Освещены исследования, направленные на разработку методов решения задач маркшейдерского обеспечения по данным цифрового картографирования.
Проблемой совершенствования маркшейдерского обеспечения
ученые занимаются постоянно. При этом уровень решаемых задач
растет и связано это, в первую очередь, с повышающимися
требованиями времени, с ростом качества программного обеспечения
и приборов, которые используются маркшейдерскими службами. В
настоящее время актуальными являются задачи:
- составления цифровых планов и моделей на территории
карьеров, отвалов и других объектов;
- создания моделей месторождений;
- использования автоматизированных методов проектирования
горных работ;
- автоматизирования определения объемов на основании
использования цифровых методов съемок и компьютерных методов
вычислений и графических построений и т.д.
Качество и оперативность маркшейдерских работ зависят, в
первую очередь, от полноты планов, составленных на объекты горного
предприятия. Используя, наиболее распространенную на сегодняшний
день тахеометрическую съемку с применением электронных
тахеометров, лишь частично решается задача автоматизации работ по
составлению планов на участки, где невозможно или запрещено
нахождение человека. Известный безотражательный режим
электронных тахеометров не всегда эффективен. Этому мешаю
следующие факторы:
- Из-за отражательных свойств горных пород карьеров
Кривбасса уменьшается длина линии, которая может быть измерена в
безотражательном режиме, на 40-50% от тех данных, которые
приведены в паспорте прибора на стандартную пластину Kodak Gray
Card. Результаты могут меняться в зависимости от условий
наблюдений, например, для светлых пород (мергель) измеряемое
расстояние может значительно увеличиваться.
- Создание качественных и полных планов горных выработок,
применяя безотражательный режим, затруднено начиная уже с
дальности 200 метров, за исключением случаев, когда наблюдатель
стоит на значительном возвышении. Это связано с наличием „мертвых
зон“, то есть с тем что, многие элементы горных выработок скрыты от
наблюдателя.
Аэрофотосъемка, по сравнению с другими методами, дает возможность наиболее полно отобразить информацию о поверхности, но на сегодня она обладает низкой оперативностью. План, составленный по результатам аэрофотосъемки, передается маркшейдерской службе карьера через определенное время после съемочных работ. Поэтому для решения многих задач теряется актуальность результатов съемки, так как на маркшейдерском плане, составленном по результатам съемки, выполненной месяц назад и более, не отражается современное состояние карьера. Универсальным способом решения данной проблемы для крупных железорудных карьеров является использование такого дистанционного метода картографирования, как наземная цифровая стереофотограм- метрическая съемка. По результатам такой съемки можно оперативно решать все задачи, указанные выше.
На начальных этапах разработки и внедрения наземной цифровой стереофотограмметрическая съемки, цифровая камера устанавливалась с помощью специального приспособления на электронный тахеометр. В полевых условиях фиксировались величины скосов, номера снимков и др. Перед началом полевых работ выбирались и закреплялись станции фотографирования, контрольные и корректурные точки, определялись их координаты. В процессе исследований данная методика претерпела ряд существенных изменений и усовершенствований.
Кроме того, в настоящее время использование формата RAW при съемке цифровой камерой и формата TIFF при последующей обработке изображений заменено форматами соответственно JPEG (с максимальным качеством) и TIFF c JPEG-сжатием. Это позволило уменьшить объемы файлов при работе на компьютере с 23 Мб до 7 Мб, а при работе с цифровой камерой с 7 Мб до 3 Мб. Уменьшение в памяти камеры объема снимка дает возможность увеличить их количество, что позволяет более детально проводить съемочные работы из-за создания в памяти цифровой камеры «резервных снимков», а также из-за исключения риска получения на участок только одного изображения плохого качества, например нерезкого, со смазом и пр.
В настоящее время, выполнение фотографических работ со штатива с жестко установленной цифровой камерой на электронном тахеометре, заменено фотографированием „с руки”. При сильном ветре цифровая камера ставиться на головку штатива без использования специальных приспособлений. На станции съемка производиться без фиксирования величины скоса, а фотографирование выполняется слева – направо или в обратном направлении с перекрытием снимков около 80%. Известно, что такое перекрытие снимков дает больше возможностей в формировании стереопар. Привязка базисов фотографирования не требует высокой точности, так как для процесса ориентирования координаты станций достаточно знать с точностью до 20 м. Это позволяет сократить время полевых работ, при необходимости переносить положение станции на несколько метров, например, для исключения при съемке в поле зрения препятствий, помех. На карьерах без такой методики довольно сложно выполнять фотографирование, так как при съемке с постоянных точек верхних бортов невозможно охватить большие площади из-за всевозможных препятствий. Практически это выглядит следующим образом: сначала выполняется съемка с выбранных станций максимально возможных площадей, а затем, если какие-либо препятствия закрывают часть объекта съемки, производится смещение со станции на необходимую величину (10-15 м, иногда более), и выполняется съемка закрытых ранее площадей. Такая методика используется в 20-40 процентах от общего объема выполняемых съемочных работ.
Благодаря применению электронных тахеометров можно исключить использование стационарных станций для съемки карьеров, так как наблюдатель на каждой станции может определить координаты точки стояния методом решения обратной засечки. Контроль определения координат станций фотографирования осуществляется с использованием нескольких приемов и избыточного количества опорных точек. Данная методика является более эффективной по сравнению с классической, так как позволяет выполнять работы в сложных условиях, с препятствиями в поле зрения. Съемка более гибкая к изменяющимся условиям. Кроме того, данная методика предусматривает определение только высот точек фотографирования (центров проектирования), а не высот точек стояния, закрепленных на земной поверхности. Для этого используется удобный в данном случае способ тригонометрического нивелирования.
В результате экспериментальных работ по внедрению цифрового стереофотограмметрического метода съемки карьеров, на примере карьера ОАО «ИнГОК», была выбрана оптимальная схема выполнения полевых и камеральных работ. Первая съемка на карьере обычно состоит из двух-трех дней полевых работ и трех-четырех дней камеральных работ (зависит от объема рисовки изменений). Если первоначально удачно выбраны места для съемочных работ, то последующие съемки включают только один день полевых работ. Например, на карьере ОАО «ИнГОК» для съемочных работ выбраны базисы, расположенные на востоке, юге и западе, так как фронт работ продвигается на север.
Съемочные работы начинаются утром с восточного борта и заканчиваются вечером с западного борта. Съемочные работы включают привязку базисов, опознаков и фотографирование. Для контроля и повышения точности определения координат опознаков, на них определяются горизонтальные и вертикальные углы с каждой станции и по возможности с каждого базиса. Количество опознаков значительно превышает рекомендуемое при классической наземной фототеодолитной съемке, так как при данной методике их число является одним из основных факторов, влияющим на точность составления маркшейдерского плана.
Отличительной особенностью предложенной методики является то, что каждая стереопара ориентируется несколько раз. Каждое ориентирование выполняется по опознакам, которые находятся на краях зоны, в пределах которой производится рисовка ситуации. На границах зон выполняется контроль точности составления плана путем сравнения ситуации, нарисованной из разных зон.
Дальнейшие исследования направлены на разработку методов решения задач маркшейдерского обеспечения по данным цифрового картографирования.
Список литературы
1. Долгіх Л.В., Долгіх О.В. Практика використання цифрових
методів зйомки кар’єрів //Збірник наукових праць „Вісник
Криворізького технічного університету”. – Кривий Ріг: КТУ. Вип. 16,
2007. с. 44-48.
2. Долгіх Л.В., Долгіх О.В. Виконання цифрової наземної
стереофотограмметричної зйомки кар’єру для складання та оновлення
маркшейдерських планів (методичні вказівки). – Кривий Ріг:
Видавничий центр КТУ. 39 с.
3. Долгіх Л.В., Долгіх О.В. Перспективний напрям
автоматизації робіт маркшейдерського забезпечення кар’єру. Сборник
научных трудов 2005-2006 гг., „Научное обеспечение развития
горнорудных предприятий на современном этапе”, – Кривий Ріг: ГП
НИГРИ, 2006. с. 149-157.
Рисунок 1 – Цифровая модель рельефа
Рисунок 2 – Цифровая модель поверхности
Построение цифровой модели поверхности объекта. Процесс создания ЦМП объекта включает в себя следующие этапы: построение характерных контуров объекта; формирование семантической пространственной модели объекта на основе контуров; построение TIN (Triangulated Irregular Network) поверхности объекта.
Завершающим этапом создания ЦМП является триангуляция поверхности, потому что именно такая форма представления необходима, с одной стороны, для решения ряда прикладных задач, с другой – для экспорта полученных моделей в универсальные распространенные форматы типа 3ds.
Необходимо вначале хотя бы вкратце описать данные, на основе которых строится ЦМП.
Исходные данные для построения ЦМП съемка объекта. В качестве объекта в данной работе представлено отдельно стоящее двухэтажное здание с простыми плоскими прямоугольными стенами. Была произведена съемка объекта со всех сторон с помощью откалиброванной любительской камеры SONY. На рис. 3 приведены образцы снимков, общее число снимков на весь объект составляет 21. Измерение опорных точек и опорных отрезков не производилось. В качестве дополнительных условий процедуры фотограмметрического уравнивания были использованы направления местных вертикалей здания.
Ориентирование снимков. По результатам проведенных измерений на снимках была построена ориентированная и масштабированная геометрическая модель, то есть набор стереомоделей, ориентированных в единой системе координат. Схема сети снимков, соответствующая вычисленным параметрам ориентирования, представлена графически на рис.4.
Процесс ориентирования сети снимков является завершающим этапом формирования исходных данных для создания ЦМП и последующего формирования текстур.
Построение характерных контуров объекта. На этом этапе по полученным стереомоделям выполняется съемка основных ограничивающих контуров здания, из которых составляется его геометрическая модель (рис. 5). В рассматриваемом проекте были построены контуры четырех стен, а также дверных и оконных проемов, на основе этих векторных элементов строится пространственная модель здания.
Рисунок 3 - Снимки одной стены
Рисунок 4 – Геометрическая модель снимков
Рисунок 5 – Геометрическая модель объекта
Формирование семантической пространственной модели объекта. Принципиально наиболее сложной частью задачи является построение TIN полной поверхности здания. Проблема заключается в том, что для поверхности, топологически эквивалентной плоскости, триангуляция строится по алгоритму Делоне или любому из аналогичных алгоритмов [4], но для поверхности, топологически эквивалентной сфере, не известен аналогичный универсальный и эффективный алгоритм [5, 6].
Задача еще более усложняется, если речь идет о триангуляции невыпуклого множества, какими и являются многие искусственные объекты. Однако можно попытаться построить эффективное решение задачи на основе некоторого дополнительного описания структуры поверхности, которое используется затем при построении алгоритмов триангуляции.
Заключение. Разработанные алгоритмы формирования цифровой модели поверхности и текстурного покрытия были реализованы в цифровой фотограмметрической системе Z_Proxima 1.0. Система предназначена для создания моделей зданий и других объектов искусственного и естественного происхождения на основе сети снимков и дополнительных геодезических данных. Требования, предъявляемые к системе, включают в себя достаточно высокую точность получаемой геометрической модели объекта в сочетании с видеореалистичностью текстурного покрытия. Для того чтобы рассматриваемая технология обеспечивала эффективную обработку исходных данных, потребовалось разработать ряд алгоритмов, которые не использовались ранее в системах обработки аэрофотоснимков и космических снимков. Рассмотренные алгоритмы показали высокую эффективность и качество получаемых результатов.
Литература
1. Лобанов А.Н. Фотограмметрия. –М.: Недра, 1984. –552 с.
2. Лобанов А.Н. Фототопография, наземная фотограмметрическая съемка. –М.: Недра, 1968. –267 с.
3. Блохин Н.А. Стереофотограмметрическая наземная
съемка. –М.-Л.: ОНТИ НКТП, 1937. –382 с.
4. Скворцов А.В. Триангуляция Делоне и ее применения. -Томск: Изд-во Том. Ун-та, 2002. –128 с.
5. Препарата Ф., Шеймос М. Вычислительная геометрия.
–М.: Мир, 1989. –478 с.
6. Handbook of Discrete and Computational Geometry ed. by
Jacob E.Goodman, Jozeph O’Rourke, CRC Press, Boca Raton,
New York, 1997, 955 p.
7. Блохинов Ю.Б., Веркеенко М.С. Алгоритмы формирования видеореалистичных текстур по данным наземной фотосъемки // Изв. вузов. «Геодезия и аэрофотосъемка», № 5, 2010. –C. 44–49.