Quan trắc dịch chuyển đất đá và biến dạng bề mặt trên mô hình vật liệu tương đương bằng công nghệ đo ảnh

Nội dung text: Quan trắc dịch chuyển đất đá và biến dạng bề mặt trên mô hình vật liệu tương đương bằng công nghệ đo ảnh

1. T¹p chÝ KHKT Má - §Þa chÊt, sè 39, 7/2012, (Chuyªn ®Ò Tr¾c ®Þa má), tr.5-10 QUAN TRẮC DỊCH CHUYỂN ĐẤT ĐÁ VÀ BIẾN DẠNG BỀ MẶT TRÊN MÔ HÌNH VẬT LIỆU TƯƠNG ĐƯƠNG BẰNG CÔNG NGHỆ ĐO ẢNH TRẦN TRUNG ANH, Trường Đại học Mỏ - Địa chất Tóm tắt: Bài báo trình bày về phương pháp quan trắc biến dạng mô hình vật liệu tương đương trong nghiên cứu khai thác mỏ bằng công nghệ đo ảnh. Bằng cách sử dụng máy ảnh số phổ thông chụp ở vùng có sự méo hình kính vật nhỏ và đồng dấu, nắn chỉnh ảnh số theo công thức phối cảnh xuyên tâm, tiến hành đo các điểm quan trắc mô hình vật liệu tương đương theo các chu kì khai thác. Độ chính xác thực nghiệm với máy chụp ảnh số Nikon D7000 đạt được đến 1mm. 1. Đặt vấn đề quang học và phương pháp đo bằng ảnh chụp Mô hình vật liệu mỏ tương đương là mô với máy phototheodolid. Các phương pháp hình được xây dựng với các lớp địa chất có các truyền thống trên hiện nay đều khó thực thi do thông số cơ lý đáp ứng được yêu cầu đồng dạng những điều kiện thực tiễn triển khai. Bài báo với các quá trình cơ học tương đương như trong trình bày về sử dụng máy ảnh số phổ thông thực tế khai thác mỏ. Tính đồng dạng của mô dùng trong quan trắc biến dạng dịch động trên hình vật liệu cần được tính toán kỹ lưỡng gồm: mô hình vật liệu tương đương. Việc này dễ triển đồng dạng về hình học, đồng dạng động (về khai, đơn giản và đạt độ chính xác cao. thời gian), đồng dạng về động lực. Các phương 2. Phương pháp kỹ thuật pháp đo lường nói chung để đo và ghi nhận các thông số quá trình cơ học của vật liệu trên mô 2.1. Thiết kế điểm quan trắc hình cần phải đạt được các yêu cầu: phải thuận Điểm quan trắc là các điểm được đánh dấu tiện cho quá trình đo, thiết bị phải đơn giản gọn rõ nét bằng kí hiệu, có độ tương phản tốt nhằm nhẹ, các chỉ số đo phải ổn định, có độ chính xác nhận biết rõ ràng trên ảnh chụp, giúp quá trình cao. Từ trước đến nay có các phương pháp đo đo vẽ được chính xác và là cơ sở để phát hiện dịch động trên mô hình như: đo bằng các thanh độ dịch chuyển của mô hình vật liệu tương đo có gắn kính hiển vi, đo bằng các tenxơ đương. Điểm kiểm tra Điểm khống chế Điểm khống chế Điểm kiểm tra Điểm kiểm tra Điểm quan trắc Điểm khống chế Điểm khống chế Hình 1. Thiết kế điểm quan trắc trên mô hình vật liệu tương đương 5
2. Các điểm quan trắc chia thành 3 loại:  sử dụng phải cần ước tính, lựa chọn, xử lý hình - Loại 1: điểm khống chế được gắn ở những ảnh có nhiều điểm đặc biệt, cẩn thận. vị trí không dịch chuyển như khung của mô Kích thước điểm đo trên mô hình vật liệu hình. Điểm khống chế này được chuyền tọa độ tương đương có thể ước tính thông qua công chính xác và tham gia vào quá trình định vị, thức: đăng kí tọa độ và nắn chỉnh ảnh số. D P  psize . (1) - Loại 2: điểm kiểm tra là loại điểm giống f trong đó: như điểm khống chế, nhưng không tham gia + P là kích thước điểm đo trên mô hình vật vào quá trình định vị, đăng kí tọa độ, nắn chỉnh liệu tương đương, có thể lấy bằng độ chính xác ảnh. Các điểm kiểm tra giúp đánh giá độ chính yêu cầu quan trắc (1mm), xác của tọa độ điểm ảnh sau khi nắn chỉnh. + D là khoảng cách chụp ảnh, - Loại 3: điểm quan trắc là loại điểm được + f là tiêu cự của ống kính chụp ảnh, đánh dấu rõ nét, được gắn vào mô hình và + psize là kích thước điểm ảnh (pixel) trên chuyển động dịch chuyển cùng sự sụt lún của mảng nhận ảnh. mô hình. Các điểm loại này được gắn theo hàng Từ công thức (1) có thể ước tính khoảng ngang, giữa các địa tầng đều có hàng điểm quan cách chụp ảnh phải thỏa mãn theo công thức: trắc. f D  P . (2) 2.2. Lựa chọn máy chụp ảnh psize Công tác thiết kế lựa chọn máy chụp ảnh là Từ đó việc lựa chọn máy chụp ảnh quan rất quan trọng, nó ảnh hưởng đến độ chính xác trọng phải chú ý đến độ chính xác đo cần đạt, đo vẽ, khả năng đo vẽ của ảnh. Hiện nay không độ phân giải của mảng nhận ảnh, tiêu cự ống còn sử dụng các máy kinh vĩ chụp ảnh trên kính sau đó chọn vị trí chụp ảnh sao cho đạt phim kính chuyên dụng, các máy chụp ảnh số yêu cầu trên đồng thời phải phủ trùm toàn bộ chuyên dụng dùng cho chụp ảnh thì giá thành mô hình vật liệu tương đương cần quan trắc. quá cao, không dễ dàng mua được. Bởi vậy để 2.3. Hạn chế méo hình kính vật quan trắc mô hình vật liệu tương đương sẽ lựa Vì hệ thống kính vật của máy chụp ảnh số chọn máy chụp ảnh số phổ thông. Máy chụp phổ thông được thiết kế không cho mục đích đo ảnh số phổ thông là loại máy chụp ảnh dùng vẽ nên gây sai số xê dịch vị trí điểm ảnh lớn, công nghệ ghi nhận trên mảng nhận ảnh số, loại khi đo vẽ cần hạn chế sai số này. Khi nghiên bỏ phim chụp truyền thống, gọn nhẹ, đa dạng, cứu sự biến thiên sai số méo hình kính vật theo giá cả phải chăng, dễ chụp, dễ mua vì phổ biến GS. Brown sai số méo hình kính vật gồm 2 loại: trên thị trường. Tuy nhiên loại máy này được sai số méo hình kính vật xuyên tâm và sai số thiết kế cho mục đích chụp ảnh nghệ thuật, méo hình tiếp tuyến biến đổi theo quy luật của không được thiết kế cho mục đích đo vẽ nên khi  công thức (3) và hình 2: 2 4 2 2 x x x 0 K1 K 2r K3r P1r 2 x x 0  2P2 x x 0 y y0 , (3) 2 4 2 2 y y y0 K1 K 2r K3r P2 r 2 y y0  2P1 x x 0 y y0 trong đó: ∆x, ∆y là sự xê dịch vị trí điểm ảnh do méo hình kính vật; K1, K2, K3 là hệ số méo hình xuyên tâm; P1, P2 là hệ số méo hình tiếp tuyến; x, y là trị đo tọa độ mặt phẳng ảnh; x0, y0 là tọa độ điểm chính ảnh. 6
3. Hình 2. Méo hình kính vật và sự lựa chọn vùng ảnh đo Theo công thức thực nghiệm của Brown và ui (i=1÷8) là các hệ số nắn ảnh. sự biến thiên của sự xê dịch vị trí điểm ảnh do Các hệ số nắn ảnh được tìm ra dựa vào tọa méo hình, cần chọn vị trí chụp ảnh thỏa mãn độ của 4 điểm khống chế nắn ảnh thông qua bài công thức (2) đồng thời phải ghi nhận toàn bộ toán giải tích. mô hình vật liệu tương đương lọt vào vùng sai số Cách đánh giá độ chính xác đạt được tại các méo hình nhỏ nhất và đồng dấu. Theo các nghiên điểm kiểm tra thông qua sai số trung phương vị cứu [1,2,3] đó là vùng có sai số méo hình nhỏ trí điểm bằng công thức (4). nhất và đồng dấu là vùng giữa tấm ảnh chiếm 2 khoảng ½ kích thước mảng nhận ảnh (hình 2).  x  2.4. Mô hình nắn ảnh mx n kt Vì mô hình vật liệu tương đương có bề mặt 2 2 mp mx m y , (4) 2 phẳng nên có thể sử dụng phương pháp đo ảnh  y  m y đơn để xác định tọa độ các điểm quan trắc. n Trong đó phần nắn ảnh chiếm một vị trí quan kt trọng. Theo tài liệu [3] lựa chọn mô hình nắn trong đó: chỉnh hình học phối cảnh projective (công thức mx, my, mp là sai số trung phương vị trí 3) là phù hợp với ảnh chụp xuyên tâm. Vì phải điểm, tạo ra ảnh nắn dạng số nên lựa chọn phép nắn x, y là chênh lệch tọa độ của điểm kiểm gián tiếp với phép nội suy giá trị độ xám bậc 3 sẽ cho chất lượng ảnh tốt nhất [1]. tra đo trên mô hình và đo ở thực địa, nkt là số điểm kiểm tra. u1x u 2 y u3 x 3. Thực nghiệm u 7 x u8 y 1 (3) u x u y u Để minh chứng các lý thuyết đã trình bày, y 4 5 6 u x u y 1 chúng tôi tiến hành thực nghiệm với sự ước tính 7 8 lựa chọn máy chụp ảnh Nikon D7000, các trong đó: x,y là tọa độ điểm ảnh trên ảnh gốc, thông số cơ bản như hình 3. x’, y’ là tọa đổ điểm ảnh trên ảnh nắn, 7
4. - Bộ cảm biến: CMOS 23,1mm x 15,4mm 16MP (4928 x 3264 pixels) Mã hóa A/D 14 bit/pixel - Ống kính: Nikon 18-85mm - Chụp ảnh: toàn sắc, màu, cận hồng ngoại - Định dạng ảnh: IPEG, RAW, Fine JPEG - Lấy nét: tự động/thủ công - Tốc độ cửa chập: 30 đến 1/8000 (“) Hình 3. Máy Nikon D7000 và các thông số cơ bản Vị trí chụp ảnh đặt cách mô hình vật liệu tương đương khoảng 3m, khung hình của mô hình lọt vào vùng giữa tấm ảnh (hình 3). Đặt máy trên giá 3 chân, chọn chế độ chụp đen trắng với độ phân giải cao nhất 16MP, chọn chế độ lấy nét bằng thủ công, chụp với bộ phận điều khiển từ xa để tránh nhòe hình ảnh tối đa. Đo đạc chính xác tọa độ của 4 điểm khống chế và 4 điểm kiểm tra được các giá trị như trong bảng 1. Bảng 1. Giá trị tọa độ của điểm khống chế và điểm kiểm tra Tọa độ điểm khống chế Tọa độ điểm kiểm tra TT Tên điểm X(mm) Y(mm) Tên điểm X(mm) Y(mm) 1 KCA-1 0,0 0,0 KT-1 -7,0 637,0 2 KCA-2 1530,0 2,0 KT-2 435,0 1230,0 3 KCA-3 0,0 1128,0 KT-3 1039,0 1223,0 4 KCA-4 1530,0 1128,0 KT-4 1541,0 619,0 Tiến hành tách bỏ than trên mô hình vật liệu tương đương và quan trắc sự biến dạng bằng ảnh trong vòng 2 tuần, với tần suất 1 ngày/chu kì. Xử lý và đo các giá trị biến dạng bằng phần mềm IRAS-C trên nền MicroStation. Các số liệu kiểm tra độ chính xác bằng cách đo khoảng cách trên mô hình thực địa và khoảng cách đo bằng ảnh cho kết quả tốt. Các số liệu đo tọa độ tại điểm kiểm tra cũng cho kết quả rất tốt, độ chính xác có thể đạt tới 1mm. Bảng 2. Giá trị tọa độ của điểm kiểm tra đo trên mô hình qua các chu kì đo Chu kì 1,2,3 Chu kì 4,5,6 Chu kì 7,8,9 Chu kì 10,11,12 KT1 -6,8 637,9 -5,8 638,4 -6,9 638,5 -6,7 637,9 KT2 434,6 1230,4 435,5 1229,7 434,6 1230,7 435,8 1230,6 KT3 1038,3 1223,8 1038,3 1222,5 1038,7 1223 1038,3 1222,8 KT4 1540,9 619,5 1541,4 619,6 1541,1 619 1540,7 619,5 KT1 -6,6 637,4 -6,3 638,4 -6,8 637,1 -6,9 638 KT2 434,4 1229,8 435,3 1229,7 434,7 1229,7 434,9 1229,3 KT3 1038,4 1222,8 1038,2 1222,5 1038,7 1223,6 1038,7 1222,1 KT4 1540,4 619,5 1540,9 619,7 1540,8 620,2 1541,1 619,3 KT1 -6,8 638,4 -6,9 637,5 -6,9 638 -7,1 638,6 KT2 434,8 1230,5 434,6 1229,8 434,5 1230,3 434,8 1230,8 KT3 1038,5 1223,1 1038,6 1222,3 1037,9 1222,7 1039,1 1223,4 KT4 1540,8 618,9 1540,4 619,2 1540,9 618,9 1541,1 619,9 8
5. Hình 4. Sự biến dạng mô hình từ đầu chu kì đến cuối chu kì Bảng 3. Tổng giá trị độ biến dạng (mm sụt lún) trên các mặt cắt của mô hình vật liệu mc1 mc2 mc3 mc4 mc5 mc6 mc7 mc8 mc9 mc10 mc11 mc12 -5 -6 -4 -5 -5 -5 -5 -6 -5 -5 -5 -3 -6 -9 -6 -21 -7 -33 -6 -15 -7 -16 -7 -8 -23 -38 -36 -37 -38 -40 -19 -21 -19 -21 -19 -19 -37 -36 -39 -37 -38 -38 -19 -19 -18 -19 -18 -18 -33 -29 -34 -31 -36 -32 -18 -15 -18 -17 -18 -18 -11 -4 -24 -5 -31 -21 -12 -7 -11 -7 -14 -17 -3 -3 -3 -3 -3 -3 -3 -3 -4 -2 -3 -3 0 Series12 1 2 3 4 5 6 7 -50 Series11 Series10 -100 Series9 -150 Series8 Series7 -200 Series6 -250 Series5 Series4 -300 Series3 -350 Series2 Series1 -400 Hình 5. Tổng biến dạng của mô hình vật liệu tương đương 9
6. 4. Kết luận TÀI LIỆU THAM KHẢO Quan trắc biến dạng mô hình vật liệu tương [1]. Trần Trung Anh, 2011. Nghiên cứu các biện đương bằng công nghệ đo ảnh là một phương pháp nâng cao hiệu quả ứng dụng máy ảnh số pháp đơn giản cho độ chính xác cao. Trên mô phổ thông vào lĩnh vực đo ảnh địa hình và phi hình vật liệu tương đương, các điểm khống chế địa hình, Luận án tiến sĩ kỹ thuật, Hà Nội, 2011. cần bố trí ở vị trí khung thép cố định, các điểm [2]. Trần Trung Anh, 2005. Công nghệ đo ảnh quan trắc bố trí cùng với sự sụt lún biến dạng với ảnh chụp từ máy chụp ảnh số phổ thông, của mô hình. Khi chụp ảnh có thể dùng máy luận văn thạc sĩ kỹ thuật, Trường Đại học Mỏ - ảnh số phổ thông chụp ở vùng gần tâm ảnh, nắn Địa chất, Hà Nội. chỉnh ảnh theo phép phối cảnh xuyên tâm. Đo [3]. Trương Anh Kiệt, 2000. Phương pháp đo ảnh các điểm quan trắc đơn giản bằng phần mềm đơn, Nhà xuất bản Giao thông Vận tải, Hà Nội, 2000. IRAS-C, từ đó có thể xây dựng các mặt cắt biến [4] G.N. Kuzonetxov, 1969. Nghiên cứu sự xuất dạng phục vụ cho quá trình đánh giá khai thác hiện áp lực mỏ trên mô hình vật liệu tương mỏ. đương, Nhà xuất bản Nhedra, Leningrat. (Bản dịch của Trần Văn Yết). SUMMARY Monitoring deformation of the equivalent material model by the photogrammetry Tran Trung Anh, University of Mining and Geology This paper presented the method of monitoring deformation of the equivalent material model in the mining reseach by using photogrammetry methodology. By applying the non-metric digital camera in which distortion area is minimum and same value, images were rectified using the projective equation. The monitored points in the equivalent material model were observed during repeat periods. The accuracy of case study using Nikon D7000 was up to 1mm. 10