CC BY
732
УДК 528 А.Л. Охотин ИрГТУ, Иркутск
ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРНОГО СКАНИРОВАНИЯ В МАРКШЕЙДЕРИИ
A.L. Okhotin
Irkutsk State Technical University, Irkutsk
LASER SCANNING APPLICATION IN MINING GEODESY
Лазерные сканеры или, как их еще часто называют лидары, сравнительно недавно появились в практике маркшейдерии. Их применение во многом схоже с использованием в топографо-геодезических работах, но есть и отличия.
По видам сканеры различаются на воздушные, наземные и подземные.
Воздушные сканеры предназначены для съемки больших площадных и линейных объектов. В горном деле под такие объекты попадают новые площади проектируемых горных предприятий, существующие карьеры и разрезы, нефте и газопроводы, дороги и ЛЭП. Ранее работы по картированию таких объектов производились методами аэрофотосъемки, альтернативы которой долгое время не существовало.
Лазерная локация имеет ряд неоспоримых преимуществ перед АФС. Сам технологический цикл полевых работ прост. Снимаемые точки, после короткого цикла обработки, сразу получают координаты в заданной пользователем системе. Оценка качества полевых работ - полнота облаков точек лазерного отражения и ортофотомозаики, производится в тот же полетный день, что намного уменьшает процент брака. Многократное уменьшение наземных подготовительных работ, исключающих создание опознаков. При лазерном сканировании требуется наличие ограниченного количества базовых GPS-ГЛОНАСС станций. Для обеспечения координатами лазерно-локационных данных используется метод прямого геопозиционирования, который обеспечивает входящий в состав лидара навигационный блок. Скорость картографических работ в целом в 5-10 раз выше, чем при традиционных технологиях. Точность лазерного сканирования, неоднократно проверенная на практике, соответствует требованиям Инструкции по производству маркшейдерских работ. Для ее достижения необходимо четкое исполнение полевой бригадой нормативных требований аэросъемочных работ, калибровочных процедур, которые подробно расписаны в соответствующих руководствах.
Производительность лазерного сканирования очень высока. Реальными являются объемы съемки в 500 км за один день для линейных объектов и до1000 кв. км для площадных объектов. Принципиальным отличием лазерной локации является возможность работы в ночное время. Уникальная особенность этой технологии - возможность снимать залесенную территорию
с получением при этом цифровой модели рельефа и территорию со слабовыраженным рельефом и отсутствием маркирующей ситуации.
В качестве примера можно привести проект, выполненный нами в Якутии. В качестве объекта съемки выступало рудное поле площадью 200 кв. км. Там долгие годы шла отработка золоторудного месторождения. В период экономического спада золото добывалось с нарушением технологии производства горных работ. Практиковалась селективная выемка. Маркшейдерская документация велась недобросовестно и частично была утеряна. Местность на момент съемки имела лунный пейзаж с невыраженными контурами. Традиционная съемка была здесь практически не применима. Работа была начата 10 августа, а 10 ноября того же года был сдан отчет, к которому прилагались цифровые топографические планы масштаба 1: 2 000, ортофотопланы, цифровая модель рельефа и 246 маркшейдерских планшетов плана на твердой основе. Ближайший конкурент, участвовавший с нами в тендере, готов был выполнить эту работу за 18 месяцев, применяя классическую аэрофотосъемку. Предприятие, получив от нас доброкачественный картографический материал, за эти месяцы разработало проект и добыло около 3 т золота.
Рис. 1. Работа бригады на борту самолета
Рис. 2. Фрагменты ортофотоплана и топоплана
Похожая работа была выполнена на золоторудном месторождении в Балее Забайкальского края. На съемку 50 кв км ушло около 3-х полетных часов. Камеральная обработка с выдачей полного комплекта материалов заняла 3 недели.
Лазерное сканирование имеет высокую экономическую эффективность. Себестоимость работ кратно ниже, чем при АФС. Почему же сметы на производство работ составляются по традиционным ценникам? Объяснение простое - для лазерной локации они еще не созданы. А получаемая прибыль является хорошим стимулом для развития и внедрения новейших технологий и покупки дорогостоящего оборудования.
И все же у лазерного сканирования имеются недостатки. Процесс очень сильно зависит от погодных условий. Ему мешают осадки и высокая влажность, низкая облачность и дымка. Имеются ограничения по высоте полета. Излучение от лазера опасно для человеческого глаза. Однако все недостатки надо соотносить с достоинствами технологии и, при этом, понимать, что многие из них характерны и для АФС.
Наземное лазерное сканирование хорошо себя зарекомендовало на карьерах и разрезах. При составлении проекта съемки определяются места установки сканера (сканпозиции). При этом сам сканер может устанавливаться как на штативе, так и на транспортном средстве. Прибор не требует центрирования и горизонтирования, как тахеометр. Его привязка к системе координат производится через марки, устанавливаемые на расстоянии 20-30 м от прибора, которые в свою очередь координируются с помощью электронного тахеометра или GPS-ГЛОНАСС приемника. Прилагаемое к сканеру программное обеспечение позволяет «сшивать» облака точек с разных сканпозиций, получая единую модель. Одновременно со сканированием ведется фотосъемка, которая выполняет функцию абриса и дает возможность дешифрировать съемку в камеральных условиях.
Рис.3. Организация полевых работ
ИОД"Эг
Рис. 4. Топоплан разреза по результатам сканирования
В качестве примера можно привести сканирование угольного разреза Бурятии площадью 500 га. На полевые работы бригада из 3-х исполнителей (один преподаватель и 2 студента) затратила 3 рабочих дня. Камеральная часть заняла 2 недели. При этом выяснилось, что ошибочно было снято и картировано не 500, а 700 га. В дополнение к традиционным материалам - ЦМР, цифровому топоплану и планам на твердой основе была добавлена 3-Д модель разреза.
Рис. 5. Вид золотоизвлекательной фабрики
Однажды перед нами была поставлена задача оценить геометрию несущих конструкций нового здания золотоизвлекательной фабрики в Бодайбо. Опасения заказчика основывались на том, что в строительстве фабрики на разных этапах участвовали 3 организации. Выполнение работ усложнялось тем, что на всех этажах здания уже было установлено технологическое оборудование, затенявшее строительные конструкции.
И все же задача была решена. Сканерный ход, проложенный вокруг здания с заходом на все этажи, позволил создать единую модель, по которой были выделены колонны, балки и связи. По ним построили обмерные чертежи с указанием отклонений от проекта.
ИМуШШЦШ'ГГНІІІ Г1 ІЗ аі*і:: и: **- їм '.■« їм$,/ з*<• аья и - • іг» • ■ •»ы ш і - . В з»
Я ■ їі?Оі35 I .<12 а і * 1 Ц ; *□ А А & 0Р
ГММЄ4 . ■ - “ \ _ I
О -»♦-•г-«' • -в >. *»Т»46 » ■. .1113. СИ:, ► и -ЇМ Ї _1 '-Т<Г л У1)7*Я о р : #?>. ^1 --*1>.=г 0 5К СГ. т* Ак-г- ■^яЯШк I I I к. • і
О •.« -М -*Л*А - Црз *г>т* £ М.Гг.ТЛ! Ш # ЧргалИ 4 ^.ІГД'Г. , ОР-'ИРПЛ.ГЯ .міш ииьі; іУ и і !»•*:$ ?ВТі * > / % ШшШф \ 5г \ \ /
'•4-е». М 3 И »-а«* Тй» >*!
»ЯН« ■* 'Н«*41г »♦
- V# лигі^Й* .-І+. й.- 4Х&&. Ш-. НТСі..' А Хїг г». иА'.^АМЛ •у^«и^«)т»>^л^г. :лгтеп::^г о1 г. г •» •>? ж* у кг- -юх,*те* г ►*ігія?£« мс— зргдк рр-| і4 .г» р'і^і*тг т.;«. гл«V тг;№ т І ЛГГІТІГ 1«1№ ГП| Л»»іГСГ-'^.ПЛ»1ЛІЇЛ, .*| v
Рис.6. Сшитое облако точек по ЗИФ
□ «ін аса& ^аі> у ®.ч »шв* в ь л й/^ь хх *л«
||»~РО<1|Ь[3°_________________________Ч» 5»|||р№»» ~^1[| ваш» в О ^
Рис. 7. Выделенные несущие конструкции
Рис. 8. Исполнительный чертеж
К радости строителей, они оказались в пределах установленных допусков. Аналогичная задача была поставлена перед нами на Березовской ГРЭС, где предстояло оценить состояние геометрии конструкций самого высокого в России промышленного здания высотой 125 м.
Рис. 9. Цех Березовской ГРЭС
*"
Рис. 10. 3Д модель несущих конструкций
Заказчик пытался решить вопрос проведением съемки электронными безотражательными тахеометрами, но отказался от затеи из-за сложной конфигурации конструкций, их недоступности и опасности. Нами был применен сканер RIEGL LMS 420i. Работа выполнена за 16 дней.
Большой интерес представляют мобильные лазерные сканирующие системы, в которых сканер установлен и производит съемку на движущемся
объекте, коими могут быть автомобиль, корабль, локомотив и др. В мире известны готовые решения. К ним относятся StreetMapper компании Ю1 (Германия) и &&& компании Optech (Канада). Наша кафедра разрабатывает свою версию системы. Ее испытании намечены уже на весну 2009 г.
Лазерные сканеры нашли свое место и в подземных условиях. Главное отличие здесь заключается в том, что снимать нужно не только перед собой, но и сбоку и над собой. Однако это не вносит особых изменений в технологию съемки. Например, нами были сняты выемочные камеры на Тыретском солеруднике.
Рис. 11. Облако точек по выемочной камере
Рис. 12. Выстроенные модель и вертикальные сечения камеры
Одной из сложных задач маркшейдерии является регулярное профилирование вертикальных шахтных стволов. На практике оно заключается в определении отклонений шахтных проводников от вертикали, за которую принимается свободно висящий отвес. Дело усложняется большой глубиной стволов, порою более 1 000 м, турбулентностью воздушного потока,
загрязненностью и загазованностью атмосферы и высокой опасностью работ на высоте в неприспособленных условиях. Решение облегчается применением автоматизированной станции профилирования шахтных стволов СПШ, но и она выдает строго ограниченным объем информации, не позволяющий в полном объеме оценить состояние ствола. На наш взгляд, полноценным ответом на все вопросы станет проведение лазерного сканирования ствола. Теория этого вопроса также разработана. Натурные испытания пройдут в ближайшее время.
Правила безопасности при производстве горных работ требуют периодической съемки капитальных подземных горных выработок, включающую их геометрию, состояние рельсового пути и проложенных коммуникаций. В связи с порою их большой протяженностью и большим
объемом текущих задач у маркшейдерской службы не хватает времени на такую работу. Для автоматизации подобной работы нами разработан мобильный сканирующий комплекс. Он будет презентован в ближайшее время.
Отдельной и сложной маркшейдерской задачей является съемка недоступных подземных пространств. Таких бывает немало при камерной системе отработки, при проходке восстающих. В настоящее время имеются сканеры, способные снимать пустоты на расстоянии. Примером может служить сканер CMS 100.
Рис. 13. Принципиальная схема работы сканера
Рис. 14. Пример полученных горизонтальных сечений подземной камеры на
руднике Кольской ГМК
В данном докладе приведены примеры применения лазерной локации в маркшейдерии, в которых автор принимал непосредственное участие. Наверняка, можно привести и иные примеры и приложения.
© А.Л. Охотин, 2009
