作者：薛喜成, 杨艳平, 李识博, 杨康

作者单位：西安科技大学地质与环境学院，陕西 西安 710054

关键词：数字散斑相关方法;矿山相似模拟;有限元插值;单应变换

摘要：

为解决传统采矿相似模拟观测方法存在的自动化程度低、试验前安装过程麻烦、工作量大、精度低等缺点，提出一种适用于采矿相似模拟模型的数字散斑相关方法(digital speckle correlation method， DSCM)，实现对相似模拟模型位移场的自动监测。该方法考虑模型沉陷位移规律，将有限元思想应用于模型位移监测，并根据位移特点将模型表面进行分区处理，设计搜索区域以及改进有限元方法以求取位移初值。在此基础上，根据位移矢量大小选用不同的搜索方法，得到整像素级位移精确值，接着使用灰度插值法求取亚像素级位移精确值。最后通过单应变换将不同时期的监测点像素坐标映射到物方平面得到监测点物方位移。试验结果表明：利用该方法所测监测点的像方分辨率为0.01像素，物方分辨率高于0.001 m，所得位移场的竖直与水平位移与实际情况一致，可以满足矿山岩层相似模拟试验的要求。

Ming similar simulation displacement monitoring method based on digital speckle correlation
XUE Xicheng, YANG Yanping, LI Shibo, YANG Kang
College of Geology and  Environment, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an 710054, China
Abstract: Digital speckle correlation method(DSCM) suitable for mining similar simulation model is proposed to realize automatic monitoring of the displacement field of similar simulation model in order to solve the shortcomings of the traditional mining similar simulation observation method, such as low automation, troublesome installation process before test, large workload and poor accuracy. In this method, considering the displacement law of model subsidence, the finite element method is applied to the model displacement monitoring, and the model surface is partitioned according to the displacement characteristics, the search area is designed and the finite element method is improved to obtain the initial value of displacement. Then, according to the displacement vector size, different search methods are selected to obtain the precision value of the whole pixel displacement, the gray interpolation method is used to obtain the precision value of the pixel displacement. Finally, the pixel coordinates of the monitoring points in different periods are mapped to the object plane by homograph transformation to obtain the object displacement of the monitoring points. Experimental results show that the image square accuracy of the monitoring point measured by this method is 0.01 pixels and the object square accuracy is higher than 0.0015 m, The vertical and horizontal displacement of the displacement field is consistent with the actual situation, which can meet the requirements of similar simulation test of mine rock strata.
Keywords: digital speckle correlation method;mine similar simulation;finite element interpolation;homograph  transformation
2022, 48(9):89-96  收稿日期: 2021-03-02;收到修改稿日期: 2021-06-09
基金项目: 国家自然科学基金项目（41907255)
作者简介: 薛喜成（1968-），男，山西运城市人，教授，硕士生导师，主要从事煤炭与环境地质研究
参考文献
[1] 张瑛. 数字近景摄影测量在矿山相似模拟试验中的应用研究[D]. 西安: 西安科技大学, 2014.
[2] 李兴国. 大型矿井巷道贯通测量方法与误差分析[J]. 煤炭科学技术, 2012, 40(7): 93-95
[3] 崔安义, 南燕明. 基于WebGIS的巷道贯通预警系统设计与实现[J]. 煤炭科学技术, 2013, 41(1): 98-101
[4] 刘小生, 罗任秀. 陀螺经纬仪稳定性分析研究[J]. 有色金属, 2004, 56(1): 40-42
[5] SUTTON M A, WOLTERS W J, PETER W H, et al. Determination of displacements using an improved digital correlation method[J]. Image and Vision Computing, 1983, 1(3): 133-139
[6] 马游春, 马子光, 苏庆庆, 等. 基于光栅传感器的空间靶标定位技术研究[J]. 中国测试, 2019, 45(6): 109-113
[7] 张杰, 张吉璇, 马晓东. 基于数字散斑的大型机翼弹性形变测量技术[J]. 中国测试, 2021, 47(2): 149-155
[8] 骆希娟. 摄影测量计算机视觉在矿山相似材料模拟试验中的应用研究[D]. 西安: 西安科技大学, 2015.
[9] 马衍轩, 张颖锐, 雷欣, 等. 数字散斑相关方法的建筑力学分析应用研究进展[J]. 科技导报, 2017, 35(13): 77-83
[10] 赵健, 赵东. 数字散斑相关方法及其在工程测试中的应用研究[D]. 北京: 北京林业大学, 2014.
[11] 金观昌, 孟利波, 陈俊达, 等. 数字散斑相关技术进展及应用[J]. 试验力学, 2006, 21(6): 7-8
[12] 刘小勇. 数字图像相关方法及其在材料力学性能测试中的应用[D]. 长春: 吉林大学, 2012.
[13] 黄磊, 张李超, 鄢然. 数字散斑识别算法中的GPU高性能运算应用研究[J]. 应用光学, 2015, 36(5): 762-787
[14] 侯成刚, 赵明涛, 屈梁生. 基于二次曲面拟合的亚像素图像匹配算法[J]. 计量报, 1997, 18(3): 227-231
[15] 马小明, 欧清扬. 反向钻孔法应用于工件内表面残余应力测量的研究[J]. 中国测试, 2019, 45(5): 26-32
[16] 潘龙, 邓楚铨, 徐振钦. 基于传递矩阵的钻孔应变法测量薄板残余应力[J]. 中国测试, 2021, 47(1): 36-41
[17] 李善祥, 孙一翎, 李景镇. 数字散斑相关测量中亚象素位移搜索的曲面拟合研究[J]. 光子学报, 1999, 28(7): 638-640
[18] 戴宗贤, 莫洪波, 周勇, 等. 基于灰度的亚像素插值视觉测量方法[J]. 中国测试, 2019, 45(5): 33-37
[19] 梁园, 岳澄. 数字散斑相关亚像素位移测量方法研究与试验[D]. 天津: 天津大学, 2007.
[20] 胡卫军, 万琳, 陆永亮. 基于灰度插值的MNAM图像表示方法[J]. 小型微型计算机系统, 2010, 31(8): 1558-1561
[21] 张春森, 景啸宇, 曹建涛, 等. 基于摄影测量视觉方法相似模拟试验自动监测研究[J]. 煤炭科学技术, 2019, 47(7): 200-207