一种相似材料模型内部岩层变化与破坏的连续监测方法技术

一种相似材料模型内部岩层变化与破坏的连续监测方法，包括如下步骤：对监测目标进行连续的拍摄，并依次形成多个时间连续的视频段；在视频采集的同时，依次对已采集到的每一个视频段进行关键帧提取，并将提取到的关键帧进行保存，并生成新的视频数据集，其中，对已采集到的视频段进行关键帧提取包括如下步骤：提取视频段中的每个图像帧的关键帧指标；根据关键帧指标列表L_index计算2帧差和3帧差，结合视频段中的2帧差和3帧差来删除非关键帧，进而准确定位关键帧。本设计能达到实时拍摄、即时处理的效果，准确获取监测目标变化情况的同时避免产生大量的冗余数据。避免产生大量的冗余数据。避免产生大量的冗余数据。

【技术实现步骤摘要】
一种相似材料模型内部岩层变化与破坏的连续监测方法


[0001]本专利技术涉及一种视频监测方法，尤其涉及一种相似材料模型内部岩层变化与破坏的连续监测方法，具体适用于相似材料模型内部岩层变化的监测。

技术介绍

[0002]相似材料模型模拟是采矿、岩土工程领域常见的一种室内模拟研究手段。相似材料模型模拟是利用与天然岩石物理力学性质相似的人工材料，按矿山实际原型，遵循相似三定理，将原型按照一定比例缩小制作成室内模型，然后在模型中进行工作面开采、巷道开挖；通过观察、监测模型的变形与破坏情况，依据相似三定理，反推原型中所发生的情况。相似材料模型广泛应用于岩层移动、地表沉陷、水体下采煤、煤层气抽取等涉及岩层变形与破坏问题的研究中。随着矿山测量技术的日益进步，以及对相关岩层移动问题认识的日益深刻，目前越来越多的关注岩体内部的变形与破坏监测。一方面，研究发现上覆岩层中的关键层破断、离层或者关键层组合的破断、离层与地表点沉陷的时序过程有着直接的关系；另一方面，上覆岩层中关键层或关键层组合变形与破断与矿山压力、冲击地压之间有着较强的关联性。研究岩层内部变形与破坏过程对矿压压力、地表沉陷控制都有重要的意义。
[0003]目前，常用的相似材料模型变形监测方法有素描、摄影测量、三维激光扫描、灯光凸镜的静态或准动态监测，通过定期对模型进行变形监测来获取模型的变化，变形监测的周期视研究目的而定。现有的模型变形监测方法很难满足岩体内部变形与破坏的实时监测的需求，主要原因是岩层变形与破断往往瞬间发生，试验过程中需要准确把握这一时刻。而采用现有的人工素描、拍照、三维激光扫描等变形监测方法进行一次监测的时间大致是小时级别，从技术上、可行性上都很难将监测周期缩小到分钟级别。中国专利公告号为CN109298158A，公告日为2019年2月1日的专利技术专利公开了一种多节点动态表面位移数字测量系统，该系统通过不间断的对相似煤岩层进行拍照，在通过对图像进行处理以获取其相应变形信息。该方法按照一定的时间间隔对模型进行拍照处理，这就难以保证能够准确获取到模型内部岩层破裂等变化的具体时刻，而若想准确获取其变化的准确时刻就需要缩短拍摄间隔，相应工作强度以及数据量也快速增加。而若通过视频对相似材料模型进行监测，由于相似材料模型一般试验周期为2
‑
3周，每天的视频量约有30多G，海量的监测数据给数据储存、处理带来了巨大的困难；同时，从这些视频文件中准确查找岩层变形与破坏时刻，也非常困难。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是克服现有技术难以满足岩体内部变形与破坏的实时监测的需求的问题，提供了一种能够对岩体内部变形与破坏进行视频监测，并利用关键帧提取，解决视频监测中存在的数据冗余问题，最终形成一个或多个包括关键帧、工作面推进度的相似材料模型内部岩层变化与破坏的连续监测方法。
[0005]为实现以上目的，本专利技术的技术解决方案是：
一种相似材料模型内部岩层变化与破坏的连续监测方法，所述监测方法包括如下步骤：步骤一、视频采集：对监测目标进行连续的拍摄，并依次形成多个时间连续的视频段；步骤二、关键帧提取：在视频采集的同时，依次对已采集到每一个视频段进行关键帧提取，并将提取到的关键帧保存。
[0006]所述步骤二、关键帧提取中，对已采集到的一个视频段进行关键帧提取包括如下步骤：S1、提取视频段中的每个图像帧的关键帧指标，得到包含视频段中每个图像帧的关键帧指标的关键帧指标列表L_index，随后进入步骤S2；S2、根据关键帧指标列表L_index计算2帧差，得到包含所有2帧差的2帧差列表L2，根据关键帧指标列表L_index计算3帧差，得到包含所有3帧差的3帧差列表L3，随后进入步骤S3；所述2帧差为视频段中相邻的两个图像帧的关键帧指标之间的差值，所述3帧差为视频段中相邻的三个图像帧里第一帧图像的关键帧指标与第三帧图像的关键帧指标之间的差值；S3、找到2帧差列表L2中的最小值L2[i],所述L2[i]为视频段中的第i帧图像的关键帧指标与视频段中的第i+1帧图像的关键帧指标之间的差值；当视频段中的第i帧图像为视频段中的第一帧图像时，删除视频段中的第二帧图像，同时在关键帧指标列表L_index中删除视频段中的第二帧图像所对应的关键帧指标，随后进入步骤S5；当视频段中第的i+1帧图像为整个视频段中的最后一帧图像时，删除视频段中的倒数第二帧图像，同时在关键帧指标列表L_index中删除视频段中的倒数第二帧图像所对应的关键帧指标，随后进入步骤S5；当视频段中的第i帧图像不为视频段中的第一帧图像，且视频段中的第i+1帧图像不为视频段中的最后一帧图像时，进入步骤S4；S4、找到3帧差列表L3中的L3[i]和L3[i
‑
1]，所述L3[i]为视频段中的第i帧图像的关键帧指标与视频段中的第i+2帧图像的关键帧指标之间的差值，所述L3[i
‑
1] 为视频段中的第i
‑
1帧图像的关键帧指标与视频段中的第i+1帧图像的关键帧指标之间的差值；比较L3[i]与L3[i
‑
1]的大小，若L3[i]＞L3[i
‑
1]，则删除视频段中的第i帧图像，同时在关键帧指标列表L_index中删除视频段中的第i帧图像所对应的关键帧指标，随后进入步骤S5；若L3[i]≤L3[i
‑
1]，则删除视频段中的第i+1帧图像，同时在关键帧指标列表L_index中删除视频段中的第i+1帧图像所对应的关键帧指标，随后进入步骤S5；S5、判断视频段中图像帧的去除率是否大于设定值，若视频段中图像帧的去除率大于设定值，则视频段中剩余未删除的图像帧为关键帧，关键帧提取完成；若视频段中图像帧的去除率小于或等于设定值，则返回步骤S2。
[0007]所述视频段中图像帧的去除率为已删除的图像帧的帧数/视频段的总帧数。
[0008]所述监测目标为岩层的相似材料模型，所述相似材料模型的观测面正对拍摄装置设置；所述步骤一、视频采集中，使用拍摄装置对岩层的相似材料模型的观测面进行连续的拍摄，并依次形成多个时间连续的视频段。
[0009]所述拍摄装置为IP摄像机，IP摄像机与相似材料模型之间的距离在3米到4米之间。
[0010]所述步骤S1中，所述关键帧指标为图像帧中相似材料模型1内部岩层裂缝的总面积；所述步骤S1中，提取视频段中的图像帧的关键帧指标包括如下步骤：A1、获取视频段中的图像帧，对视频段中的图像帧进行灰度化处理，并通过高斯滤波对得到的灰度化的图像进行平滑处理；A2、利用sobel算子计算平滑处理后的图像在不同方向上的梯度，并对梯度幅值进行非极大值抑制；A3、利用otsu算法确定非极大值抑制后的图像的灰度阈值，根据所确定的灰度阈值对非极大值抑制后的图像进行分割，得到包含相似材料模型内部岩层裂缝的边缘轮廓的二值化图像；A4、对所得到的二值化图像进行膨胀、腐蚀处理；A5、在膨胀、腐蚀处理后的图像中提取相似材料模型内部岩层裂缝的边缘轮廓；A6、根据提取到的相似材料模型内部岩层裂缝的边缘轮廓计算图像帧中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种相似材料模型内部岩层变化与破坏的连续监测方法，其特征在于：所述监测方法包括如下步骤：步骤一、视频采集：对监测目标进行连续的拍摄，并依次形成多个时间连续的视频段；步骤二、关键帧提取：在视频采集的同时，依次对已采集到每一个视频段进行关键帧提取，并将提取到的关键帧保存。2.根据权利要求1所述的一种相似材料模型内部岩层变化与破坏的连续监测方法，其特征在于：所述步骤二、关键帧提取中，对已采集到的一个视频段进行关键帧提取包括如下步骤：S1、提取视频段中的每个图像帧的关键帧指标，得到包含视频段中每个图像帧的关键帧指标的关键帧指标列表L_index，随后进入步骤S2；S2、根据关键帧指标列表L_index计算2帧差，得到包含所有2帧差的2帧差列表L2，根据关键帧指标列表L_index计算3帧差，得到包含所有3帧差的3帧差列表L3，随后进入步骤S3；所述2帧差为视频段中相邻的两个图像帧的关键帧指标之间的差值，所述3帧差为视频段中相邻的三个图像帧里第一帧图像的关键帧指标与第三帧图像的关键帧指标之间的差值；S3、找到2帧差列表L2中的最小值L2[i],所述L2[i]为视频段中的第i帧图像的关键帧指标与视频段中的第i+1帧图像的关键帧指标之间的差值；当视频段中的第i帧图像为视频段中的第一帧图像时，删除视频段中的第二帧图像，同时在关键帧指标列表L_index中删除视频段中的第二帧图像所对应的关键帧指标，随后进入步骤S5；当视频段中的第i+1帧图像为视频段中的最后一帧图像时，删除视频段中的倒数第二帧图像，同时在关键帧指标列表L_index中删除视频段中的倒数第二帧图像所对应的关键帧指标，随后进入步骤S5；当视频段中的第i帧图像不为视频段中的第一帧图像，且视频段中的第i+1帧图像不为视频段中的最后一帧图像时，进入步骤S4；S4、找到3帧差列表L3中的L3[i]和L3[i
‑
1]，所述L3[i]为视频段中的第i帧图像的关键帧指标与视频段中的第i+2帧图像的关键帧指标之间的差值，所述L3[i
‑
1] 为视频段中的第i
‑
1帧图像的关键帧指标与视频段中的第i+1帧图像的关键帧指标之间的差值；比较L3[i]与L3[i
‑
1]的大小，若L3[i]＞L3[i
‑
1]，则删除视频段中的第i帧图像，同时在关键帧指标列表L_index中删除视频段中的第i帧图像所对应的关键帧指标，随后进入步骤S5；若L3[i]≤L3[i
‑
1]，则删除视频段中的第i+1帧图像，同时在关键帧指标列表L_index中删除视频段中的第i+1帧图像所对应的关键帧指标，随后进入步骤S5；S5、判断视频段中图像帧的去除率是否大于设定值，若视频段中图像帧的去除率大于设定值，则视频段中剩余未删除的图像帧为关键帧，关键帧提取完成；若视频段中图像帧的去除率小于或等于设定值，则返回步骤S2。3.根据权利要求2所述的一种相似材料模型内部岩层变化与破坏的连续监测方法，其
特征在于：所述视频段中图像帧的去除率为已删除的图像帧的帧数/视频段的总帧数。4.根据权利要求3所述的一种相似材料模型内部岩层变化与破坏的连续监测方法，其特征在于：所述监测目标为岩层的相似材料模型（1），所述相似材料模型（1）的观测面正对拍摄装置（3）设置；所述步骤一、视频采集中，使用拍摄装置（3）对岩层的相似材料模型（1）的观测面进行连续的拍摄，并依次形成多个时间连续的视频段。5.根据权利要求4所述的一种相似材料模型内部岩层变化与破坏的连...

【专利技术属性】
技术研发人员：查剑锋，刘威，仲崇武，查剑林，宋坤，令狐凯，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：