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自动化煤堆体积测量系统的开发应用自动化煤堆体积测量系统的开发应用 摘要摘要本文介绍了煤堆体积测量的现状，详述了自动化煤堆体积测量系统的开发前景， 系统的硬件软件组成以及主要采用的一些数学模型。 测绘信息网 随着国家对矿产资源管理的重视，要求热发电厂，煤矿等各种矿产应用企业 和开采企业必须用科学，规范的矿产管理方法代替传统的粗放型矿产管理模式， 这其中的转变除了由传统的管理制度向现代化的管理制度转变之外， 还涉及到技 术问题。面对不断变化的已开采的矿产存储场的矿产资源数量实时，准确的量算 就显得非常的重要。热发电厂煤场的煤存储是处于不断的变化之中，传统的盘煤 方法由于周期长，和测量手段的局限，难以到达高精度，高效率的要求。 火电厂的燃煤管理是生产管理的重要工作，对电厂的经济运行有着直接影 响，火电厂燃料成本占整个生产成本的绝大多数，煤场存煤量的计量直接影响着 电厂的经济指标。因而，迅速准确的测量出煤场煤堆的体积和质量对各电厂进行 成本核算，经济效益评估和科学管理的有着极为重要的作用。目前，国家以耗煤 企业盘煤的精度作为考察企业经营管理的一项最重要指标， 使得煤场准确盘煤成 了一些热发电厂煤场管理必须解决的问题。并且，煤场环境恶劣，操作人员长期 在煤场工作即不便又不利于身体健康。因此，能开发出智能化，自动化的煤堆体 积测量系统也显得极为重要。本文以上海某电厂自动化煤堆体积测量系统为背 景，着重阐述了利用一体化摄像机为摄取像对工具，根据数字摄影测量的方法， 实现全自动煤堆体积测量的应用。 一一 常用的体积测算方法常用的体积测算方法测绘信息网 目前根据各煤矿矿产相关企业的规模和经济实力不同，用以测算煤堆体积的 方法也各不相同。大体有以下几类 1．卷尺现场量算它的基本过程是将量算对象堆成较为规则的形状，由工作人 员用卷尺现场丈量规则对象的几何形状，从而计算体积的方法。这种方法虽 然简单，易行，但需对观测对象进行整理，人工现场丈量，周期较长，时效 性差，而且精度不是很高。 2．全站仪地面数字模型法全站仪地面数字模型法的原理是利用全站仪可以直 接测量三维坐标的功能，先对整个观测对象进行全面测量，建立整个观测对 象数字模型，然后确定其体积。此方法在建立数字模型过程中工作量往往较 大，而且需要较高的测绘和计算机专业水准，测量精度和周期要视观测对象 的变化量而定。 3．超声波，激光断面扫描法这种方法是将观测对象沿一边方向分成若干个段 单元，利用超声波或激光通过不通介质具有不同反射的特性，对每段单元的 每个断面进行扫描，分析计算断面的扫描面积，从而求出整个观测对象体积。 由于煤堆的不均匀和波在不同介质中反射不一致，而带来测量误差影响测算 精度。该方法自动化程度和技术含量都很高，但是成本也比较高。 测绘信息网 以上这些现有的煤体体积测量方案，总体来说都需要很大的工作量，而且精 度有限，为此，设计了自动化煤堆体积测量系统。它的主要设计思路是利用常规 的监控设备，包括云台，摄像机，采用数字摄影测量的方法自动计算煤体体积。 整个系统在初次安装以后 （包括硬件和软件的安装） 就不需要再人为的进行干预, 按照预先设定好的时间间隔进行一次或者多次体积测量。达到完全自动化的目 的。 二二 化煤堆体积测量系统硬件组成化煤堆体积测量系统硬件组成 自动化煤堆体积测量系统硬件主要由以下几部分组成 1．PH-301P 室外重型云台。其载重 18 公斤，仰俯角度-9020，全方位 355 旋转全金属外罩结构，云台中内置了步进马达，并且装有云台解码器和镜头解码 器PH-K1501， 共有64个预制点。 另外还配有带雨刷功能的室外全天候防护罩PH- H09E，在防护罩边上加装了一个密封箱，每次测量完毕云台自动转到该密封箱 内以防止煤堆煤灰对测量的影响。此外还有。RS485 串口通讯线 200 米。 2．一体化摄像机采用 DSP 彩色 470 线 CCD 摄像机。其采集的单片最大有效 分辨率为 752*582。测绘信息网 3．视频采集卡视频捕捉卡是用于捕捉摄像机所采集的视频数据。这里采用了 天敏公司的 SDK-2000 视频捕捉卡。 4．全站仪这里采用了 Leica TCRA1102 型全站仪。主要用于建立摄影测量的 控制网。测绘信息网 5．计算机房及微机。用以云台控制，图像采集，数据处理。 三三 动化煤堆体积测量系统的软件组成及数学模型动化煤堆体积测量系统的软件组成及数学模型 1. 台控制部分 云台是通过 485 串行线控制的。采用 PELCO D 通讯协议。主要控制云台的 上下左右的运动，云台的停止以及预置位的设置。预置位的设置对于整个自动化 煤堆测量系统非常重要。它免除了人工的照准，改而只需初次选定一些摄像点便 可在以后的测量过程中自动运动到初始设定的位置，进行一些列的摄像动作。 并 且由于采用了步进马达使得云台预置点定位精度非常高。 PH-301P 室外重型云台 的内置云台解码器支持设定多达 64 个预置点。云台中的镜头解码器还可以控制 摄像机镜头的变倍变焦以及光圈大小等。 测绘信息网 2. 数据采集摄像机部分测绘信息网 为了能获得摄像机所拍摄的图像，必须采用视频捕捉卡。又为了在 windows 平台上能得到视频捕捉卡所获得的图像，采用了 DirectX 组件中的 DirectShow。 DirectShow 支持多种接口的视频采集卡，他们可能以 PCI 或者 AGP 的方式插入 PC 机箱，也可能以 USB 接口的方式外挂，但是 USB 接口有传输距离的限制， 我们就采用了 PCI 的视频采集卡。 根据使用驱动程序类型不同， 采集卡主要分两 种 VFW（Video for Windows）卡和 WDM（Windows Driver Model）卡。前者是 一种趋于废弃的卡，而后者是前者的替代模型。从编程实现角度看，对 WDM 卡 选择视频输入端子， 设置采集输出的图像格式， 设置图像的对比度， 亮度， 色调 ， 饱和度等显示参数， 都是通过 COM接口来实现的。DirectShow 即支持 WDM卡 ， 也支持 VFW 卡，具有良好的兼容性。对于安装了多个系统设备（摄像机）的情 况，DirectShow 则是通过枚举的方式来创建。 测绘信息网 3. 体积量算的理论及数学模型－近景摄影测量 1. 自动化煤堆体积测量系统的运行步骤 a摄像机坐标系统向像平面坐标转换摄像机传感器平面坐标系统与数字 摄影测量的像平面坐标系统不重合，存在变形，通过对拍摄过程中的仿 射变形纠正以及坐标系统转换参数的解算，使得用摄像机拍摄的数字影 像符合摄影测量中对影像坐标系的要求。 b内定向内定向是摄影测量的第一步，在模拟摄影测量仪上进行摄影测 量时，首先应将相片的框标与相片盘上的框标重合，在解析仪上测量坐 标时，在将相片安放在相片盘上后，首先要观测相片框标的坐标，使相 片坐标系统与框架坐标系统联系在仪器。数字摄影测量的第一步也是内 定向，内定向的目的就是确定摄像机坐标系统与像平面坐标系统之间的 关系以及纠正数字影像可能存在的变形。 c相对定向相对定相是通过左右影像上的已知同名影像控制点，解求影 像对的相对定向元素和摄影主距，以确定影像像对的相对位置及恢复摄 影机物方光束的相对位置。采用的方法是利用相对定向的直接解，结果 的表现形式是右方影像相对于左方影像的旋转矩阵和右摄影站点在模型 坐标系中的坐标以及三个基线分量。相对定向是将像平面坐标转化成模 型坐标的前提。 d影像的重采样由于摄取观测对象的左右像对时，摄像机的拍摄姿态在 一定范围内是任意的，根据中心透视原理，必然存在几何变形，为了将 同名点匹配的二维搜索变为一维搜索，利用核线的几何关系，对相片进 行重采样，实现按核线关系排列，以便于搜索同名点。 e特征点的提取根据设计区域影像灰度变化大小核变化趋势一致性，提 取影像特征点，并按特征值的大小对特征点进行分级，为特征点的分级 匹配做好准备。 f同名点对的获取同名点对的获取是自动化煤堆体积测量系统的关键之 一。该步工作是通过分级控制的同名点匹配实现的。主要目的是根据同 名点的灰度相关的关系， 确定特征点在左右影像平面上的像平面坐标值。 以解算特征点在模型坐标系中的坐标值。 g绝对定向利用空间后方交会原理，确定模型坐标系向物方空间坐标系 转换的旋转矩阵和模型坐标系原点在物方坐标系中的坐标值即求解外方 位元素。然后利用各摄站的外方位元素根据解析空中三角测量中计算投 影系数的数学关系，利用前方交会原理计算出碎步点的物方三维坐标。 以实现模型坐标向物方坐标的转换。 h空间三维坐标以及观测对象体积的计算通过上述的同名点匹配，获得 了同名点在各自像平面上的二维坐标值。根据共线条件，以相对定向， 绝对定向元素为参数，解算特征点在物体方空间坐标系统中的坐标值。 用不规则三角形将这些离散特征点连成近等边三角形，且没有重复。每 个三角形都形成一个垂至于观测对象地面的三棱体，以每个三棱镜位单 元分别计算三棱镜的体积，然后求和便求得了整个观测对象的体积。然 后确定煤体的平均密度，就可以求得观测对象的质量了。 2. 采用近景摄影测量方式的一些优点 a.近景摄影测量可在瞬间精确记录下被摄物体的信息,即可得到瞬间 的点位关系。这是其它方法所不能办到的。视作业的目的不同,作业方法 有较大的灵活性。对于煤堆测量就不需要人工到达现场即可进行测量。 b.像片信息丰富,显示能力客观,适用于测量规则或不规则的物体的外 形。对于煤堆这种不规则，不均匀的物体特别适合。 c对控制点的布设及精度要求较高,但与传统的大地测量相比,可大大 减少外业工作量。 d像片可长期保存,有利于检查,分析及对比。 测绘信息网 3. 影响精度的主要因素表现在近景摄影测量系统的几何特征，物理特征以 及数学模型方面。具体说有以下几个方面。 a．点坐标改正后的残余误差。这是因为现实的成像系统结构复杂。用某种 数学模型只能达到一定程度上的近似。 有些影像诸如CCD阵列的不均匀 ， 物镜的径向和切向畸变，成像坐标的比例和正交性并不能完全消除。这 些都说明已改正的像点坐标中还存在微小的系统误差。 b．量测误差，对像点坐标的量测取决于算法的优劣。但是自动化量测带来 的巨大进步减少了人工的干预，同时也基本消除了人工观测的误差影响； 摄影测量的几何图形，如摄影机焦距，基距比 B/Y 以及摄影机轴的交会 角等都影响模型坐标的精度。 c．摄站数量及其分布，摄影方式，摄影距离。 d．控制点的数量以及它们的分布。 e．控制点标志的大小及其测量精度。 f．摄影空间大气或其他介质的折光影响； g．被测物体的照明状态，被测物体表面结构的处理。 测绘信息网 4.提高精度应采取的措施清晰了影响近景摄影测量的主要因素，在煤堆体 积自动化测量系统尽可能的采取一些有效措施避免了一些因素的影响。 a．量测采用特征点提取； b．控制点的数量及其在模型空间中的分布取决于被测目标的预期精度，算 法，和目标的复杂程度，一般情况下要求控制点在整个目标范围内均匀 分布，所有控制点连线能控制所研究的目标，不分布在同一平面或者近 似同一个平面上。过多的控制点对提高精度没有明显的益处，而且布置 也困难。因此，参与平差控制点的数量取为比较合适的 9－12 个。； c．摄站分布要构成比较好的图形。摄影距离越长，精度越低。因此尽可能 的靠近物体摄影。摄影基线大致平行于摄影目标，以便不致因近景点和 远近景点的距离相差悬殊而使精度相差很大。基线与摄影距离之比一般 为 1/4，1/5 为宜。 d．选用的一体化摄像机具有很好的夜视功能。并且适当调整煤场的照明条 件。 四四 小结小结 自动化煤堆量测系统在一定精度的保证下充分实现自动化。免除了人工在恶 劣环境中的作业，以及人为的误差造成的精度损失。并且速度快测量周期短，设 备成本也比较合理。对降低发电成本，提高工作效率有着不可估量的作用。具有 较高的实用价值。 测绘信息网 [ [ [ [参考文献参考文献] ] ] ] 魏明果 刘德福 基于普通数码摄像机全摄影测量的理论和方法 大坝观测与土木 测试 NO.1,2000 张祖勋 张剑清 数字摄影测量 武汉测绘科技大学出版社 陆其明 DirectShow 开发指南清华大学出版社 李德仁 摄影测量与遥感的现状及发展趋势武汉测绘科技大学学报 NO.1， 2000 王之卓 摄影测量原理测绘出版社 李军等影像局部直方图匹配滤波技术用于遥感影像数据的融合冯桂 测绘学报 2000,3 卢健 林宗坚 图像直方图特征在影像匹配定位中的应用计算机辅助涉及与图形 学学报 2000,2 绍锡惠 近景摄影测量 中国人民解放军测绘学院 冯文灏. 近景摄影的控制 武汉测绘科技大学学报 NO.5，2000 测绘信息网 作者杨乐敏 工作单位上海市杨浦区城市规划管理局 邮编200090 地址上海市杨浦区眉州路 707 号