Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

1. Актуальность работы

В угольных районах Украины одним из основных источников загрязнения земельных угодий и атмосферы являются породные отвалы, которые не только уменьшают площадь полезно используемых земель, но и является опасными очагами эрозии, источником загрязнения воды и почв окружающей местности. Более 50 % выбросов вредных веществ выделяется горящими породными отвалами (более 1100 породных отвала, под которыми занято около 6300 гектаров плодородной и пригодной для промышленного и жилого строительства земли).

При этом данная экологическая проблема обострена таким глобальным фактором, как самовозгорание породных отвалов с выделением в атмосферу городов и поселков вредных газов и пыли, вплоть до взрыва терриконов. Самовозгорание является следствием химического процесса связанного с высокой концентрацией соединения серы. Из горящего отвала средних размеров ежегодно выделяется примерно 15 тыс. тонн углекислого газа, 5 тыс. тонн окиси углерода и большое количество пыли.

2. Цели и задачи исследования

Существуют множество методов, обеспечивающих снижение вредоносного воздействия породных отвалов на окружающую среду, среди них: покрытие поверхности породных отвалов плодородным слоем и высадка зеленых насаждений, перепрофилирование, формирование ландшафта, рекультивация.

Для использования любого из предложенных методов необходимо иметь информацию об основных параметрах породного отвала (площадь, форма, угол откоса, высота и другие). Такими данными, как правило, обладает шахта, к которой относится породный отвал, но, как показывает практика, эти данные не точны, либо вообще отсутствуют (как, например, у многих породных отвалов начала ХХ века).

Таким образом, возникает необходимость в разработке системы способной визуализировать породный отвал и получить информацию о его реальных параметрах. Для этого необходимо выполнить исследование методов обработки снимков породных отвалов и разработать алгоритмы получения исходных данных, необходимых для построения 3D модели породного отвала и расчета его основных параметров.

3. Обзор существующих решений

3.1. Динамическая модель породного отвала с оценкой содержания вредных и полезных компонентов

В статье [1] предлагается концепция создания динамической модели породного отвала с оценкой содержания вредных и полезных компонентов угля с целью рационального использования пород и улучшение экологической обстановки в регионе. Посредством данной модели появляется возможность проанализировать породный отвал, эксплуатация которого уже закончилась, т. е. показать, как изменялась поверхность породного отвала во время его эксплуатации, а также составить проект формирования породного отвала для новых разработок полезных месторождений. Построение модели разбивается на этапы: получение периодов формирования отвала (см. рисунок 3.1), выполняется анализ планов горных выработок, проводится маркшейдерская съемка поверхности породного отвала за определенный период времени, для каждого из периодов определяется объем и состав пород.

Автор статьи утверждает, что разработанная модель позволит решить следующие задачи:

  1. Выявить так называемые очаги риска породного отвала, используя гранулометрический состав тех пород, которые формировали отвал за определенный период времени. К таким очагам риска относятся возможные очаги горения, и другие опасные факторы риска.
  2. Используя размещение и состав пород на определенном этапе насыпки на породный отвал, можно дать рекомендации по рациональному использованию данных пород.
Изменение формы породного отвала ш. Щегловская-Глубокая за определенный период времени

Рисунок 3.1 – Изменение формы породного отвала ш. Щегловская‑Глубокая за определенный период времени

Недостатком описанного подхода к моделированию породных отвалов является то, что данный подход применим только на этапе формирования породных отвалов. Хотя на практике за породными отвалами необходимо проводить ежеквартальные наблюдения и оценку основных параметров. Помимо этого, на множество старых отвалов, сформированных в начале XX века, не имеется информации о периодах их формирования и характеристиках складированных пород, что значительно сужает область применения описанного подхода.

3.2. Построение моделей породных отвалов с использованием карт высот, а также специализированных программных продуктов

В статье [2] предлагается построение моделей породных отвалов с использованием карт высот, а также специализированных программных продуктов, в частности OziExplorer (см. рисунок 3.2). Из результатов работы видно, что хоть данные продукты и не ориентированы на работу с породными отвалами, они достаточно неплохо справляются с поставленной задачей. Погрешность построения моделей не превышает 10 %.

3D модель отвала № 2 ш. Моспинская (Моспино)

Рисунок 3.2 – 3D‑модель отвала № 2 ш. Моспинская (Моспино)

Достоинства такого подхода очевидны: минимальные затраты как человеческих, так и материальных ресурсов. Материальные затраты заключаются только в использовании стороннего ПО. Недостатками использования данного подхода является невозможность расчета основных параметров породных отвалов, получение которых обязательно для дальнейшей классификации породных отвалов и определения степени негативного влияния на окружающую среду.

3.3. ГИС для учета и анализа спутниковых снимков терриконов угольных шахт

В работе [3] описывается создание соответствующей ГИС для учета и анализа спутниковых снимков терриконов угольных шахт.

Автором предложен метод оценки площадей терриконов по данным спутниковых снимков, предоставляемых картографическими веб‑сервисами. Суть метода состоит в проецировании геодезических координат узловых точек периметра верхнего и нижнего оснований террикона на декартову систему координат, вычисление площадей оснований как площадей многоугольника и последующей оценке площади поверхности террикона по модели усеченного конуса (см. рисунок 3.3). Разработаная геоинформационная система для учета и анализа спутниковых снимков терриконов угольных шахт позволяет локализовать границы терриконов, выполнять оценку площадей их поверхности, а также в интерактивном режиме определять и прогнозировать ряд характеристик терриконов, включая прогнозирование объема годового депонирования углерода, оценку запасов древесины рекультивированных терриконов и др.

Общий вид снимка в обработке с помощью ПО Terrikon Explorer

Рисунок 3.3 – Общий вид снимка в обработке с помощью ПО Terrikon Explorer

4. Алгоритм получения исходных данных, необходимых для построения 3D‑модели породного отвала

Для построения 3D‑модели породного отвала требуется множество точек, которые будут подвергаться триангуляции и образовывать поверхность породного отвала.

Для получения координат точек предлагается использовать фотоснимки породного отвала сверху и сбоку. Фотоснимок сверху можно получить из картографических сервисов. Примерами таких картографических сервисов являются Google Maps, Яндекс карты и приложение Google Earth [4]. Фотоснимок сбоку можно сделать самостоятельно, используя любую цифровую фотокамеру. Однако необходимо учитывать то, что камера должна находиться на достаточном расстоянии от породного отвала, обеспечивая максимально возможный захват боковой поверхности.

4.1. Выделение контуров

Для получения координат точек основания породного отвала необходимо выполнить выделение контуров. В результате проведенного анализа популярных методов выделения контуров было установлено, что не один из рассматриваемых методов (Робертс, Собель, Кэнни, Превитт) не выполняет задачу оконтуривания с необходимой точностью [5]. Это связано с тем, что фотоснимки картографических сервисов, как правило, сделаны в летнее время, когда поверхность породных отвалов покрыта растительностью, наличие которой на снимках негативно сказывается на точности выделения контура основания. В работе предлагается использовать полуавтоматическое выделение контуров породного отвала.

Для решения задачи оконтуривания было разработано приложение на языке C#. Приложение позволяет выделять контур основания породного отвала и позиционировать его вершину.

В качестве графического примитива, обеспечивающего выделение контура основания, выступает эллипс. Первоначально предлагается нарисовать эллипс так, чтобы основание породного отвала находилось внутри эллипса. Затем, как правило, требуется скорректировать размеры эллипса и его расположение. После этого, необходимо отрегулировать положение узлов полученной фигуры, чтобы они максимально точно соответствовали контуру породного отвала.

Далее выполняется позиционирование вершины. Полученный контур и вершина породного отвала представляют собой независимые друг от друга слои, что значительно упрощает их создание, перемещение, изменение размера и удаление.

Таким образом, разработанное приложение позволяет выделять контур породного отвала, а также позиционировать его вершину, что применимо для одновершинных породных отвалов, имеющих коническую форму (или близкую к ней). Планируется добавление возможности позиционирования нескольких вершин для многовершинных отвалов, а также выделение контура верхнего основания для усеченных породных отвалов.

Внешний вид главной формы разработанного приложения представлен на рисунке 4.1.

Приложение для полуавтоматического выделения контуров

Рисунок 4.1 – Приложение для полуавтоматического выделения контуров (анимация состоит из 5 кадров с задержкой 1 с между кадрами, количество повторов равно 6, объем изображения – 116 Кб)

Элементы управления обладают следующими функциями:

При помощи мыши можно выполнять следующие операции:

4.2. Согласование вида сверху и вида сбоку

После выделения контура основания породного отвала и позиционирования вершины на виде сверху, необходимо также указать точку, с которой был сделан снимок сбоку. Из данной точки провести две прямые. Прямые пересекут контур основания породного отвала в точках P11 и P12. Далее необходимо вычислить расстояние D1 между ними (см. рис. 4.2).

Таким образом, расстояние D1 – является расстоянием между крайними точками основания. Данные точки называются крайними, потому что они лежат на границе видимой и невидимой части боковой поверхности породного отвала на снимке сбоку.

Вычисление расстояния между крайними точками основания на виде сверху

Рисунок 4.2 – Вычисление расстояния между крайними точками основания на виде сверху

Далее вычисляется расстояние D2 на снимке сбоку. Для этого необходимо позиционировать точки P11 и P12. Также необходимо рассчитать высоту H2 для вида сбоку. Для этого необходимо опустить перпендикуляр от вершины к основанию (см. рис. 4.3).

Вычисление расстояния между крайними точками основания на виде сбоку

Рисунок 4.3 – Вычисление расстояния между крайними точками основания на виде сбоку

Зная расстояния D1 и D2, вычисляется коэффициент k по формуле:

Формула 1

Коэффициент k позволяет согласовать снимок породного отвала сбоку со снимком сверху. Таким образом, коэффициент дает возможность использовать в одном выражении данные о размерах породного отвала с разных снимков, предварительно корректируя их.

Используя коэффициент k можно вычислить высоту породного отвала H1 на снимке сверху, преобразовав высоту H2 со снимка сбоку. Данная операция называется масштабированием и выполняется по следующей формуле:

Формула 2

Таким образом, H1 – характеризует высоту породного отвала, в масштабе вида сверху.

4.3. Получение координат точек

По снимку породного отвала, сделанного сверху, можно определить координаты точек основания, используя выделенный контур, а именно координаты X (ширина) и Z (глубина). Координата Y принимается равной нулю. По этому же снимку также можно вычислить координаты X и Z вершины, координату Y принимаем равной H1.

Теперь по уравнению прямой проведенной через две точки, а именно через вершину, и одну из точек на основании, можно найти все точки на прямой:

Формула 3

Изменяя Y в интервале (0; H1) по формуле 3 можно найти координаты X и Z для всех точек, лежащих на каждой из прямых. Таким образом, с определенной точностью будут получены координаты множества точек, лежащих на поверхности породного отвала. Выполнив триангуляцию полученных точек можно построить 3D‑модель породного отвала [6]. Однако следует учитывать, что данный метод применим только для одновершинных породных отвалов с приблизительно конической формой.

Выводы

Предложен способ обработки снимков породных отвалов с целью определения входных данных, необходимых для построения 3D‑модели породного отвала. Разработана программа на языке C#, обеспечивающая выделение контура основания породного отвала и позиционирование его вершины.

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2014 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

  1. Прокопенко Е. В., Борщевский С. В. Разработка динамической модели породных отвалов угольных шахт [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://masters.donntu.ru.
  2. Паршутина А. А., Адамов В. Г. СКС расчета параметров и моделирования породных отвалов [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://masters.donntu.ru.
  3. Сурова А. Г, Адамов В. Г. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://masters.donntu.ru.
  4. Официальный сайт Google Earth [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.google.com.ua.
  5. Гонсалес Р. Цифровая обработка изображений в среде MATLAB / Р. Гонсалес, Р. Вудс, С. Эддинс – М.: Техносфера, 2006. – 616 с.
  6. Скворцов А. В. Триангуляция Делоне и её применение. – Томск: Изд‑во Том.ун‑та, 2002. – 128 с.
  7. OziExplorer3D – программный модуль, позволяющий строить трехмерные модели [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.gpsvsem.ru.
  8. Леонов П. А., Сурначев Б. А. Породный отвал угольных шахт. – Недра, 1970.
  9. Яворская А. В., Артамонов В. Н. Обоснование решений возможности переработки породных отвалов [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://masters.donntu.ru.
  10. ДНАОП 1.1.30 – 5.37. – 96 Инструкция по предупреждению самовозгорания, тушению и разборке породных отвалов. Сборник инструкций к правилам безопасности в угольных шахтах. – Т.2. – Киев, 1996. – С. 358–367.