(Статья предоставлена Компанией "Геополигон")

С целью подсчета объемов складских запасов и объема взорванной на карьерах породы в классической маркшейдерии используется тахеометрический метод определения поверхности до и после взрыва, и фототеодолитный методы. Технология подсчета объемов, основанная на применении тахеометрии предполагает проведение съемки в масштабе 1:2000, в результате чего получают точки, необходимые для построения цифровой модели местности.

С наступлением эпохи лазерных сканеров трудоемкий процесс определения объемов с использованием традиционных геодезических инструментов уходит в прошлое. Теперь для решения данного рода задач многие горнодобывающие предприятия, имеющие в своем составе маркшейдерские подразделения, привлекают наземные лазерные сканеры. Преимущество метода лазерного сканирования налицо - при подсчете объемов требуется оперативно определять геометрию поверхностей взорванных участков или запасов сырья, с учетом быстроизменяющейся ситуации на карьерах и складах. Применяя традиционные геодезические методы, маркшейдеры сталкиваются с необходимостью получения аппроксимирующей поверхности по измеренным тахеометром точкам. Чтобы получить более точную аппроксимацию объема, необходимо соответственно располагать большим набором точек. Как показывает опыт, традиционные методы решения этой задачи неэффективны, трудоёмки, и неоперативны. Более того, максимально достижимая точность расчета объемов этими способами лежит в пределах 3% от теоретического значения.

С другой стороны, применение лазерного сканера Riegl LMS Z420i дает возможность маркшейдерам существенно повысить эффективность расчета объемов, за счет использования технологии сканирования поверхности и получения массивов отраженных точек. Каждая точка имеет свои прямоугольные координаты X,Y,Z. Эти координаты могут относиться либо к собственной системе координат сканера, либо после проведения сканирования трансформироваться в глобальную систему (систему координат заказчика). При использовании лазерного сканера получают большой объем избыточной информации, характеризующийся облаком точек достаточно высокой плотности. Плотность (расстояние между соседними точками) можно варьировать в зависимости от поставленной задачи, она может достигать у сканеров Riegl 3 см между точками. Это дает большой набор избыточной информации, позволяющий достичь точности аппроксимации объема до 0.5% от теоретического значения.

Лазерный сканер Riegl LMS Z420i представляет собой комплекс, состоящий из аппаратной части (сканирующий механизм, основанный на импульсном методе измерения расстояния), компьютера и программного обеспечения Riegl Riscan Pro. Данное программное обеспечение выполняет не только функции терминала по управлению сканером, но и позволяет выполнять многие функции по первичной обработке результатов лазерного сканирования, раскрашивания сырых данных в истинный цвет и построения моделей.

На Качканарском ГОК нами был проведён комплекс работ по определению объемов взорванной породы и вычислению объемов складов сырья. Для этой цели использовался наземный лазерный сканер Riegl LMS Z420i, в комплекте с тахеометром и набором марок-отражателей. При подсчете объема взорванной на карьере массы сканировался соответствующий участок выработки до и после взрыва. С учетом коэффициента разрыхления объем взорванной массы увеличивается примерно в 1.2 раза, что может служить дополнительным контролем при окончательном расчете.

Для связывания сканов использовался набор марок-отражателей, координаты которых (X,Y,Z) были получены при помощи тахеометра в процессе сканирования. Трансформация сканов в проектную систему координат и первичная оценка точности осуществлялась оперативно в программе Riscan Pro.

Данная программа, как уже указывалось, располагает встроенными возможностями по созданию триангулированных поверхностей на основе облаков точек, позволяет проводить линейные измерения, вычислять площади поверхностей, а также дает возможность пользователю оперативно подсчитать объемы (взорванной породы, складов сырья, карьеров, выработок). Алгоритм расчета объема строится на основе использования исходной (референсной) плоскости, относительно которой и вычисляется объем. Эта плоскость может быть расположена по известным прямоугольным координатам исходных пунктов. Зафиксировав данную плоскость по известным координатам, мы имеем возможность в дальнейшем вести мониторинг ситуации на объекте, в частности оперативно подсчитывать объемы взорванной на карьере породы. Алгоритм вычисления строится на основе преобразования исходных данных в растровый рисунок, который затем формирует массив колонок, аппроксимирующих исходную массу породы. На рисунке ниже показана триангулированная в Riscan Pro модель участка карьера, с градацией цвета по высоте и референсной плоскостью (окрашена синим на рисунке).

Для окончательной оценки точности и проведения сравнительных расчетов, облака точек или триангулированные в Riscan Pro модели были экспортированы в формат ASCII и DXF, что позволило открыть их в AutoCAD и Microstation.

Для разряжения исходного облака точек при экспорте в AutoCAD были использованы утилиты, расширяющие возможности этой программы в плане обработки больших массивов точек лазерных отражений - Geokosmos AutoCAD Tools. Кроме разряжения, программный модуль позволяет выполнять триангуляцию облака точек, строить изолинии и сечения, а также имеет разнообразные инструменты для работы с полилиниями, сетками и гранями.

Для создания триангулированных поверхностей и изолиний было также использовано приложение GK3Dmodeler, которое предназначено для обработки данных воздушного и наземного лазерного сканирования. Оно используется совместно с AutoCAD или MicroStation. Приложение не подменяет функции этих систем, а дополняет их, и обеспечивает в основном решение тех задач, реализация которых в рамках AutoCAD и MicroStation вызывает затруднения или невозможна. Для удобства работы интерфейс приложения максимально приближен к приложению AutoCAD.

На рисунке ниже показано окно программы GK3DModeller, с триангулированной трёхмерной моделью участка карьера Качканарского ГОК, с построенными изолиниями.

Склады ванадиевой руды на Качканарском ГОК представляют собой прямоугольной формы хранилище длинной 220 метров, шириной 27 и глубиной 16 метров. Вдоль хранилища перемещаются краны. На одном из них было принято решение установить лазерный сканер Riegl, последовательно перемещая кран с одной позиции на другую, вдоль складов. Сканер находился в фиксированном положении на кране и сканировал область шириной около 180 градусов, лежащую непосредственно перед ним.

Таким образом, в результате сканирования было получено семь скан-позиций, которые целиком покрыли всю площадь складов. Трансформация сканов в единую местную систему координат производилась по маркам-отражателям, расставленным по обе стороны от крана, в программе Riscan Pro и по характерным точкам в AutoCAD. Средняя квадратическая ошибка трансформации составляла 2 см.

Для подсчета объема складов было использовано приложение Microstation TerraModeller. Для этого предварительно были подготовлены две поверхности - верхняя, представляющая собой облако точек лазерного сканирования, обработанное в AutoCAD и нижняя поверхность дна хранилища, также в виде точек.

Нижняя поверхность была получена на основе параметров поперечных сечений склада, предоставленных заказчиком. После обработке в AutoCAD верхнее и нижнее облако точек были экспортированы в текстовый формат при помощи утилит "Geokosmos", и затем последовательно загружены в TerraModeller для получения триангулированных моделей.
Расчет объемов в Microstation проводился относительно этих двух поверхностей.

Для проведения окончательного контроля вычислений, объем был еще раз подсчитан композитным методом в программе Autodesk Land Desktop. При этом расхождение между вычисленными значениями объемов в Microstation и Land Desktop составило 0,1%.

Таким образом, на основании приведенных способов подсчета объемов складов - с использованием соответствующего модуля Riscan Pro, утилиты TerraModeller, и Autodesk Land Desktop, можно сделать вывод о целесообразности применения сканирующей системы Riegl LMS Z420i для проведения маркшейдерских работ на карьерах и складах, в связи с наличием у этой системы преимуществ в сравнении с классическими маркшейдерскими методами. К этим преимуществам можно отнести: оперативность получения сырых данных, простота использования системы, многофункциональность, избыточность данных, высокая точность и существенное уменьшение трудозатрат на выполнение поставленных задач. Система поставляется с программным обеспечением Riegl Riscan Pro, которое позволяет не только управлять сканером и поставляемой к нему отдельно цифровой камерой высокого разрешения, но и располагает многочисленными функциями по первичной обработке результатов сканирования и цифровой фотосъемки.

Данное программное обеспечение имеет удобный интерфейс для экспорта в CAD - приложения, что позволяет проконтролировать подсчитанный объем с использованием AutoCAD и Microstation.

О компании

Компания "ГеоПолигон" предлагает широкий спектр современного геодезического оборудования ведущих мировых производителей, а также наземные лазерные сканеры для построения трехмерных моделей.

Сегодня - мы успешная, динамично развивающаяся компания.
Завтра - бесспорный лидер на рынке геодезического оборудования и геоинформационных технологий.

Официальный сайт компании "Геополигон" www.geopolygon.ru