Facebook
YouTube
VKontakte
Instagram

Статьи

Определение объемов горных пород методом лазерного сканирования

Рис. 1. Внешний вид объекта съёмки

Стоимость полезных ископаемых рудосодержащих пород, да и самих земляных работ достаточно высока. Точно определить объемы пород традиционными методами не удается, величина погрешности в некоторых случаях достигает 10%. При таком методе измерения съёмка отвалов выполняется только по характерным контурным точкам, расчёт объёма производится по формулам геометрически правильных тел, угол отвала принимается за постоянный. Всё это, конечно, упрощает и ускоряет процесс измерения объёма, но и снижает точность до 10 - 15%. Есть и ещё один недостаток: при насыпке отвала необходимо соблюдать форму геометрического тела, следить за однородностью распределения породы, высотой насыпки и т.д.

В настоящее время для точного подсчёта объёмов горных пород используется новая геодезическая технология – наземное лазерное сканирование. Результат работы лазерного сканера - сеть измеренных точек, которой покрывается отвал или склад. Теперь мы имеем не несколько десятков измерений, по которым строим упрощённую геометрическую фигуру и рассчитываем её объём, а сотни тысяч точек с заданной регулярностью, например, в 10 см. Столь подробное описание поверхности фигуры неправильной формы позволяет достичь высокой точности (СКО < 1%) при расчёте объёмов. Подробнее принципы технологии лазерного сканирования описаны в статье "Что такое лазерное сканирование?". Лазерные сканеры имеют достаточно высокую (от сотен до нескольких тысяч точек в секунду) скорость измерений, что позволяет им конкурировать с традиционными геодезическими методами. Нельзя не упомянуть ещё об одном преимуществе безотражательного принципа измерения расстояний – удалённости от объекта съёмки. Нет необходимости забираться с отражателем на отвал или ходить по кромке карьера, рискуя здоровьем. Дальность действия сканера позволяет работать на удалении в десятки и сотни метров.

Итак, использование технологии сканирования позволяет: достичь гораздо более высокой точности сохранить либо повысить скорость измерений снизить уровень опасности при работе полевой бригады в значительной степени автоматизировать процесс измерения минимизировать влияние "человеческого фактора" получить конечную документацию в электронном виде

В августе 2005 г. специалистами компании "Навгеоком" был выполнен пилот-проект по измерению объёмов отвалов каменного угля. Цели проекта: выявить возможность использования лазерной сканирующей системы Trimble-Mensi GS200 для определения объёмов горных пород адаптировать методику проведения полевого и камерального этапа работ к нуждам металлургического завода измерить угольные склады, оценить точность измерений

Изначально опасение вызывала низкая отражающая способность (альбедо) каменного угля – всего несколько сотых. Было неизвестно, как поведёт себя сканер в условиях задымлённости и запылённости, характерных для предприятий тяжёлой промышленности, будет ли получено отражение, и на каком расстоянии.

Полевой этап работ проходил на территории металлургического завода, объектом съёмки являлись склады каменного угля (см. рис. 1). Одна из частей первого склада имела относительно правильную форму усечённой пирамиды. В оставшейся части склада проводились работы по выборке и погрузке породы в вагоны, поэтому определить форму этой части было весьма затруднительно. Второй склад скорее напоминал уменьшенную копию горного хребта с вершинами, ущельями и ложбинами, и своей формой ни под какую из известных геометрических фигур явно не подходил.

Рис. 2. Результат сканирования – точечная модель.

На объекте постоянно велись работы по погрузке породы в составы посредством козловых кранов на рельсовом ходу. Это натолкнуло на мысль использовать для съёмки высоту крана (26 м). Действительно, сверху обзор на склады значительно расширился, что позволило уменьшить число станций и сократить общее время съёмки. Сканы решено было сшивать по характерным точкам, для этого специально с повышенной плотностью сканировались отдельные углы зданий, элементы конструкций, видимые с каждой станции.

В итоге, отстояв за один день пять станций, три из которых – с крана, две – с поверхности земли, мы получили точечную модель обоих складов (см. рис. 2). Опасения по поводу слабой отражающей способности угля оказались напрасными – сканер для этого вида съёмки достаточно уверенно принимал сигнал с расстояния 80 - 100 м при различных углах падения луча, но на расстояниях же более 110 - 120 м сказывалась слабая отражающая способность угля.

Для камеральной обработки отснятого материала использовалось ПО RealWorks Survey. Основные этапы обработки: сшивка сканов контроль качества сшивки визуальный осмотр и удаление мусора, шумов построение триангуляционной поверхности (TIN) расчёт объёма, занимаемого замкнутой поверхностью оценка точности

Рис. 3. Триангуляционная модель поверхности угольного склада

Рис. 4. Расчёт объёмов

Рис. 5. TIN-модель одного из складов с частично наложенной для визуализации текстурой.

Все этапы обработки заняли несколько часов. Сшивка, как уже упоминалось, была произведена по характерным точкам – метод скорый, не требующий установки марок, создания обоснования, но, к сожалению, дающий не всегда приемлемый результат. В нашем случае в точках максимального отклонения сканов разлёт составил 7 см, в большинстве же случаев сканы увязались в пределах 2 см. Для прибора с миллиметровой точностью измерений расстояний (2.5 мм до 100 м) такой метод оказался не достаточно точным, поэтому при разработке методики измерения объёмов пород для металлургического завода специалистами компании был предложен вариант, при котором по периметру территории склада и за его пределами на неподвижных элементах конструкций размещаются марки-отражатели.

Достаточно один раз измерить их координаты, скажем, тахеометром, и впоследствии использовать это обоснование для геопривязки каждого скана. Таким образом, можно ещё больше повысить точность и скорость полевого этапа, т.к. отпадает необходимость сканирования характерных точек.

Удаление мусора может выполняться как вручную, так и при помощи специальных функций программы обработки, на выходе получаются очищенные "облака точек" для каждого склада.

Далее, используя возможности RealWorks, была построена нерегулярная триангуляционная сеть, которая и моделирует собой поверхность склада (см. рис. 3). Расчёт объёмов производится автоматически (рис. 4).

Специфика нужд завода заключается в периодическом измерении объёма склада, находящегося на одной территории. При этом практически постоянно ведутся работы по насыпке и погрузке породы в составы. Кроме выбранного для нужд завода метода сшивки сканов нами было предложено: использовать беспроводную передачу данных между сканером и управляющим ноутбуком, по возможности использовать козловые краны для увеличения обзора, учитывая тяжёлые условия работы, использовать контроллер Trimble Recon вместо ноутбука.

Итак, в результате всего комплекса работ: сделан положительный вывод о возможности использования сканирующей системы Trimble-Mensi GS200 для измерения  объёмов каменного угля, а также других горных пород (вынутых, отвальных, пород вскрыши и пр.), полученный при выполнении пилот-проекта опыт использовался для адаптации методики к нуждам металлургического завода, были измерены два угольных склада объёмом до 100000 м3 с относительной погрешностью 2.4%, при этом с возможностью поднятия точности до 0.5% при использовании вышеуказанной методики геопривязки.

Автор: Аникушкин М. Н. (НПП "Навгеоком", © 2005г.)*

Статья взята с сайта компании "Навгеоком"

Главная Материалы Статьи Определение объемов горных пород методом лазерного сканирования