Реферат по теме выпускной работы
Содержание
- Введение
- 1. Актуальность темы
- 2. Цель и задачи исследования
- 3. Основные параметры породных отвалов
- 4. Существующие пакеты для построения 3D-моделей
- 5. Текущие результаты исследований
- Выводы
- Список источников
Введение
На территории Украины в результате деятельности 500 промышленных предприятий только твердых отходов накоплено около 25 млрд тонн. Эти отходы негативно влияют на природные ландшафты и экологические условия, занимая площадь около 150 тыс. га плодородных земель и ухудшая среду обитания человека. Техногенные месторождения приводят к исключению из хозяйственного оборота больших площадей земель, занятых отходами производства.
За 200 лет промышленной добычи каменных углей в Донбассе и их переработки накоплено громадное количество отходов: на каждого жителя этого региона приходится их около 4000 т.
Породный отвал (а. waste dump, spoil heap) – техногенный массив, формируемый на специально отведённой площади из горных пород, получаемых в процессе разработки месторождения [1].
Породные отвалы бывают следующей формы: конические, хребтовидные, плоские, комбинированные.
Конический породный отвал – это отвал из пород или сырья, образующийся при насыпании на определенную поверхность разрыхленного грунта. Данный отвал имеет форму неправильного конуса.
Конические отвалы эксплуатируются до высоты 100 м и должны быть в дальнейшем переформированы в плоские.
Хребтовидный отвал образуется последовательным формированием конического отвала.
Комбинированная форма – образование комбинаций конических и плоских отвалов.
Плоский отвал – это такая форма складирования породы, при которой образуется площадка на его поверхности. Плоские отвалы образуются при:
- Перепрофилировании конических и хребтовидных отвалов;
- Непосредственном формировании плоского отвала.
Плоская форма отвала – это основная форма в данный момент [2].
1. Актуальность темы
Из 1257 терриконов и отвалов угольных шахт до 35% подвержены процессам самовозгорания угля. Выделяющиеся при этом из очагов горения горячие газы отлагают на поверхности самородную серу, нашатырь и другие техногенные минералы. В радиусе до 3-х км каждый террикон является источником загрязнения воздушной, водной и поверхностной природной среды различными токсинами, в том числе мышьяком, ртутью и др.
С другой стороны, при правильном использовании терриконы могут быть полезны.
«В частности мы рекомендовали проектировщикам, которые занимались четвертой очередью объездной дороги, максимально использовать в качестве балансировочного слоя сгоревшую породу террикона шахты им. Панфилова. Уже есть проект на ее разработку и вывоз», – сообщил Александр Лукьянченко, передает газета «Сегодня».
Тем временем ученые пытаются найти для терриконов Донбасса сразу несколько применений.
Одна из самых привлекательных идей – строительство на них небольших ветроэлектростанций.
«Понижается верхушка, создается плато на высоте 40 метров, проводится рекультивация породы. Если просто поставить ветрогенератор, то он будет работать неэффективно, ведь средняя скорость ветрового потока у нас около 6 м/с. А нужна скорость 12–15 м/с. Для этого делаются гидродинамические каналы, которые захватывают потоки ветра. Эта идея уже запатентована, весь вопрос – в инвестициях», – говорит завкафедрой природоохранной деятельности ДонНТУ Виктор Костенко. По его словам, терриконные ветряки (с использованием местных подстанций и электросетей) помогут обеспечить недорогой электроэнергией депрессивные шахтерские районы.
Специалисты уверены, что концентрация редких веществ достигла в горных отвалах такого уровня, что их можно использовать в промышленности. «Мы возим из Гвинеи через несколько границ сырье для алюминиевой промышленности. Но при нынешних технологиях можно получать собственное сырье в результате переработки отвалов», – говорит Виктор Костенко.
Например, из 1 тонны породных отвалов можно получить: 55 г германия, который используется в радиоэлектронике и оптике; 20 г скандия – в производстве авиационной техники, лазерных материалов и др.; 100 г галлия, который можно применять в производстве смазочных материалов, а так же в качестве элементов для солнечных батарей [3].
Отсюда вытекает необходимость расчета параметров породных отвалов для классификации и дальнейшей реорганизации.
2. Цель и задачи исследования
Целью данной работы является разработка программного обеспечения компьютерной системы расчета параметров и моделирования породных отвалов.
Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
- Определить основные параметры породного отвала для классификации и дальнейшей реорганизации;
- Рассмотреть существующие методы и средства построения моделей терриконов, их достоинства и недостатки;
- Построить модели породных отвалов и определить полученную точность;
- Разработать программное обеспечение для выполнения поставленных задач.
3. Основные параметры породных отвалов и методы их получения
Основные параметры породных отвалов приведены в таблице 1.
Таблица 1 – Основные параметры породных отвалов и методы их получения
Исследованиями ДонНТУ установлено, что площадь боковой поверхности породного отвала конической формы также является показателем степени его экологической опасности и определяется по формуле (1):
где H – высота породного отвала [4].
Следует ввести в паспорт каждого породного отвала еще и такой показатель, как площадь его поверхности и производить мониторинг ее изменения во времени. При формировании конического отвала во времени зависимость площади поверхности его Sпов от высоты Н описывается выражением (2):
где H – высота породного отвала [5].
4. Существующие пакеты для построения 3D-моделей
На сегодняшний день существуют программные средства, позволяющие построить объемные модели породных отвалов. К таковым можно отнести программный продукт OziExplorer, Комплекс 3D анализа, ArcGis 3D Analyst.
Комплекс 3D анализа предназначен для создания моделей поверхностей и решения задач пространственного анализа с использованием построенных моделей. Модели поверхностей могут быть созданы по векторным данным форматов SHP, MIF, DXF, SXF, KML и других, по информации из таблиц базы данных (DBF, XLS), а также могут быть загружены из форматов SRTM, GeoTIFF, XYZ, LAS и других, всего более 20 форматов. Модели поверхностей используются для формирования трёхмерной карты местности, а также при решении задач оценки рельефа: вычисление расстояний, расчёт площадей и объёмов, профилирование, построение зон видимости, определение направлений склонов. Комплекс 3D анализа использует модели поверхностей в задачах построения изолиний, формирования координаты H (высота) объектов карты, при построении зон затопления и для моделировании аварийных ситуаций. Комплекс 3D анализа также включает в себя задачи прогнозирования зоны аварийного разлива нефтепродуктов и расчёта объёмов земляных работ.
ArcGIS 3D-Analyst (включает приложение ArcGlobe) позволяет отображать, в том числе на глобусе, и анализировать большие наборы трехмерных географических данных. 3D-Analyst содержит инструменты для трехмерного моделирования: вычисление объема между поверхностями, видимости по линии взгляда, моделирования местности, а также инструменты для анализа поверхностей
3D-Analyst предоставляет интерфейс для реалистичной визуализации пространственных данных, создания трехмерных сцен, анимации, использования трехмерных условных знаков и подписей.
OziExplorer3D – программное обеспечение, которое позволяет просматривать трехмерные изображения карт с возможностью вращения во всех направлениях и изменением масштаба. Трехмерные карты, созданные при помощи OziExplorer, затем просматриваются OziExplorer3D, поэтому OziExplorer3D может рассматриваться как дополнение к OziExplorer [8]. Трехмерная карта может быть создана из любой карты и затем загружена в OziExplorer, если у пользователя есть данные рельефа этой местности. Трехмерная карта составляется из изображения карты (или части изображения) и сетки высот в интервале, определенном пользователем. Программа вычерчивает трехмерную сетку высот и затем накладывает изображение карты на сетку (операция называется текстурированием) для получения трехмерной карты.
В рассматриваемой компьютерной системе для построения моделей породных отвалов использовался программный продукт OziExplorer3D.
Для создания трехмерной модели в OziExplorer3D необходимо изображение террикона, файл привязки к координатной сетке и соответствующие координатам значения высот точек земной поверхности.
В качестве высотных данных были выбраны файлы SRTM.
За время работы проекта спутникового радарного сканирования, имеющего в списке NASA название Shuttle Radar Topography Mission (сокращенно SRTM), в феврале 2000 г. были собраны данные о высотах в различных областях Земли. Обработанные данные результатов SRTM-сканирования общедоступны. Данные представляют собой заархивированные файлы с именами NxxEyyy.hgt.zip, где xx – координата по широте, yyy – координата по долготе левого верхнего угла квадрата поверхности, представленного в файле. Буквы N и E в имени файла обозначают соответственно северное и восточное полушария. В архиве имеется одноименный файл с расширением .hgt, содержащий собственно результаты исследования.
Каждый ght-файл имеет размер 2884802 байт и представляет собой матрицу размером 1201x1201 из двухбайтовых значений. Каждому двухбайтовому элементу матрицы соответствует высота в метрах над уровнем моря узла решётки с шагом в три секунды дуги (1/1200 градуса) как по широте, так и по долготе. На цилиндрической равноугольной проекции Меркатора эта решётка прямоугольная, каждому файлу соответствует прямоугольник градус на градус. Отсчёт узлов в файле идёт с запада на восток и с севера на юг, строкам матрицы соответствуют параллели, столбцам – меридианы [6].
Для построения террикона также необходимо соответствующее изображение земной поверхности. Получить требуемое изображение можно с помощью программы SASPlanet [7]. Достаточно ввести координаты исследуемого террикона и выделить область интереса. Программа сохраняет выделенное изображение и создает файл привязки с расширением .map.
Далее, открыв в OziExplorer3D изображение террикона и загрузив файл высот, можно построить трехмерную модель породного отвала.
Риc. 1 – Построение трехмерной модели породного отвала
(анимация: 9 кадров, 6 циклов повторения, 138 килобайт)
5. Текущие результаты исследований
Для определения точности исходных данных SRTM и построения трехмерных моделей в программном продукте OziExplorer3D [9] были построены модели терриконов 12 шахт Донецкой области.
Изображения породных отвалов были получены с помощью программы SASPlanet [7].
Данное программное обеспечение предоставляет возможность находить искомый объект на картах Google, GoogleEarth,Yahoo!, Navitel, Wikimapia, Gurtam, Яндекс, картами Генштаба и др.
Также предусмотрена возможность просматривать отдельные слои земной поверхности.
Для исследований использовались карты Google.
Для породных отвалов использовались изображения с масштабом от 0,4 м/пиксель до 0,8 м/пиксель, что соответствует высоте съемки 25 м и 50 м над земной поверхностью.
Каждому изображению соответствует файл привязки с расширением .map. В нем хранятся координаты выбранного участка земной поверхности.
Высотные данные SRTM для выбранных терриконов представлены 4 файлами: N47E037.hgt, N47E038.hgt, N48E037.hgt и N48E038.hgt.
Буквы N и E в имени файла обозначают соответственно северное и восточное полушария, 47 или 48 – координата по широте, 37 или 38 – координата по долготе левого верхнего угла квадрата поверхности, представленного в файле.
Открыв в OziExplorer файл привязки к координатам и подключив необходимый файл высот, можно построить модель террикона (рис. 2, рис. 3).
Рис. 2 – 3D модель отвала №2 ш. «Моспинская» (Моспино)
Рис. 3 – 3D модель отвала №2 ш. «Червоногвардейская»
Таким образом, были получены 3х-мерные модели породных отвалов ш. им. С. М. Кирова (Ханженково), отвала № 1 ш. им. Румянцева (Горловка), отвала № 2 ш. «Алмазная» (Доброполье), отвала № 1 ш. «Южная» (Дзержинск), отвала № 2 ш. «Моспинская» (Моспино), отвала шахты им. Челюскинцев и др.
Полученные при моделировании данные сравнивались с точными геодезическими измерениями [4] .
Результаты сравнения и погрешность представлены в таблице 2.
Таблица 2 – Породные отвалы, для которых были построены объемные модели
Как видно из табл. 2, погрешность моделирования в пакете OziExplorer достаточно велика. Кроме того, программный продукт не ориентирован на построение породных отвалов и не имеет инструментов для расчета основных параметров.
Таким образом, возникает необходимость создания специализированного программного обеспечения для расчета параметров и моделирования породных отвалов.
Выводы
Разработана компьютерная система расчета параметров и моделирования породных отвалов c использованием стандартных пакетов.
Выполнены машинные эксперименты по получению трехмерных моделей, используя космические снимки породных отвалов 12 шахт Донецкой области.
Определена относительная погрешность высоты данных моделей терриконов.
Полученные результаты показали, что для увеличения точности построения и расчета параметров породного отвала, а также определения степени его экологической опасности необходимо разработать специализированное программное обеспечение.
Результаты моделирования позволят принимать решение о возможности реорганизации породного отвала: увеличению степени озеленения, изменению формы террикона для уменьшения газо- и пылеобразования.
По степени экологической опасности породного отвала можно сделать вывод о возможном строительстве возле террикона, извлечению редких веществ, находящихся в отвале, использованию сгоревшей породы в качестве балансировочного слоя для строительства дорог и даже сооружению на терриконах небольших ветроэлектростанций.
При написании данного автореферата магистерская работа еще не завершена.
Окончательное завершение: 1 декабря 2012 г.
Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.
Паршутина А. А.