Использование сканирующей системы Riegl LMS-Z420i для проведения маркшейдерских работ в карьерах и на отвалах горных пород
А.А. Ковров, инженер по наземному сканированию ООО «ГеоПолигон»
С наступлением эпохи лазерных сканеров трудоемкий процесс определения объемов горных работ с использованием традиционных геодезических инструментов уходит в прошлое. Теперь для решения данного рода задач многие горнодобывающие предприятия привлекают наземные лазерные сканеры, обеспечивающие оперативное определение геометрических поверхностей взорванных участков или запасов сырья с учетом быстроизменяющейся ситуации в карьерах и на отвалах горных пород.
Подсчет объемов взорванной на карьерах породы и складских запасов в классической маркшейдерии производится тахеометрическим и фототеодолитным методами. 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.
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, трудоемки и неоперативны. Более того, максимально достижимая точность расчета объемов этими способами лежит в пределах 3% от теоретического значения.
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 1 см между точками. Это дает большой набор избыточной информации, позволяющий достичь точности аппроксимации объема до 1-0.5% 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.
У компаний «Геокосмос» и «Геополигон» имеется большой практический опыт применения лазерных сканирующих систем Riegl в горнодобывающей отрасли. Сканирующая система Riegl LMS-Z420i использовалась на Качканарском, Михайловском, Раменском ГОКах, на предприятиях АК «АЛРОСА» в Якутии и других объектах.
На Качканарском ГОКе нами был проведен 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. Результаты сканирования (фрагмент облака точек) обрабатывались в программе Riegl RiScan Pro с последующим контролем в Microstation с использованием утилиты TerraModeller.
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 Riegl 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 рис. 1 показана триангулированная в RiScan Pro модель участка карьера, с градацией цвета по высоте и референсной плоскостью (синяя плоскость на рисунке).
Для окончательной оценки точности и проведения сравнительных расчетов, облака точек и триангулированные в RiScan Pro модели были экспортированы в формат ASCII и DXF для анализа в AutoCAD и Microstation.
Для создания триангулированных поверхностей и изолиний было также использованно 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 рис. 2 представлено окно программы GK3Modeler с триангулированной трехмерной моделью участка карьера Кач-канарского ГОКа, с построенными изолиниями.
В качестве примера рассмотрим расчет объемов складов ванадиевой руды на Качканарском ГОКе, которые представляют собой прямоугольной формы хранилище длиной 220 м, шириной 27 м и глубиной 16 м. Вдоль хранилища перемещаются краны. На одном из них было принято решение установить лазерный сканер Riegl. Сканер находился в фиксированном положении на кране и сканировал область шириной около 180°, лежащую непосредственно перед ним.
В результате сканирования было получено семь скан-по-зиций, 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 обработки 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 - 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.
