构、 功能模块和数据库， 并建立了一系列配置方程，优化系统的配置参数；研究了双目立体视觉测量技术，根据 岩体实时监测系统的应用背景，选取一种基于平面模板的摄像机标定方法对双目摄像机 的内外部参数进行标定，利用标定后的参数实现图像的畸变校正和左右图像对的极线校 正；深入研究了数字图像处理技术，提出了一套适合岩体形变实时监测系统的图像处理 方法。该方法利用自适应中值滤波、直方图均衡化及 Wallis 锐化处理除去图像上的噪 声信息并加强特征图像的边缘信息；采用 Harris 角点检测算法检测图像上的特征点， 并根据特征匹配的极线约束原则，对左右图像对上的特征点实现立体匹配；结合标定后 的系统参数，计算特征点的空间三维坐标。通过分析不同时间段的特征点数据，得出岩 体表面的变形情况，并生成相应的数据报表、岩体表面拟合图及岩体变形矢量图。 系统经过仿真实验表明，该系统在测量范围内的最大相对测量误差小于5，证明了 基于双目立体视觉测量技术的岩体形变实时监测方法是有效的。系统软件操作简单，实 时性及可视化效果达到了设计要求。 关 键 词岩体形变；双目立体视觉；摄像机标定；Harris 角点检测；立体匹配 研究类型应用研究 Subject Research of the Real-time Rock Deation Monitoring System Specialty Computer Application Technology Name Chen Ting Signature Instructor Qiu XingGuo Signature ABSTRACT The roof and side fall accident is one of the most common accidents in the coal mine accident. In many diggings, digital video surveillance system is adopted to obtain the image of the tunnels, and the artificial is used to observe and analysis the safety condition of the tunnels. But the specific data of the tunnels deation must be detected by the displacement sensor. With the maturing of the photogrammetry technology, the real-time of rock deation system based on the binocular stereo vision is possible to be realized. It has a great significant to the mine safety production to replace the measurement of traditional sensor by camera, which can fully play the roles of the digital video surveillance system, and can also save a great deal of manpower and materials resources. Based on the requirement of the real-time rock deation monitoring system, the system structure, function modules and database are designed. Then, a series of configured equations are set to optimize the configuration parameters of the system. After the technology of the binocular stereo vision measurement to be studied, according to background of the real-time rock deation monitoring, a camera calibration which based on the template plane is selected to calculate the internal and external parameters of the camera, the distorted image and the stereo image is recifted by the calibrated parameters. With the digital image processing technology is deeply studied, a of the image processing is proposed for the real-time rock monitoring system. The of the median filter, histogram equalization and Wallis sharpening is adopted to remove the image noise and enhance the edge ination of the image features. The feature matching of the stereo images can be achieved by the Harris corner detection and the epipolar constraint technique. The three dimensional spatial coordinates of the feature points are calculated by the calibrated parameters. The deation of the rock surface is obtained by analyzing the characteristics of different time, and then the data reports, fitting figure of the rock surface and vector diagram of the rock deation are generated. Simulation results show that the of the monitoring system which based on the stereo vision is feasible because of the error of the measurement is within 5.Furthermore, the function of the real-time and visual effect have all achieved the design requirements. KeywordsRock mass Deation Binocular Stereo Vision Camera Calibration Harris Corner Detection Stereo Matching Thesis Application Research 1 绪论 1 1 绪论 1.1 岩体形变实时监测系统的研究意义 在煤矿安全生产事故中，冒顶片帮是最常见的事故之一，约占采矿作业事故的 40 以上[1]。冒顶片帮是指矿井、隧道、涵洞开挖、衬砌过程中因开挖或支护不当，顶部或 侧壁大面积垮塌造成伤害的事故。矿井作业面、巷道侧壁在矿山压力作用下变形，破坏 而脱落的现象称为片帮，顶部垮落称为冒顶，二者常同时发生。有些矿山在开采后对采 空区未能及时有效地处理，随着开采深度不断增加，矿山的生产区域不同程度地受到采 空区地压活动的影响，容易导致井下采场和巷道发生大面积冒顶片帮事故。地下矿山巷 道、采场中个别结构体的冒顶、片帮，其特点是没有明显的先兆，发生的范围较小，偶 然性、随机性强，且不易为人们所察觉，但其危害性极大。道、采场中这种结构体的冒 顶、片帮将直接威胁作业人员的生命安全，给矿山的安全生产带来隐患，是矿山安全生 产中不容忽视的重要问题。因此，实时准确的掌握巷道内的变化情况，及时对潜在的危 险地区处理，确保煤矿工作的安全进行，是煤矿安全生产的紧迫任务[2]。 目前，许多矿区都采用数字矿区视频监控系统对巷道的工作面进行监控，通过人工 观测视频设备捕获的监测图像来判断图像范围内的工作面安全状况[3]。但是，通过人工 观测的方式不仅工作强度大，而且人工观测后的判断往往存在偏差。数字矿区视频监控 系统只能从大体上判断出工作面的安全状况，但对于工作面上一些具体状况，如巷道岩 体表面的位移形变等数据，只有借助于位移传感器等监测装置才能获取。 随着摄影测量技术和计算机视觉技术的日趋成熟，越来越多的学者对摄影测量技术 和计算机视觉测量技术进行了研究。摄影测量技术最大的优点就是与被观测的对象无接 触，对观测者和被观测的对象都不会产生任何伤害，另外摄影测量技术可以不知疲劳始 终如一地观测人们无法长时间观测的对象，并在恶劣的环境中长期使用，因此摄影测量 技术在国民经济、国防建设及科学研究等众多领域都有着广泛的应用[4]。 煤矿巷道的片帮现象可以看作为一种岩体在空间上的位移和形变，会直接反映在岩 体表面上。因此，通过摄影测量技术对岩体表面图像的分析计算，可以得出岩体表面的 形变状况。摄影测量技术在各类检测和监视领域中，通常采用基于双目立体视觉的测量 技术实现空间物体的立体测量，因此在现有矿区视频监控技术的基础上，利用双目立体 视觉测量技术来代替传统传感器的测量技术实现对矿区岩体表面形变监测，有着重大的 意义。 西安科技大学硕士学位论文 2 1.2 岩体形变实时监测系统的研究现状 岩体的变形实质上是岩石中缺陷的萌生、长大、扩展和汇合的过程[5]，而研究岩体 中微裂纹萌生、扩展、演化到宏观裂纹形成、断裂、破坏全过程是岩体损伤力学的主要 任务[6]。此项研究也越来越受到广大岩土力学工作者的重视，传统的检测手段有光学检 测法、声发射法、红外检测法和光纤光栅传感器检测法等。光学检测方法是以光的干涉 原理或者直接以数字图像分析技术为基础的一类实验方法。 20世纪60年代激光的出现和 数字图像处理技术的快速发展将光测方法分为经典光测方法包括光弹、云纹等和现代 光测方法[7-10]全息干涉、云纹干涉、散斑计量以及数字散斑相关和数字图像分析等。 声发射检测方法是指用声发射仪监测和分析声发射信号并利用声发射信号推断材料和 结构内部性质变化[11]。 红外检测方法主要是通过红外热像仪研究岩石变形破坏过程中的 红外辐射特点。1997年，张东胜和安里千等将光弹实验和红外辐射探测联系起来，对红 外辐射的定量分析进行了初步探讨[12]。 光纤光栅传感器检测方法的工作原理是直接或借 助某种装置将被测量的变化转化为光纤光栅上的应变或温度变化，从而引起光纤光栅 Bragg中心波长的变化，通过建立并标定光纤光栅中心波长的变化与被测量的关系，就 可以由光栅中心波长的变化计算出被测量的值。2003年，西安科技大学的柴敬将分布式 光纤传感技术应用于相似材料模拟实验中，用于岩层的变形破坏检测，取得了一定的成 果[13]。 以上方法的不足之处有要么劳动强度大、不能实时观测；要么费用太高，操作复 杂。 为了克服接触类测量方式的不足， 越来越多的学者对数字摄影测量技术进行了研究。 数字化摄影测量是一种非接触量测方式，具有可以实时获取岩体表面信息和以数字方式 存储和实时观测等优点，其在变形滑坡、结构变形领域得到了广泛的应用[14]。 数字摄影测量技术与传统的监测方法相比具有如下优点[15] 1 不需在监测岩体范围内布置和埋设任何测点和仪器，对岩体的表面位移在整个 范围内进行监测，不必保护测点或仪器，减少了监测工作量，是一种非接触监测技术； 2 测量精度高，敏感性好； 3 适用性和实用性强，可用于各种岩体表面的监测，如巷道、排土场、尾矿坝等。 4 易于操作，无需大量仪器，简单方便，安全可靠。 摄影测量方法实现的变形监测在矿山领域的主要应用有 盛业华[16]等运用高分辨率 数字摄影机，获取采矿地表塌陷。王秀判[17]等采用近景摄影测量的方法监测滑坡体的变 形，精度在5mm左右。王国辉[18]等在隧洞的变形监测中采用近景摄影测量方法与机械式 收敛计方法，监测结果表明近景摄影测量的方法其精度与机械式方法一致，但反映的信 息更全面。任伟中[19]等为了研究金山店铁矿东区地下采矿可能引起的地表变形的程度、 地表陷落盆地的范围以及探讨沉陷变形规律和机理，进行了平面应力加载条件下的大块 1 绪论 3 体地质力学模型试验，并采用数码像机数字化近景摄影测量方法来量测采矿过程中地表 及上、下盘岩体中的位移。 传统摄影测量无论是模拟方式，解析方式或是数字化方式，都是基于双目立体视觉 的基本原理。双目立体视觉是计算机视觉学科中的一个重要分支，虽然摄影测量技术与 计算机视觉技术在出发点和数学处理算法的有许多不同， 但在最近 20 年的发展过程中， 这两个学科间的交流逐步增加，两者的学科交叉越来越多。摄影测量中的许多基本概念 与方法来自影像处理与计算机视觉如数字图像处理的某些算法、 编码标志的自动识别； 反过来，摄影测量中的一些特色理论和方法又为视觉测量所采用如整体光束法平差算 法、像机自标定原理和方法等[20]。 随着双目立体视觉测量技术的日趋成熟，我国在双目立体视觉技术方面也取得了一 定的研究成果。浙江大学机械系利用透视成像原理，采用双目体视方法实现了对多自由 度机械装置的动态、 精确位姿检测[21]； 火星863计划课题 “人体三维尺寸的非接触测量” ， 采用“双视点投影光栅三维测量”原理，由双摄像机获取图像对，通过计算机进行图像 数据处理，不仅可以获取服装设计所需的特征尺寸，还可根据需要获取人体图像上任意 一点的三维坐标。该系统已通过中国人民解放军总后勤部军需部鉴定。可达到的技术指 标数据采集时间小于5s/人；提供身高、胸围、腰围、臀围等围度的测量精度不低于 1.0cm[22]。 综上所述，在现在摄影测量技术的基础上，利用双目立体视觉测量技术来探索岩体 形变实时监测系统实施的可行性，具有重要的学术意义和应用价值。 1.3 论文主要内容与组织结构 针对目前传统传感器测量的不足，本课题尝试以现有的煤矿安全监控摄像机为设 备，以双目立体视觉摄影测量技术为基础，开发一套针对煤矿安全生产监测的岩体形变 实时监测系统。该系统通过实现摄像机的立体测量功能代替传统的传感器测量，在最大 化发挥摄像机功能的前提下，解决了传统传感器监测过程中的劳动强度大、不能可视化 显示、实时性差的不足。 常用的摄像机、摄像头、数码相机等图像捕获设备都是利用光学镜头的针孔成像原 理来获取二维图像，从三维图像到二维图像的转化，会丢失物体的深度信息。利用双目 立体视觉技术可以由两部不同方向的摄像机对空间同一物体的成像恢复出该物体的深 度信息，获取物体的三维图像。物体的三维图像能够更加真实、全面地反映客观物体， 提供更加丰富而准确的信息。为了实现测量的准确性，需要要对系统进行标定来获取双 目立体视觉测量设备的内部及外部参数，利用这些参数来进行二维图像到三维图像的计 算。 由于岩体环境复杂，特征点的获取及计算都很复杂。因此系统采用人工手动的方式 西安科技大学硕士学位论文 4 在岩体表面绘制特征图像，通过对特征图像的处理，获取特征图像所处的岩体部分的特 征信息。特征图像的绘制要求为“”或者“”之类有两条线交叉结构的图像。这样 做的目的有两个一是容易绘制制作；二是线段的端点及两条线的交叉点是比较明显的 特征信息。设计并制作了岩体形变实时监测实验系统，采用两台参数基本相同的摄像机 作为双目测量摄像机。对系统进行标定之后，按照图像采集、图像预处理、特征点提取、 特征点匹配、 立体测量的处理流程， 对各个环节涉及的关键技术进行详细的探讨和研究。 通过实验数据的分析，得出系统测量方法的可行性，进而在实际的环境中应用岩体形变 实时监测系统。 论文结构内容安排如下 第一章绪论。首先简要描述了岩体形变实时监测系统的研究背景；接着介绍了岩 体形变实时监测系统的研究现状；最后简单的介绍论文的主要内容和论文的结构安排。 第二章岩体形变实时监测系统总体设计。首先根据系统的需求分析，对系统的组 成结构进行了设计，并对系统进行模块化划分；然后介绍了系统的开发环境及数据库设 计；最后根据系统的配置方程，提出了系统的技术指标。 第三章岩体形变实时监测系统的标定模块设计。首先对标定模板及摄像机模型进 行介绍；然后对系统采用的基于平面模板的摄像机标定方法进行分析；接着利用获取的 标定参数，介绍了如何进行图像的畸变校正及外极线校正；最后对系统标定模块进行了 实现，并对系统标定模块的处理效果进行分析。 第四章岩体形变实时监测系统的图像处理模块设计。详细介绍了系统图像处理模 块的具体实现方法，针对不同的图像处理算法进行了分析及比较，设计了一套适合本系 统使用的图像处理方法。最后对图像处理模块进行了实现，并对图像处理模块的处理效 果进行分析。 第五章岩体形变实时监测系统的实现方案。搭建实验平台，对系统的各个功能模 块进行实现。 第六章结论与展望。全面总结了本文的实现的主要内容，分析了系统目前的不足 之处，并对今后的研究工作提出了自己的建议和想法。 2 岩体形变实时监测系统总体设计 5 2 岩体形变实时监测系统总体设计 在调查与分析岩体形变实时监测系统需求的基础上，确定系统的实现目标。设计的 主要任务在于确定实现的具体方案和手段， 即根据需求分析报告， 确定系统的总体目标、 具体任务。并以系统的概念与思想，从整体性、相关性、目的性和功能性等方面，建立 系统各物理元素的组成、结构、联系及其描述，配置数据采集、管理、分析所需要的软、 硬件环境，构建实现目标的功能模块，设计各功能模块的相互关系和实现流程，定义和 规定数据的标准、规格和质量要求。 2.1 系统需求分析 需求分析是用户对系统的软件功能和使用方法提出的具体要求，是软件设计的前期 工作。本系统作为煤矿岩体安全类监测软件，在分析煤矿岩体形变的基础上，结合煤矿 部门工作人员提出的实际需求，并参考同类型软件的功能，对软件需求的分析如下。 2.1.1 系统功能需求 岩体形变实时监测系统的核心目标是实现岩体形变数据的实时、准确计算及专业的 数据信息管理，为工作人员提供决策依据。系统要实现从数据采集到数据处理以及数据 管理全过程的便捷、实时及高效化，主要包括以下几个方面 1 数据采集快捷化 应用现代数字摄影技术，对煤矿井下巷道区域进行岩体表面图像数据采集。具备采 集方法简便、速度快、工作强度低等优点。 2 形变计算实时化 通过岩体形变实时监测系统软件对采集到的原始图像数据进行处理、分析并计算设 置在岩体表面特征图像的特征点坐标数据。具有实时性、准确性等优点。 3 数据管理专业化 软件系统将采集到的图像数据、系统的计算数据、以及图像相关信息分别存储至对 应的数据库，实现专业便捷的数据库管理与查询。 2.1.2 系统性能指标 1 实用性 系统的实用性就是密切结合生产实际，避免华而不实的功能设计。系统不仅能快速 便捷的采集岩体图像，通过采集到的岩体图像进行图像预处理、特征数据点提取以及特 征数据点的计算，使形变计算成果信息转化为供管理人员进行煤矿安全生产决策的重要 西安科技大学硕士学位论文 6 依据和参考资料。同时，还要确保系统的数据录入和输出方便快捷。 2 界面友好性 岩体图像采集步骤要规范、简便，操作人员易于掌握。系统软件采用面向对象的界 面设计方法，使用户经过短期培训和学习就可掌握系统的操作，从而提升系统的实用性 和可操控性。 3 可视化 系统软件实现系统操作、数据录入、计算结果输出、数据查询的可视化。 4 标准化、规范化 软、硬件研制和系统设计遵循煤矿地质部门的有关标准、规程和相应的规范。计算 结果的规范化，符合行业相关标准、规范，岩体图像数据采集符合煤矿安全规范。 5 安全性 系统的安全性主要指确保系统本身和数据的安全，防止非法用户的无意或有意的访 问和使用；通过用户权限的分配对不同级别的用户赋予适当的权限，防止无权用户误删 改或破坏数据；外部设备采用完全符合煤矿安全标准的本安型设备，不会对煤矿安全构 成威胁。 2.2 系统结构及模块设计 2.2.1 系统结构 系统分为地面和井下两部分组成，但是作为整体的系统模型中包括外部数据采集和 内部数据处理两大部分，如图 2.1 所示。 以太网 监测中心 摄像机 摄像机 摄像机 图 2.1 系统组成结构 2 岩体形变实时监测系统总体设计 7 1 外部数据采集 系统将采用本安型矿用摄像机配合隔爆型防爆灯完成井下岩体原始图像数据采集 工作，符合矿井安全标准。该设备便于操作，能提供高分辨率的数码摄像和图片，适用 于矿井下的图像采集、事故取证、环境资料收集等工作。由于此类摄像机属于非量测相 机，其影像不具有量测性，所以本系统要对普通本安型摄像机进行量测化改造。系统采 用两个摄像机作为一组监测设备来进行图像的采集，利用双目立体视觉技术完成测量工 作。采集的图像数据通过以太网传输到监测系统中进行处理。 2 内部数据处理 内部数据处理的核心部分为岩体形变实时监测系统，软件基于 C/S 结构体系，采用 VC6.0 及 MATLAB 作为开发平台，Microsoft Access 为数据库系统。VC6.0 作为面 向对象的可视化编程工具，适用于快速应用程序开发，拥有数量众多的开发控件，是开 发桌面程序的优秀工具。 MATLAB 是由美国 Mathworks 公司发布的主要面对科学计算、 可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。Access 是一个面向对象的开发工具，利 用面向对象的方式将数据库系统中的各种功能对象化，将数据库管理的各种功能封装在 各类对象中。它将一个应用系统当作是由一系列对象组成的，对每个对象它都定义一组 方法和属性，用户还可以按需要给对象扩展方法和属性。通过对象的方法、属性完成数 据库的操作和管理，极大地简化了用户的开发工作。 系统的主要功能包括采集图像录入、图像处理、系统标定、信息查询、维护及计算 成果输出六部分。系统软件组成与功能结构图和系统顶层数据流图 2.2、2.3 所示。 岩体形变实时监测系统 系统认证图像处理系统标定 成果输出帮助 岩 体 图 像 数 据 用 户 登 录 特 征 点 提 取 图 像 预 处 理 特 征 点 计 算 标 定 模 板 图 像 摄 像 机 参 数 计 算 系 统 帮 助 数据录入 操 作 人 员 信 息 摄 像 机 信 息 数据查询 特 征 点 数 据 报 表 标 定 参 数 查 询 其 他 查 询 退 出 系 统 矿 区 基 础 信 息 系 统 参 数 数 据 计 算 结 果 信 息 数据维护 岩 体 表 面 变 化 矢 量 图 特 征 点 匹 配 特 征 点 数 据 查 询 标 定 参 数 设 置 岩 体 表 面 拟 合 图 工 作 面 的 录 入 图 2.2 系统功能模块 西安科技大学硕士学位论文 8 数据查询结果 计算成果输出 参数数据录入 标定数据录入 岩体形变实时 监测系统 操 作 人 员 管理员 参数数据、计算数据 及相关图表 信息管理与维护 相 关 部 门 数据查询条件 图 2.3 系统顶层数据流图 2.2.2 系统模块设计 系统功能分析是在系统开发总体任务分析的基础上进行的。综合系统设计原则、系 统功能设计和系统总体要求，岩体形变实时监测系统的软件系统应完成以下主要功能 1 数据录入 数据录入模块包括岩体图像、平面模板标定图像、计算参数录入、监测工作面录入 等四个子模块。本模块是用户录入数据的主要接口，将用户录入数据存入系统数据库。 其中，岩体图像经摄像机采集后通过以太网传输导入监测系统；平面标定图像需要用户 通过控制标定模板进行采集录入；监测工作面需要用户人工在监测图像上确定。 2 系统标定 系统标定模块用于辅助变形计算。该模块是准确实现变形计算的保证。在监测系统 工作前，就要对系统摄像机进行标定操作。系统采用一种基于平面模板的摄像机标定方 法来获取摄像机的内部参数和外部参数。利用标定后的参数可以消除摄像机拍摄过程中 的图像畸变、实现立体图像对之间的极线校正及计算特征点的数据。 3 图像处理 系统图像处理模块主要包括图像预处理、特征点提取、特征点匹配和特征点计算四 个部分。 ① 图像预处理包括图像平滑、图像增强、图像锐化三部分。图像经采集传输到 系统的过程中，通常含有干扰和噪声等因素影响。软件主要通过自适应中值滤波去除图 像上的噪声。由于井下光线的问题，采集的图像显示效果会偏暗，因此通过图像直方图 均衡的方法增强图像的显示效果，最后通过图像锐化的方法增强图像的边缘特征信息以 便于系统的检测。 ② 特征点提取因为特征图像上最明显的特征信息是线的两端和两条线的交叉点， 2 岩体形变实时监测系统总体设计 9 因此系统采用 Harris 角点检测算子检测特征图像的角点信息，该算法能把特征图像上所 有的角点信息检测出来，为下一步的特征点匹配做好准备。 ③ 特征点匹配经过特征点检测的后获取的是特征图像上的特征点信息，所以系 统采用特征匹配的方式对左右图像上的特征点进行立体匹配。应用极线约束及八点算子 的处理，把每个特征图像在左右图像上的特征点进行匹配，获取每个特征点的左右图像 像素坐标，为下一步的计算做好准备。 ④ 特征点计算系统根据汇聚式立体视觉模型的成像原理，利用系统标定后的参 数计算每一个已经匹配正确的特征点空间三维坐标，按图像的拍摄时间为序，保存到系 统数据库中。 4 数据查询 用户可以根据需要，对特征点在不同时间点的计算结果数据进行查询，包括特征点 的计算时间、 特征点的空间坐标、 特征点与左摄像机的欧式距离、 特征点的变形情况等。 5 数据维护 包括基础信息维护如矿方信息、管理人员信息等、特征点数据维护包括特征点的 图像数据、特征图像数据、计算结果数据等、摄像机数据维护包括摄像机信息、标定 内部参数及外部参数等。 6 数据输出 数据输出主要是变形计算结果的输出。具体指系统将计算结果以报表或图形的方式 显示在显示器上或直接进行打印。图像的输出主要是岩体表面的拟合图及岩体表面的变 形矢量图。岩体表面拟合图以更加直观的三维图形显示岩体表面图像，并可进行 360 度 旋转操作，方便用户从各个角度查看岩体的形状。 2.3 系统数据库设计 数据库是存储在计算机内有组织的、可共享的相关数据的集合。数据库中的数据按 照一定的数据模型组织、描述和存储。数据库设计就是结合实际应用的需要为被设计的 对象建立数据模型。本系统将捕获的岩体图像、计算参数、系统立体标定参数数据、特 征点数据和形变计算结果存入系统数据库，建立岩体形变实时监测系统数据库，方便用 户进行数据查询和变形计算。 2.3.1 设计原则 1 数据库名称Dam Monitor System，简称为 DMS。 2 表名格式DMS_X，其中 DMS 为统一前缀，X 为表名。 如图片存储属性表DMS_PICTURE。 西安科技大学硕士学位论文 10 2.3.2 数据库表定义 1 图片存储属性表DMS_PICTURE。该表用来存储摄像机捕获的图像，对于每 一张捕获的图像，给定图片的存储时间、存储位置及图片的类型。根据摄像机的左右位 置，图片类型分为左图像和右图像。 表表 2.1 图片存储属性表图片存储属性表 序号 字段名称 标识符 类型 空 主键 初值 1 图片编码 PCODE 整型 否 √ 2 图片名称 PNAME 文本 3 存储位置 PADDRESS 文本 4 存储时间 PDATE 日期/时间 5 图片类型 PKIND 整型 6 所属摄像机编号 CECODE 整型 2 特征点图像坐标表 DMS_WSDOT。 该表用来存储检测出的特征点的图像坐标。 表表 2.2 特征点图像坐标表特征点图像坐标表 序号 字段名称 标识符 类型 空 主键 初值 1 图像特征点编码 WPCODE 整型 否 √ 2 所属图片编号 PCODE 整型 3 左图像 X 坐标 LXC 整型 4 左图像 X 坐标 LYC 整型 5 右图像 X 坐标 RXC 整型 6 右图像 X 坐标 RYC 整型 3 特征点空间坐标表DMS_KDOT。该表用来存储检测出来的特征点的空间三维 坐标。 表表 2.3 特征点空间坐标表特征点空间坐标表 序号 字段名称 标识符 类型 空 主键 初值 1 空间特征点编码 WSCODE 整型 否 √ 2 所属图像特征点编码 WPCODE 整型 否 5 X 坐标 XCOO 双精度型 6 Y 坐标 YCOO 双精度型 7 Z 坐标 ZCOO 双精度型 8 与左摄像机距离 DISTANCE 双精度型 2 岩体形变实时监测系统总体设计 11 4 摄像机内部参数表DMS_CAMERA1。该表用来存储系统立体标定后的摄像机 的内部参数，以便用户查询及后续计算。 表表 2.4 摄像机内部参数表摄像机内部参数表 序号 字段名称 标识符 类型 空 主键 初值 1 摄像机编号 CECODE 整型 否 √ 2 U 轴尺度因子 CUX 双精度型 3 V 轴尺度因子 CVY 双精度型 4 光学中心 X CAX 双精度型 5 光学中心 Y CAY 双精度型 6 不垂直因素 CBCZ 双精度型 7 畸变系数 CKC 双精度型 8 像素误差 CERR 双精度型 5 摄像机外部参数表DMS_CAMERA2。该表用来存储系统立体标定后的摄像机 的外部参数，以便用户查询及后续计算。 表表 2.5 摄像机外部参数表摄像机外部参数表 序号 字段名称 标识符 类型 空 主键 初值 1 外部参数编号 CECODE 整型 否 √ 2 旋转矩阵 r1 CR1 双精度型 3 旋转矩阵 r2 CR2 双精度型 4 旋转矩阵 r3 CR3 双精度型 5 旋转矩阵 r4 CR4 双精度型 6 旋转矩阵 r5 CR5 双精度型 7 旋转矩阵 r6 CR6 双精度型 8 旋转矩阵 r7 CR7 双精度型 9 旋转矩阵 r8 CR8 双精度型 10 旋转矩阵 r9 CR9 双精度型 11 平移矩阵 t3 CT1 双精度型 12 平移矩阵 t3 CT2 双精度型 13 平移矩阵 t3 CT3 双精度型 2.3.3 数据库关系图 数据库关系图，并非是指描述数据库之间关系的图，而是指某数据库的表视图之 间的关系图，即数据库关系图描述的是表之间的关系，也就是平时所说的数据库的 ER 西安科技大学硕士学位论文 12 图。这里所谓的表之间的关系，是指在创建表时，确定的表之间的关系，包括一对一关 系、一对多关系、多对多关系。而表的这些关系式通过主键和外键实现的。本系统中的 数据关系图如图 2.4 所示。 图 2.4 数据库关系图 2.4 系统配置 2.4.1 系统配置方程 1 分辨率 为了保障系统的正常运行，摄像机应该能够可靠地检测出设置在岩体表面的特征图 像。这就需要摄相机要有足够高的成像分辨率，至少能够在距离摄像机最大距离 max Z处 检测到最小特征图像。由于像元在z轴方向的投影是最大的，即摄相机沿z轴的纵向分 辨率最低，我们只需保证纵向分辨率能够达到检测的要求即可。首先我们建立摄相机角 分辨率和纵向分辨率之间的关系，如图2.5所示。 h max Z r   l z z y 图 2.5 纵向分辨率计算示意图 设摄相机的角分辨率为，安装高度为h，则有 2 岩体形变实时监测系统总体设计 13 222 max rhZ 2.1 sinhr 2.2 lr 2.3 /sinzl 2.4 由式2.1至2.4得 22 max hZ z h    2.5 由式2.5可知，纵向分辨率与距离的平方成正比，因此摄相机的像元对岩体面的采样密 度随距离变化很大，造成对距摄像机较远的岩体面欠采样。 设最小特征图像的尺度为s，根据采样定理，为了能够分辨最小细节尺寸s，采样 间隔应该小于/2s。设摄相机像元对最小特征图像做n次采样2n ，则采样间隔 /s n。由/zs n可以得到相机角分辨率 22 max h hZ   ， 22 max sh z n hZ   2.6 2 计算带宽 因为监测摄像机是固定装置的， 有些硬件上的配置是固定的， 如摄像机的视场角等。 一般来说绝大多数摄相机的靶面长宽比为43。在确定了摄像机的角分辨率之后，图像 分辨率可由下面两式给出 2 col N   ， 3 4 rowcol NN 2.7 其中，2为最大的水平视场角， col N为图像像素矩阵的列数， row N为图像像素矩阵的行 数。因而得到图像的总像素数 2 2 32 4 colrow NNN   