Реферат за темою випускної роботи
Зміст
- Вступ
- 1. Актуальність теми
- 2. Мета і задачі дослідження
- 3. Основні параметри породних відвалів
- 4. Існуючі пакети для побудови 3D-моделей
- 5. Поточні результати досліджень
- Висновки
- Перелік посилань
Вступ
На території України в результаті діяльності 500 промислових підприємств тільки твердих відходів накопичено близько 25 млрд тонн. Ці відходи негативно впливають на природні ландшафти та екологічні умови, займаючи площу близько 150 тис. га родючих земель і погіршуючи середовище проживання людини. Техногенні родовища призводять до виключення з господарського обороту великих площ земель, зайнятих відходами виробництва.
За 200 років промислового видобутку кам’яного вугілля в Донбасі та його переробки накопичено величезну кількість відходів: на кожного жителя цього регіону доводиться їх близько 4000 т.
Породний відвал (а. waste dump, spoil heap) – техногенний масив, що формується на спеціально відведеній площі з гірських порід, одержуваних у процесі розробки родовища [1].
Породні відвали бувають наступної форми: конічні, хребтовидні, плоскі, комбіновані.
Конічний породний відвал – це відвал з порід або сировини, що утворюється при насипання на певну поверхню розпушеного грунту. Даний відвал має форму неправильного конуса.
Конічні відвали експлуатуються до висоти 100 м і повинні бути в подальшому переформовані в плоскі.
Хребтовидний відвал утворюється послідовним формуванням конічного відвалу.
Комбінована форма – утворення комбінацій конічних і плоских відвалів.
Плоский відвал – це така форма складування породи, при якій утворюється майданчик на його поверхні. Плоскі відвали утворюються при:
- Перепрофілювання конічних і хребтовидних відвалів;
- Безпосередньому формуванні плоского відвала.
Плоска форма відвала – це основна форма в даний момент [2].
1. Актуальність теми
З 1257 териконів і відвалів вугільних шахт до 35% схильні до процесів самозаймання вугілля. Гарячі гази, що виділяються при цьому, відкладають на поверхні самородну сірку, нашатир та інші техногенні мінерали. У радіусі до 3-х км кожен терикон є джерелом забруднення повітряного та водного природного середовища різними токсинами, в тому числі миш’яком, ртуттю та ін.
З іншого боку, при правильному використанні терикони можуть бути корисні.
“Зокрема ми рекомендували проектувальникам, які займалися четвертої колією об’їзної дороги, максимально використовувати як балансувальний шар згорілу породу терикону шахти ім. Панфілова. Вже є проект на її розробку і вивіз”, – повідомив Олександр Лук’янченко, передає газета “Сьогодні”.
Тим часом вчені намагаються знайти для відвалів Донбасу відразу кілька застосувань.
Одна з найпривабливіших ідей – будівництво на них невеликих вітроелектростанцій.
“Знижується верхівка, створюється плато на висоті 40 метрів, проводиться рекультивація породи. Якщо просто поставити вітрогенератор, то він буде працювати неефективно, адже середня швидкість вітрового потоку у нас близько 6 м/с. А потрібна швидкість 12–15 м/с. Для цього робляться гідродинамічні канали, які захоплюють потоки вітру. Ця ідея вже запатентована, питання – в інвестиціях”, – каже завкафедрою природоохоронної діяльності ДонНТУ Віктор Костенко. За його словами, такі вітряки (з використанням місцевих підстанцій та електромереж) допоможуть забезпечити недорогою електроенергією депресивні шахтарські райони.
Фахівці впевнені, що концентрація рідкісних речовин досягла в гірських відвалах такого рівня, що їх можна використовувати у промисловості. “Ми возимо із Гвінеї через кілька кордонів сировину для алюмінієвої промисловості. Але при нинішніх технологіях можна отримувати власну сировину в результаті переробки відвалів”, – каже Віктор Костенко.
Наприклад, з 1 тонни породних відвалів можна отримати: 55 г германію, який використовується у радіоелектроніці і оптиці; 20 г скандію – у виробництві авіаційної техніки, лазерних матеріалів та ін; 100 г галію, який можна застосовувати у виробництві мастильних матеріалів, а так само в якості елементів для сонячних батарей [3].
Звідси випливає необхідність розрахунку параметрів порідних відвалів для класифікації і подальшої реорганізації.
2. Мета і задачі дослідження
Метою даної роботи є розробка програмного забезпечення комп’ютерної системи розрахунку параметрів і моделювання породних відвалів.
Для досягнення мети необхідно вирішити наступні завдання:
- Визначити основні параметри породного відвалу для класифікації і подальшої реорганізації;
- Розглянути існуючі методи і засоби побудови моделей териконів, їх переваги і недоліки;
- Побудувати моделі породних відвалів та визначити отриману точність;
- Розробити програмне забезпечення для виконання поставлених завдань.
3. Основні параметри породних відвалів
Основні параметри породних відвалів наведені в таблиці 1.
Таблиця 1 – Основні параметри породних відвалів та методи їх отримання
Дослідженнями ДонНТУ встановлено, що площа бічної поверхні породного відвалу конічної форми також є показником ступеня його екологічної небезпеки і визначається за формулою (1):
де H – висота породного відвалу [4].
Слід ввести в паспорт кожного породного відвалу ще й такий показник, як площа його поверхні і проводити моніторинг її зміни в часі. При формуванні конічного відвалу у часі залежність площі поверхні його Sпов від висоти Н описується виразом (2):
де H – висота породного відвалу [5].
4. Існуючі пакети для побудови 3D-моделей
На сьогодні існують програмні засоби, що дозволяють побудувати об’ємні моделі породних відвалів. До таких можна віднести програмний продукт OziExplorer, Комплекс 3D аналізу, ArcGis 3D Analyst.
Комплекс 3D аналізу призначений для створення моделей поверхонь і вирішення завдань просторового аналізу з використанням побудованих моделей. Моделі поверхонь можуть бути створені за векторним даними форматів SHP, MIF, DXF, SXF, KML та інших, за інформацією з таблиць бази даних (DBF, XLS), а також можуть бути завантажені з форматів SRTM, GeoTIFF, XYZ, LAS та інших, всього більше 20 форматів. Моделі поверхонь використовуються для формування тривимірної карти місцевості, а також при вирішенні задач оцінки рельєфу: обчислення відстаней, розрахунок площ і об’ємів, профілювання, побудова зон видимості, визначення напрямків схилів. Комплекс 3D аналізу використовує моделі поверхонь в задачах побудови ізоліній, формування координати H (висота) об’єктів карти, при побудові зон затоплення і для моделюванні аварійних ситуацій. Комплекс 3D аналізу також включає в себе завдання прогнозування зони аварійного розливу нафтопродуктів та розрахунку обсягів земляних робіт.
ArcGIS 3D-Analyst (включає додаток ArcGlobe) дозволяє відображати, в тому числі на глобусі, і аналізувати великі набори тривимірних географічних даних. 3D-Analyst містить інструменти для тривимірного моделювання: обчислення обсягу між поверхнями, видимості по лінії погляду, моделювання місцевості, а також інструменти для аналізу поверхонь.
3D-Analyst надає інтерфейс для реалістичної візуалізації просторових даних, створення тривимірних сцен, анімації, використання тривимірних умовних знаків та підписів.
OziExplorer3D – програмне забезпечення, яке дозволяє переглядати тривимірні зображення карт з можливістю обертання в усіх напрямках і зміною масштабу. Тривимірні карти, створені за допомогою OziExplorer, потім проглядаються OziExplorer3D, тому OziExplorer3D може розглядатися як доповнення до OziExplorer [8]. Тривимірна карта може бути створена з будь-якої карти і потім завантажена в OziExplorer, якщо у користувача є дані рельєфу цієї місцевості. Тривимірна карта складається з зображення карти (або частини зображення) і сітки висот в інтервалі, визначеному користувачем. Програма викреслює тривимірну сітку висот і потім накладає зображення карти на сітку (операція називається текстуруванням) для отримання тривимірної карти.
У розглянутій комп’ютерній системі для побудови моделей породних відвалів використовувався програмний продукт OziExplorer3D.
Для створення тривимірної моделі в OziExplorer3D необхідно зображення терикону, файл прив’язки до координатної сітці і відповідні координатам значення висот точок земної поверхні.
В якості висотних даних були обрані файли SRTM.
За час роботи проекту супутникового радарного сканування, що має в списку NASA назву Shuttle Radar Topography Mission (скорочено SRTM), в лютому 2000 р. були зібрані дані про висоти в різних областях Землі. Оброблені дані результатів SRTM-сканування загальнодоступні. Дані являють собою заархівовані файли з іменами NxxEyyy.hgt.zip, де xx – координата по широті, yyy – координата по довготі лівого верхнього кута квадрата поверхні, представленого в файлі. Літери N і E в імені файлу позначають відповідно північну і східну півкулі. В архіві є однойменний файл з розширенням .hgt, що містить власне результати дослідження.
Кожен ght-файл має розмір 2884802 байт і являє собою матрицю розміром 1201x1201 з багатобайтових значень. Кожному двобайтового елементу матриці відповідає висота в метрах над рівнем моря вузла решітки з кроком в три секунди дуги (1/1200 градуса) як по широті, так і по довготі. На циліндричної рівнокутної проекції Меркатора ця решітка прямокутна, кожному файлу відповідає прямокутник градус на градус. Відлік вузлів у файлі йде із заходу на схід і з півночі на південь, рядкам матриці відповідають паралелі, стовпцями – меридіани [6].
Для побудови терикону також необхідно відповідне зображення земної поверхні. Отримати потрібне зображення можна за допомогою програми SASPlanet [7]. Досить ввести координати досліджуваного терикону і виділити область інтересу. Програма зберігає виділене зображення і створює файл прив’язки з розширенням .map.
Далі, відкривши в OziExplorer3D зображення терикону і завантаживши файл висот, можна побудувати тривимірну модель породного відвала.
Мал. 1 – Побудова тривимірної моделі породного відвала
(анімація: 9 кадрів, 6 циклів повтору, 138 кілобайт)
5. Поточні результати досліджень
Для визначення точності вихідних даних SRTM і побудови тривимірних моделей в програмному продукті OziExplorer3D [9] були побудовані моделі териконів 12 шахт Донецької області.
Зображення породних відвалів були отримані за допомогою програми SASPlanet [7].
Це програмне забезпечення надає можливість знаходити об’єкт на картах Google, GoogleEarth, Yahoo!, Navitel, Wikimapia, Gurtam, Яндекс, картами Генштабу та ін.
Також передбачена можливість переглядати окремі шари земної поверхні.
Для досліджень використовувалися карти Google.
Для породних відвалів використовувалися зображення з масштабом від 0,4 м/піксель до 0,8 м/піксель, що відповідає висоті зйомки 25 м і 50 м над земною поверхнею.
Кожному зображенню відповідає файл прив’язки з розширенням .map. У ньому зберігаються координати вибраної ділянки земної поверхні.
Висотні дані SRTM для обраних териконів представлені 4 файлами: N47E037.hgt, N47E038.hgt, N48E037.hgt і N48E038.hgt.
Літери N і E в імені файлу позначають відповідно північну і східну півкулі, 47 або 48 - координата по широті, 37 або 38 - координата по довготі лівого верхнього кута квадрата поверхні, представленого в файлі.
Відкривши в OziExplorer файл прив’язки до координат і підключивши необхідний файл висот, можна побудувати модель терикона (мал. 2, мал. 3).
Мал. 2 – 3D модель відвала №2 ш. “Моспінська” (Моспіно)
Мал. 3 – 3D модель відвала №2 ш. “Червоногвардейська”
Таким чином, були отримані 3х-мірні моделі породних відвалів ш. ім. С. М. Кірова (Ханженково), відвалу № 1 ш. ім. Румянцева (Горлівка), відвалу № 2 ш. “Алмазна” (Добропілля), відвалу № 1 ш. “Південна” (Дзержинськ), відвалу № 2 ш. “Моспінська” (Моспине), відвалу шахти ім. Челюскінців та ін.
Отримані при моделюванні дані порівнювалися з точними геодезичними вимірами [4] .
Результати і похибка представлені в таблиці 2.
Таблиця 2 – Породні відвали, для яких були побудовані об’ємні моделі
Як видно з табл. 2, похибка моделювання в пакеті OziExplorer досить велика. Крім того, програмний продукт не орієнтований на побудову породних відвалів і не має інструментів для розрахунку основних параметрів.
Таким чином, виникає необхідність створення спеціалізованого програмного забезпечення для розрахунку параметрів і моделювання породних відвалів.
Висновки
Розроблено комп’ютерну систему розрахунку параметрів і моделювання породних відвалів з використанням стандартних пакетів.
Виконано машинні експерименти з отримання тривимірних моделей, використовуючи космічні знімки породних відвалів 12 шахт Донецької області.
Визначено відносна похибка висоти даних моделей териконів.
Отримані результати показали, що для збільшення точності побудови і розрахунку параметрів породного відвалу, а також визначення ступеня його екологічної небезпеки необхідно розробити спеціалізоване програмне забезпечення.
Результати моделювання дозволять приймати рішення про можливість реорганізації породного відвалу: збільшення ступеня озеленення, зміни форми терикону для зменшення газо- і пилоутворення.
За ступенем екологічної небезпеки породного відвалу можна зробити висновок про можливе будівництво біля терикону, вилучення рідкісних речовин, що знаходяться в відвалі, використанню згорілої породи як балансувального шару для будівництва доріг і навіть спорудження на териконах невеликих вітроелектростанцій.
При написанні даного автореферата магістерська робота ще не завершена.
Остаточне завершення: 1 грудня 2012 р.
Повний текст роботи та матеріали за темою можуть бути отримані в автора або керівника після вказаної дати.
Паршутіна А. А.