基于三维全景技术的智慧矿山信息采集系统设计与应用

孙莎莎

（北京中色地科测绘有限公司，北京 101300）

三维全景技术是一种将图像进行数字化处理的技术，其中该技术的基础就是全景图像。全景图像即利用无人机对所需要探测的区域进行环绕型拍摄，将所采集到的图像信息进行融合和拼接，然后实现图像的三维实景浏览，该技术目前常用于一些复杂类型矿区的信息采集[1]。因此，本文设计了借助三维全景技术采集矿山信息的系统。现有的信息采集技术存在建模难度大、工作量大的问题，而3D全景技术可以通过图像自动拼接的方式批量合成三维实景图像，实现对真实场景的快速建模，大大减少建模工作量。在降低成本的同时，显得更加真实直观，后期数据更新也将更加方便快捷[2]。基于3D全景技术的智慧矿山信息采集系统可以直观地了解和观察矿山地形和矿山现场信息，为矿山设计提供良好的环境，也可以帮助专家判断各种原始数据，作出正确的决策。

1 数据采集设备选取

（1）多光谱传感器。根据需要研究的矿区地形，本文选取了多光谱传感器，该传感器可以应用于复杂地形的数据采集，多光谱传感器最鲜明的特点就是其镜头的分光不同，选取的传感器类型有单镜头和多镜头。选取的原则主要根据其使用的环境来综合判断，如果采集数据时，需要采集的地区需要使用高空进行采集，这种情况下就需要采用多镜头进行采集，相对来说，多镜头比单镜头优势明显，其在高点和低点均可以进行采集，而单镜头使用的环境比较单一。此次选用的是德国公司生产的多光谱传感器，其因轻便且分辨率高被广泛应用于矿山数据信息采集工作中，其收集面非常广，可以采集到很多不连续的光谱段，可以有效解决图像信息提取率低的问题。

（2）多旋翼无人机。目前信息采集使用的无人机有很多种类型，常见的无人机类型有无人直升机，伞翼机等，本文选取的是多旋翼无人机，多旋翼无人机体积小、重量轻，可以自由悬停，且不需要弹射器、发射架进行发射。多旋翼无人机完全符合本系统设计的需求，可以将数据平台搭建的更加完整，方便数据的采集和调试，多旋翼无人机可以进行多方面采集输出，保证数据采集的环境。

2 智慧矿山信息采集终端设计

2.1 使用AT指令连接智慧矿山信息采集单元

采集信息的第一步是要与智慧矿山的各个单元模块进行连接，连接各个单元的指令本文选取AT指令，该指令可以完美的实现将各个信息单元相连，还可以进行通信。需要注意的是，每个指令具有专一型，一个指令控制区域也只有一个，多种反馈是不被允许的，结尾选用回车键，指令与功能连接图如图1所示。

图1 AT指令与功能

如图1所示，数据接收的效率与指令的状态有关，采集数据后，各个指令在指定的接口进行统一汇合，系统模块接收时只需要在接口进行。

2.2 基于三维全景技术生成智慧矿山信息图像

目前智慧矿山信息生成图像的方式主要基于三维全景技术，该技术可以进行任意场景的融合与拼接，场景图像的采集采用鱼眼镜头在每个采集点拍摄若干张照片，但是上下需要各有1张，水平位置每旋转90°拍摄1张。

如图2所示，因为采用的镜头为鱼眼镜头，该镜头可以确保相邻2幅图像间均有重叠的区域，这样可以以重叠区域为参考模型进行全景拼接。本研究采用三维全景技术完成全景图像的自动拼接，处理流程如图2所示。因在使用传统的无人机遥感影像技术中图像特征点匹配存在一定问题，文章在矿山信息图像特征点匹配方法改进基础上，提出了三维全景技术。

图2 处理流程

2.3 实现基于三维全景技术的智慧矿山信息采集

在该系统中，信息数据采集终端利用串口与多光谱传感器连接，从传感器获取生产设备或其他方面的信号，经过终端设备的模数转换处理，再通过网络将数据发送给监控中心的计算机组，由监控中心对所有采集到的信息进行统一管理。智慧矿山信息数据采集系统可实现生产信息的传输、信息自动采集等方面处理，具体如下：

（1）生产数据全面感知。数据采集系统获得数据的基本途径是对生产流程的全面监测，而承担监测工作的是大量数据采集终端和传感器。这些传感器负责从采集对象处获得物理量，由终端设备负责定时采集。

（2）传感器兼容性好。数据的种类不同，所需要的传感设备也不同，数据采集系统能利用更多的传感器就能够丰富可采集数据的形式和内容。

（3）信息传递可靠。数据釆集系统的网络可以由有线或无线组成。无论是哪一种形式的网络，数据的完整、快速传递到监控中心的计算机组，是网络数据传输的最终目标。因此，数据采集系统实质上是一种连接了终端的智慧矿山专用网络。

2.4 智慧矿山信息采集系统的应用场景

智慧矿山信息采集系统有效解决了矿山开采相关地质信息跟踪模拟、动态图像更新问题。矿企进行开采作业时，需逐步向更深区域进行采掘，基于三维全景技术的矿山信息采集系统可以实现地质测量数据持续更新，此种方便快捷的更新机制更利于矿山作业人员掌握工作区域实际变化情况，针对变动状况做出真实反映。通过对矿山作业人员定位，掌握人员的作业行为；矿山信息图像特征点高度匹配，可确保作业场所与所设定开采区域相一致，另外系统实现了对机械设备实施管理，便于矿山作业人员查看设备运行参数，判断设备运行情况。

3 实验

为了检测本文设计的基于三维全景技术的智慧矿山信息采集系统是否能准确有效的采集智慧矿山的信息，且其与传统的信息采集系统相比是否具有明显的优势，进行的实验如下。

（1）实验准备。在本实验中，全景浏览是使用PTViewer进行的。PT-Viewer是用JAVA语言编写的开源全景浏览组件，可以在任何支持JAVA APPLET的浏览器上运行。远景、近景、左右景、顶视图都可以形成多个场景。热点之间的切换是热点交互的一个特征。PT-Viewer使用球体来投影水平遮挡的全景图像。垂直范围可以是介于两者之间的任何值。在球面投影平面的放大视图中，水平轴和垂直轴与视角成正比，PT-Viewer的图像可以通过编程方式加密，加密后的图像无法被标准图形程序读取。

（2）实验结果与讨论。随机选取了7块智慧矿山地形，分别采用传统的基于无人机遥感技术的信息采集系统和本文设计的基于三维全景技术的智慧矿山信息采集系统分别进行信息采集，检测其采集完全部区域所用的时间，实验结果如下表1所示。

表1 实验结果

由表1可知，本文设计的智慧矿山信息采集系统能有效准确地采集智慧矿山信息，且与传统的方法相比，消耗的时间更少，因此具有省时性。

智慧矿山信息采集具有抽象性、宏观性和综合性，应用三维全景技术可以直接获取矿山宏观信息和微观信息，如智慧矿山的环境信息、基础设施布局等。与传统的技术相比三维全景技术可从不同层次全面掌握矿山地形情况，辅助完成智慧矿山信息图像采集。

4 结语

综上所述，本文设计的基于三维全景技术的智慧矿山信息采集系统可以有效地采集智慧矿山的信息，对矿山地形信息研究具有重要的意义，经过实验证明其所用时间低于传统的方法，因此具有省时性，有一定的推广价值，但由于矿山地区的地形错综复杂，面对不同地形时可能结果会产生微小变化，因此需要在后续的应用中进行调整改进。