Русский   English
ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат на тему випускної роботи

Зміст

1. Актуальність роботи

В вугільних районах України одним з основних джерел забруднення земельних угідь і атмосфери є породні відвали, які не тільки зменшують площу корисно використовуваних земель, але і є небезпечними вогнищами ерозії, джерелом забруднення води і грунтів навколишньої місцевості. Більше 50 % викидів шкідливих речовин виділяється палаючими породними відвалами (більше 1100 породних відвала, під якими зайнято близько 6300 гектарів родючої і придатною для промислового та житлового будівництва землі).

При цьому дана екологічна проблема загострена таким глобальним фактором, як самозаймання породних відвалів з виділенням в атмосферу міст і селищ шкідливих газів і пилу, аж до вибуху териконів. Самозаймання є наслідком хімічного процесу пов’язаного з високою концентрацією сполуки сірки. З палаючого відвалу середніх розмірів щорічно виділяється приблизно 15 тис. тонн вуглекислого газу, 5 тис. тонн окису вуглецю і велика кількість пилу.

2. Цілі і завдання дослідження

Існують безліч методів, що забезпечують зниження шкідливого впливу породних відвалів на навколишнє середовище, серед них: покриття поверхні породних відвалів родючим шаром і висадка зелених насаджень, перепрофілювання, формування ландшафту, рекультивація.

Для використання будь‑якого із запропонованих методів необхідно мати інформацію про основні параметри породного відвалу (площа, форма, кут укосу, висота та інші). Такими даними, як правило, володіє шахта, до якої відноситься породний відвал, але, як показує практика, ці дані не точні, або взагалі відсутні (як, наприклад, у багатьох породних відвалів початку ХХ століття).

Таким чином, виникає необхідність у розробці системи здатної візуалізувати породний відвал і отримати інформацію про його реальні параметрах. Для цього необхідно виконати дослідження методів обробки знімків породних відвалів та розробити алгоритми отримання вихідних даних, необхідних для побудови 3D‑моделі породного відвалу та розрахунку його основних параметрів.

3. Огляд існуючих рішень

3.1. Динамічна модель породного відвалу з оцінкою вмісту шкідливих і корисних компонентів

У статті [1] пропонується концепція створення динамічної моделі породного відвалу з оцінкою вмісту шкідливих і корисних компонентів вугілля з метою раціонального використання порід і поліпшення екологічної обстановки в регіоні. За допомогою даної моделі з’являється можливість проаналізувати породний відвал, експлуатація якого вже закінчилася, тобто показати, як змінювалася поверхню породного відвалу під час його експлуатації, а також скласти проект формування породного відвалу для нових розробок корисних родовищ. Побудова моделі розбивається на етапи: отримання періодів формування відвалу (див. рисунок 3.1), виконується аналіз планів гірничих виробок, проводиться маркшейдерська зйомка поверхні породного відвалу за певний період часу, для кожного з періодів визначається обсяг і склад порід.

Автор статті стверджує, що розроблена модель дозволить вирішити такі завдання:

  1. Виявити так звані вогнища ризику породного відвалу, використовуючи гранулометричний склад тих порід, які формували відвал за певний період часу. До таких осередків ризику належать можливі осередки горіння, та інші небезпечні фактори ризику.
  2. Використовуючи розміщення і склад порід на певному етапі насипання на породний відвал, можна дати рекомендації по раціонального використання даних порід.
Зміна форми породного відвалу ш. Щегловська-Глибока за певний період часу

Рисунок 3.1 – Зміна форми породного відвалу ш. Щегловська‑Глибока за певний період часу

Недоліком описаного підходу до моделювання породних відвалів є те, що даний підхід застосовується лише на етапі формування породних відвалів. Хоча на практиці за породними відвалами необхідно проводити щоквартальні спостереження і оцінку основних параметрів. Крім цього, на безліч старих відвалів, сформованих на початку XX століття, немає інформації про періоди їх формування та характеристиках складованих порід, що значно звужує область застосування описаного підходу.

3.2. Побудова моделей породних відвалів з використанням карт висот, а також спеціалізованих програмних продуктів

У статті [2] пропонується побудова моделей породних відвалів з використанням карт висот, а також спеціалізованих програмних продуктів, зокрема OziExplorer (див. рисунок 3.2). З результатів роботи видно, що хоч дані продукти і не орієнтовані на роботу з породними відвалами, вони досить непогано справляються з поставленим завданням. Похибка побудови моделей не перевищує 10 %.

3D-модель відвалу № 2 ш. «Моспінская» (Моспіно)

Рисунок 3.2 – 3D‑модель відвала № 2 ш. Моспінська (Моспине)

Переваги такого підходу очевидні: мінімальні витрати як людських, так і матеріальних ресурсів. Матеріальні витрати полягають тільки у використанні стороннього ПЗ. Недоліками використання даного підходу є неможливість розрахунку основних параметрів породних відвалів, отримання яких обов’язково для подальшої класифікації породних відвалів і визначення ступеня негативного впливу на навколишнє середовище.

3.3. ГІС для обліку та аналізу супутникових знімків териконів вугільних шахт

В роботі [3] описується створення відповідної ГІС для обліку та аналізу супутникових знімків териконів вугільних шахт.

Автором запропоновано метод оцінки площ териконів за даними супутникових знімків, наданих картографічними веб‑сервісами. Суть методу полягає в проектуванні геодезичних координат вузлових точок периметра верхнього і нижнього підстав терикону на декартову систему координат, обчислення площ підстав як площ багатокутника і подальшій оцінці площі поверхні терикону за моделлю усіченого конуса (див. рисунок 3.3). Разработаная геоінформаційна система для обліку та аналізу супутникових знімків териконів вугільних шахт дозволяє локалізувати кордону териконів, виконувати оцінку площ їх поверхні, а також в інтерактивному режимі визначати і прогнозувати ряд характеристик териконів, включаючи прогнозування обсягу річного депонування вуглецю, оцінку запасів деревини рекультивованих териконів та ін

Загальний вид знімка в обробці за допомогою ПО Terrikon Explorer

Рисунок 3.3 – Загальний вигляд знімка в обробці за допомогою ПО Terrikon Explorer

4. Алгоритм отримання вихідних даних, необхідних для побудови 3D‑моделі породного відвалу

Для побудови 3D‑моделі породного відвалу потрібно безліч точок, які будуть піддаватися тріангуляції і утворювати поверхню породного відвалу.

Для отримання координат точок пропонується використовувати фотознімки породного відвалу зверху і збоку. Фотознімок зверху можна отримати з картографічних сервісів. Прикладами таких картографічних сервісів є Google Maps, Яндекс карти і додаток Google Earth [4]. Фотознімок збоку можна зробити самостійно, використовуючи будь‑яку цифрову фотокамеру. Однак необхідно враховувати те, що камера повинна знаходитися на достатній відстані від породного відвалу, забезпечуючи максимально можливе захоплення бічній поверхні.

4.1. Виділення контурів

Для отримання координат точок підстави породного відвалу необхідно виконати виділення контурів. У результаті проведеного аналізу популярних методів виділення контурів було встановлено, що не один з розглянутих методів (Робертс, Собель, Кенні, Превітт) не виконує задачу оконтуривания з необхідною точністю [5]. Це пов’язано з тим, що фотознімки картографічних сервісів, як правило, зроблені в літній час, коли поверхня породних відвалів покрита рослинністю, наявність якої на знімках негативно позначається на точності виділення контуру підстави. У роботі пропонується використовувати напівавтоматичне виділення контурів породного відвалу.

Для вирішення завдання оконтуривания було розроблено додаток на мові C#. Додаток дозволяє виділяти контур підстави породного відвалу і позиціонувати його вершину.

В якості графічного примітиву, що забезпечує виділення контуру підстави, виступає еліпс. Спочатку пропонується намалювати еліпс так, щоб підстава породного відвалу знаходилося всередині еліпса. Потім, як правило, потрібно скорегувати розміри еліпса і його розташування. Після цього, необхідно відрегулювати положення вузлів отриманої фігури, щоб вони максимально точно відповідали контуру породного відвалу.

Далі виконується позиціонування вершини. Отриманий контур і вершина породного відвалу являють собою незалежні один від одного шари, що значно спрощує їх створення, переміщення, зміна розміру і видалення.

Таким чином, розроблене додаток дозволяє виділяти контур породного відвалу, а також позиціонувати його вершину, що застосовно для одновершинная породних відвалів, що мають конічну форму (або близьку до неї). Планується додавання можливості позиціонування кількох вершин для многовершинная відвалів, а також виділення контуру верхнього підстави для усічених породних відвалів.

Зовнішній вигляд головної форми розробленого додатку представлений на рисунку 4.1.

Додаток для напівавтоматичного виділення контурів

Рисунок 4.1 – Додаток для напівавтоматичного виділення контурів (анімація складається з 5 кадрів із затримкою 1 с між кадрами, кількість повторів 6, обсяг зображення – 116 Кб)

Елементи управління володіють наступними функціями:

За допомогою миші можна виконувати такі операції:

4.2. Узгодження виду зверху і виду збоку

Після виділення контуру підстави породного відвалу і позиціонування вершини на вигляді зверху, необхідно також вказати точку, з якої був зроблений знімок збоку. З даної точки провести дві прямі. Прямі перетнуть контур підстави породного відвалу в точках P11 і P12. Далі необхідно обчислити відстань D1 між ними (див. рис. 4.2).

Таким чином, відстань D1 – є відстанню між крайніми точками основи. Дані точки називаються крайніми, тому що вони лежать на кордоні видимій і невидимій частині бічної поверхні породного відвалу на знімку збоку.

Обчислення відстані між крайніми точками підстави на вигляді зверху

Рисунок 4.2 – Обчислення відстані між крайніми точками підстави на вигляді зверху

Далі обчислюється відстань D2 на знімку збоку. Для цього необхідно позиціонувати точки P11 і P12. Також необхідно розрахувати висоту H2 для виду збоку. Для цього необхідно опустити перпендикуляр від вершини до основи (див. рис. 4.3).

Обчислення відстані між крайніми точками підстави на вигляді збоку

Рисунок 4.3 – Обчислення відстані між крайніми точками підстави на вигляді збоку

Знаючи відстані D1 і D2, обчислюється коефіцієнт k по формулою:

Формула 1

Коефіцієнт k дозволяє узгодити знімок породного відвалу збоку зі знімком зверху. Таким чином, коефіцієнт дає можливість використовувати в одному виразі дані про розміри породного відвалу з різних знімків, попередньо коригуючи їх.

Використовуючи коефіцієнт k можна обчислити висоту породного відвалу H1 на знімку зверху, перетворивши висоту H2 зі знімка збоку. Дана операція називається масштабуванням і виконується за наступною формулою:

Формула 2

Таким чином, H1 – характеризує висоту породного відвалу, в масштабі виду зверху.

4.3. Отримання координат точок

За знімком породного відвалу, зробленого зверху, можна визначити координати точок підстави, використовуючи виділений контур, а саме координати X (ширина) і Z (глибина). Координата Yприймається рівною нулю. По цьому ж знімку також можна обчислити координати X і Z вершини, координату Yприймаємо рівною H1.

Тепер за рівнянням прямої проведеної через дві точки, а саме через вершину, і одну з точок на підставі, можна знайти всі крапки на прямій:

Формула 3

Змінюючи Y в інтервалі (0; H1) за формулою 3 можна знайти координати X і Z для всіх точок, що лежать на кожній з прямих. Таким чином, з певною точністю будуть отримані координати безлічі точок, що лежать на поверхні породного відвалу. Виконавши тріангуляцію отриманих точок можна побудувати 3D‑модель породного відвалу [6]. Проте слід враховувати, що даний метод можна застосовувати тільки для одновершинная породних відвалів з приблизно конічною формою.

Висновки

Запропоновано спосіб обробки знімків породних відвалів з метою визначення вхідних даних, необхідних для побудови 3D‑моделі породного відвалу. Розроблено програму на мові C#, що забезпечує виділення контуру підстави породного відвалу і позиціонування його вершини.

При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: грудень 2014 року. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.

Список джерел

  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.