一种基于三维重建的尾矿库干滩整体监测方法及系统

本发明涉及干滩解译及监测，尤其涉及一种基于三维重建的尾矿库干滩整体监测方法及系统。

背景技术：

1、尾矿是指选矿厂从金属非金属矿石中筛选出精矿后排放出砂一般的“废渣，大量尾矿砂存放于利用山体围成尾矿库，尾矿库的安全运营与人民群众的生命财产安全和环境保护息息相关。

2、目前，尾矿库的在线监测模块有：坝体表面变形监测、坝体内部位移监测、浸润线监测、库水位降水量监测、干滩长度监测。干滩监测包括干滩长度、干滩坡度、干滩高程，正确测量干滩相关参数可以让矿山企业和安全监测部门在雨季有效的避免尾矿坝溃坝事故的发生。传统的测量尾矿库干滩参数获取方法主要是在尾矿库区选择监测点布设物理传感器设备进行数据获取，进一步使用坡度推算法、激光测角测距法、渗流反推法等进行干滩参数的计算，进行监测的整体成本较高，难以兼顾所得参数的多样性和准确性。传统的方法也在大范围和复杂地形的干滩上应用受到限制，而且通常是局部监测。

技术实现思路

1、（一）要解决的技术问题

2、基于上述问题，本发明提供一种基于三维重建的尾矿库干滩整体监测方法及系统，解决现有监测方法难以兼顾获取参数的多样性和准确性的问题。

3、（二）技术方案

4、基于上述的技术问题，本发明提供一种基于三维重建的尾矿库干滩整体监测方法，包括以下步骤：

5、s1、定期获取尾矿库区域的影像数据，根据所述影像数据建立干滩三维点云模型；

6、s2、基于所述干滩三维点云模型计算干滩的网格点坡度；

7、s21、在干滩三维点云模型上沿平行于坝体中轴线的方向划分多个点云剖面；

8、s22、对划分好的所述点云剖面进行滤波去噪处理；

9、s23、将去噪后的点云剖面沿垂直于坝体轴线方向划分，形成多个网格点；

10、s24、根据网格点的点云坐标和滩顶坐标，计算每个网格点的干滩坡比，得到干滩的网格点坡度；

11、s3、同时，基于所述影像数据和干滩三维点云模型计算干滩长度；

12、s31、通过包含分界线的图片，对水面和干滩的分界线、干滩和坝体的分界线进行识别和像素坐标提取；

13、s32、利用转换矩阵将提取的所述像素坐标转换为三维点云模型坐标系下的空间坐标；

14、s33、根据转换后的空间坐标，计算所述水面和干滩的分界线上的三维点与所述干滩和坝体的分界线之间投影至水面上的距离，得到干滩长度；

15、s4、根据所述干滩的网格点坡度和干滩长度，与设定的安全阈值比较，进行安全性评估。

16、进一步的，s1中，还包括：在现场安置拍摄设备，拍摄范围能够全面覆盖干滩的整体，根据监测目的和干滩的变化速度，确定拍摄频率和时间，定期获取尾矿库区域的影像数据。

17、进一步的，s1中，还包括：对采集到的影像数据进行预处理。

18、进一步的，s22中，所述滤波去噪处理包括：将三维点云投影至xoz平面，初始化滑动窗口后，沿x方向移动窗口，求得滑动窗口内z坐标平均值，设定过滤条件，剔除噪声点，直到滑动窗口移动到达点云剖面终点。

19、进一步的，s24中，根据所述每个网格点的干滩坡比的计算公式为：式中，(xu，yu，zu)、(xd，yd，zd)分别为干滩顶部和干滩网格点的坐标，s为每个网格点对应的坡比。

20、进一步的，s31中，所述对水面和干滩的分界线、干滩和坝体的分界线进行识别和像素坐标提取的方法包括：将包含分界线的图片从rgb空间转化到hsv空间，利用k均值聚类对hsv空间的图片进行分割，再利用边缘提取算子提取边缘像素，再利用dbscan去除噪声点，得到分界线像素坐标。

21、进一步的，s32中，所述转换矩阵为：式中，点p（u，v）是由世界坐标系中的点p（x，y，z）投影到像素坐标系中的点，fx、fy分别为x和y方向上的焦距，cx、cy为光轴与像平面相交的主点坐标，其组成的k矩阵是内参矩阵，[r|t]是外参矩阵，是世界坐标系和相机坐标系之间的旋转矩阵和平移矩阵，rij为方向余弦，i=1,2,3；j=1,2,3；tm为方向向量，m=1,2,3，k和[r|t]矩阵为三维点云重建过程的转换矩阵。

22、进一步的，s33中，所述干滩长度的计算公式为：式中，d为干滩长度，水面和干滩的分界线上的某个三维点(x,y,z)投影至水平面（xoy平面）上的点为（x0，y0），干滩和坝体分界线的拟合直线投影至水平面上的解析式为ax+by+c=0，a、b、c为解析式的常数系数。

23、本发明也公开了一种基于三维重建的尾矿库干滩整体监测系统，包括：

24、至少一个处理器；以及与所述处理器通信连接的至少一个存储器，其中：

25、所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行所述的方法。

26、本发明也公开了一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行所述的方法。

27、（三）有益效果

28、本发明的上述技术方案具有如下优点：

29、（1）本发明基于三维点云模型计算尾矿库干滩的监测参数，包括干滩长度和干滩的网格点坡度，其中，根据划分的网格点的点云坐标和滩顶坐标计算得到所有网格点的坡比，得到整个干滩的网格点坡度，根据图像识别得到两个分界线的像素坐标，再根据坐标转换后计算得到水面和干滩的分界线上的三维点和干滩与坝体分界线之间投影至水平面的距离，得到干滩长度，计算得到的干滩参数更全面，由此进行的安全评估更准确；

30、（2）本发明基于干滩点云数据划分网格点并计算网格点坡度可以覆盖干滩全部范围，可实现干滩内部局部区域的坡比计算，从而对局部范围的坡比进行评估；

31、（3）本发明通过三维点云模型能实现尾矿库干滩的整体监测和可视化分析，采用拍摄设备无接触的监测方式更加安全和高效，设备成本低，能实现干滩的全面监测，获取的原始数据更全面，从而有利于提高监测结果的准确性，有利于保证尾矿库的安全运营。

技术特征：

1.一种基于三维重建的尾矿库干滩整体监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于三维重建的尾矿库干滩整体监测方法，其特征在于，s1中，还包括：在现场安置拍摄设备，拍摄范围能够全面覆盖干滩的整体，根据监测目的和干滩的变化速度，确定拍摄频率和时间，定期获取尾矿库区域的影像数据。

3.根据权利要求1所述的基于三维重建的尾矿库干滩整体监测方法，其特征在于，s1中，还包括：对采集到的影像数据进行预处理。

4.根据权利要求1所述的基于三维重建的尾矿库干滩整体监测方法，其特征在于，s22中，所述滤波去噪处理包括：将三维点云投影至xoz平面，初始化滑动窗口后，沿x方向移动窗口，求得滑动窗口内z坐标平均值，设定过滤条件，剔除噪声点，直到滑动窗口移动到达点云剖面终点。

5.根据权利要求1所述的基于三维重建的尾矿库干滩整体监测方法，其特征在于，s24中，根据所述每个网格点的干滩坡比的计算公式为：式中，(xu，yu，zu)、(xd，yd，zd)分别为干滩顶部和干滩网格点的坐标，s为每个网格点对应的坡比。

6.根据权利要求1所述的基于三维重建的尾矿库干滩整体监测方法，其特征在于，s31中，所述对水面和干滩的分界线、干滩和坝体的分界线进行识别和像素坐标提取的方法包括：将包含分界线的图片从rgb空间转化到hsv空间，利用k均值聚类对hsv空间的图片进行分割，再利用边缘提取算子提取边缘像素，再利用dbscan去除噪声点，得到分界线像素坐标。

7.根据权利要求1所述的基于三维重建的尾矿库干滩整体监测方法，其特征在于，s32中，所述转换矩阵为：式中，点p（u，v）是由世界坐标系中的点p（x，y，z）投影到像素坐标系中的点，fx、fy分别为x和y方向上的焦距，cx、cy为光轴与像平面相交的主点坐标，其组成的k矩阵是内参矩阵，[r|t]是外参矩阵，是世界坐标系和相机坐标系之间的旋转矩阵和平移矩阵，rij为方向余弦，i=1,2,3；j=1,2,3；tm为方向向量，m=1,2,3，k和[r|t]矩阵为三维点云重建过程的转换矩阵。

8.根据权利要求1所述的基于三维重建的尾矿库干滩整体监测方法，其特征在于，s33中，所述干滩长度的计算公式为：式中，d为干滩长度，水面和干滩的分界线上的某个三维点(x,y,z)投影至水平面上的点为（x0，y0），干滩和坝体分界线的拟合直线投影至水平面上的解析式为ax+by+c=0，a、b、c为解析式的常数系数。

9.一种基于三维重建的尾矿库干滩整体监测系统，其特征在于，包括：

10.一种非暂态计算机可读存储介质，其特征在于，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行如权利要求1至8任一项所述的方法。

技术总结本发明公开了一种基于三维重建的尾矿库干滩整体监测方法及系统，方法包括：定期获取尾矿库区域的影像数据，根据所述影像数据建立干滩三维点云模型；基于所述干滩三维点云模型计算干滩的网格点坡度，同时，基于所述影像数据和干滩三维点云模型计算干滩长度；根据所述干滩的网格点坡度和干滩长度，与设定的安全阈值比较，进行安全性评估。本发明解决了现有监测方法难以兼顾获取参数的多样性和准确性的问题。技术研发人员：鲁光银,李亚妮,曹贝,朱旭东,孙熙宁,曾明,曾智力,吴坤,张茂,张前丰受保护的技术使用者：中南大学技术研发日：技术公布日：2025/1/6