CC BY
12Ученые записки Таврического национального университета имени В.И.Вернадского Серия «География». Том 24 (63). 2011 г. №3, С. 122-131.
УДК 551.43+004.94
ПРОСТОРОВЕ МОДЕЛЮВАННЯ КАР'еРУ МелжаЛ. I., Шипулт В. Д.
Харк1еська нащональна академш мкького господарства, Xapuie, Украгна E-mail: ludik-m@yandex.ru; vshypulin@yahoo.com.
Впровадження геошформащйних систем як ефекгивного засобу шформацшного забезпечення прничо видобувних po6iT пов'язане i3 виконанням комплексу po6iT, у склад1 якого суттевими е роботи i3 збору просторових даних, ix обробки, створення просторових моделей, забезпечення необх1дних розрахунюв. Розроблена технолопя моделювання кар'еру на основ! аерофотозшмюв у програмному забезпеченш ArcGIS 9.3 й методика обчислення об'ем1в вийнятих г1рських порвд.Створена просторова модель може застосовуватися у задачах планування, експлуатацп, управлшня прничо видобувних po6iT, кар'ерним автотранспортом.
Ключов1 слое^ просторова модель кар'еру, технологи забезпечення геопросоторовими даними, об'еми вироблення ripcbKHX пор1д.
ВСТУП
Розвиток автоматизованих метод1в планування й оргашзацп в1дкритих г1рничих po6iT, диспетчерського управлшня кар'ерним автотранспортом пов'язаний з необх1дн1стю створення математичних моделей як самого кар'еру, так i систем транспортних комушкацш для транспортування добуто! сировини. У сучасних умовах все ширше впроваджуються сучасн1 метод1в збору, збер1гання, обробки геопросторово! ¿нформаид!, 3D-MOflenroBaH^ поверхн1 робочо! зони кар'еру з точним представлениям контур1в уступ1в та шших елемент1в г1рничих po6iT, а також мереж1 транспортних комун1кац1й з точним представлениям И структури.
Впровадження геошформащйних систем як ефекгивного засобу шформацшного забезпечення прничо видобувних po6iT пов'язане i3 виконанням комплексу po6iT, у склад1 якого суттевими е роботи i3 збору просторових даних, i'x обробки, створення просторових моделей, забезпечення розрахунюв об'ем1в добутих корисних копалин та ¿н. Особливост1 виконання цих po6iT розглянут1 на приклад! зал1зно рудного кар'еру (рис.1, рис.2).
Ддачий кар'ер в1дпрацьовуе запаси зал1зистих кварцит1в. Г1рничодобувн1 роботи проводяться на 24 горизонтах, довжина кар'еру по поверхш — 5,8 км, ширина — 1,5 км, глибина у швденшй частиш — 340 м, у швшчшй — 150 м. Загальний об'ем виготовлення окатиш1в i3 добуто! в Kap'epi сировини — 10 млн. т станом на 2010 р.
Рис. 1. Представления кар'еру на Рис. 2. Представления кар'еру на
коошчному зшмку Google. топограф1чнш карт1.
1. ОГЛЯД ТЕХНОЛОГ1Й ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ГЕОПРОСТОРОВИМИ ДАНИМИ
Для створення геошформацшно! модел1 кар'еру та подальшого И використання у виробничому процес1 необхщне визначення вщм1ток поверхн1 земл1 за допомогою одше! або комбшування декшькох наведеннх ннжче технологш.
1.1 Традицшш методи зйомки
Метод аерофозйомки можливо застосовуватн для складання плану у внробленнях ¿з значними перепадами висот, так наприклад, кар'ер мае площу близько 1200 га та глибину 340 м. У цих внпадках велию об'еми po6iT забезпечать вщносно невелнку його вартють.
При моделюванш кар'еру були використаш даш аерофотозйомки, вони дозволяють вардавати точшсть даних, тим самим допомагаючи створювати декшька вар1ант1в аироксимацш, яю можна буде застосовуватн для виршення р1зномаштних задач. Bn6ip потр1бного наближення зал ежить вщ важливосп постав леного завдання та розм1ру територп, на якш воно буде реал1зовуватися, але щ декшька вар1ант1в будуть однаково ефективно сприйматися сиещалютами i3 р1зним р1внем шдготовки.
Обробка зн1мк1в виконувалась на ЦФС «Дельта» у програмному продукт! Delta/Digitals ГНПП «Геосистема», м. Вшниця (рис. 3).
Рис. 3. Спрощена схема обробки фотограмметрично! шформацп на ЦФС «Дельта ».
Тахеометрична зйомка може застосовуватися на будь-яких геолопчних виробленнях. Для правильного вщображення форм рельефу зйомщ шдлягають характерш точки мюцевостг При використанш електронних тахеометр ¿в досягаеться необхщна точшсть висот i координат. Масштаб зйомки залежить вщ площ1 вироблення i необхщно! за шструкщею i3 проведения маркшейдерських po6iT точности Метод донедавна застосовувався для контролю вироблень у Kap'epi, поки не був замшений зйомкою за допомогою GPS.
1.2 Зйомка i3 застосуванням новггшх технологш
Лазерне сканування — метод, що дозволяе створити цифрову модель об'екта, представивши його набором точок i3 просторовими координатами. Основна вщмшшсть вщ тахеометр1в — значно бшьша швидюсть отримання вим1рювань. Для потреб моделювання кар'еру даний метод не використовуеться через значну вартють та неможливють встановлення сканера у важкодоступних та небезпечних м1сцях.
Побудова просторових моделей за допомогою фотозйомки цифровым фотоапаратом — метод, що не потребуе дорогого обладнання, дозволяе оперативно отримувати фотозображення. Застосовуеться поки що, в основному, для створення тривим1рних моделей об'ект1в. Значним недолгом е необх1дн1сть п1дбору спец1ального програмного забезпечення та кал1брування камер шд необх1дний вид та точн1сть po6iT.
Зйомка за допомогою супутникоеих систем позищюування. При використанш лише супутникових даних методика топозйомки може вардаватися залежно в1д необх1дно! точност1, po3MipiB майданчика, його рельефу. Для визначення координат i висот п1кет1в одночасно використовуеться не менше двох базових станц1й, як1 встановлюються на опорш маркшейдерськ1 пункти i пункти державних або зйомочних геодезичних мереж. Можливе застосовування статичного й к1нетичного cnoco6iB.
Для потреб моделювання кар'еру та оперативного контролю за об'емами вироблень в даному випадку доцшьно використовувати кшематичний cnoci6 — «stop-and-go». При виконанн1 зйомки кшьюсть приймач1в необмежена. Перед початком роботи пересувний приймач прив'язують до базового вектора (!шщал1защя). Принцип роботи: оператор i3 приймачем або сто!ть на точщ 5-30 сек, що визначаеться, — «stop» або иеремщуеться м1ж точками «go». Режим «stop-and-go» е екв1валентом традицшно! тахеометрично! зйомки.
Перевагою супутниково! тоиозйомки у режим! кшематики е невисока вартють po6iT, швидюсть отримання координат, обробки та можливють ix ексиорту у формати, cyMicHi i3 багатьма ирограмними продуктами.
При аерофотозйомщ на дш кар'еру не вдалося отримати даш необхщно! точносл, тому для найглибшо! частини було застосовано зйомку за доиомогою приймач1в GPS.
2. 3D-MOДEЛЮBAHHЯ КАР'СРУ
Затзорудний кар'ер мае складну тривим1рну форму глибиною 340 метр1в. Для шдвищення ефективносп використання иросторово! шформацп та И анал1зу створена иросторова модель кар'еру. В1зуал1зац1я об'екпв реальносл у програмному середовищ1 найкраще сириймаеться при використанш ефекпв тривим1рност1 й ашмацп. При цьому реашзуються чотири головш властивостк
• иоеднання в одному геозображенш властивостей карти перспективного зшмка, блок-д1аграми i ашмацп;
• можливють програмного уиравлшня цим синтезованим геозображенням;
• штерактивна взаемод1я з самим геозображенням та оточуючим його середовищем;
• зменшення властивостей знаковосп i умовносп геозображення, додання йому реалютичних меж.
Круиномасштабш тематичш в1ртуальш зображення дають детальне уявлення про рельеф, об'екти, сиоруди, шляхи сиолучення. Можливють штеграцп р1зномаштно! тематично! шформацп у единш модел1 — одна i3 иозитивних якостей в1ртуального зображення.
Процес створення в1ртуальних зображень по топограф1чнш карт1, аеро- або косм1чному зшмку виконуеться Ha6ip вщмггок висот або горизонталей, теля цього проводиться моделювання мюцевосп. Детальна технолопя моделювання кар'еру, що використовувалась в даному випадку, представлена на рис. 4.
Рис. 4. Технология просторового моделювання кар'еру.
Функщя побудови тривим1рних моделей досконало реатзована у програмному продукт! ArcGIS Ьу ESRI. Просторова модель кар'еру наведена на рис. 5 та рис. 6.
Рис. 5. Просторова модель кар'еру - вигляд збоку.
Рис. 6. Просторова модель кар'еру - вигляд зверху
У програмному забезиеченш ArcGIS поеднуеться наочне 1 ефективне представления даних, багатофункцюнальний шструментарш, що дозволяе керувати точшстю, кольором, осв1тленням, наближенням.
3. МЕТОДИКА РОЗРАХУНКУ ОБ'СМГО ВИРОБЛЕННЯ В ARCGIS
Для шдрахунку об'ему вироблення прських иорщ необхщно визначити «чорш» вщм1тки иоверхш земл1 та фактичш вщм1тки теля проведения роб1т теля вт'мки прських иорщ. «Чорними» називають юнуюч1 в1дм1тки денно! иоверхт земл1 до початку роб1т по вшмщ прських иорщ або в1дм1тки, отримаш теля вшмки иоиереднього шару прських иорщ. Вони приймаються за даними топограф1чно! зйомки.
При традицшних технолопях об'еми вийнятих прських иорщ за даними зйомки визначають «вручну» способами вертикальних 1 горизонтальних иеретитв, тригранних призм, об'емно! палетки. Кожиий з цих спос1б мае свою сферу застосування.
У раз1 внкорнстанння комп'ютерних програм для виршення ще! задач! у багатьох вииадках, на основ! даних зйомки, ф1гура, що характеризуе вийнят1
породи, автоматично розбиваеться на просп геометричш ф1гури (найчаспше — прямокутш дшянки — параллелепшеди), в кожнш з яких визначаеться об'ем заповнений породою та порожнш. Об'ем всього вироблення дор1внюе сум1 заповнених породою об'ем1в у кожнш дшянщ (рис. 7).
Рис. 7. Илюстращя принципу розбиття вийнятих прських порщ на прямокутш дшянки для обчислення об'ему: а) поверхня обчислювано! дшянки; б) замша поверхш простими геометричними ф1гурами.
Обчислення вщбуваеться за формулою С1мпсона:
}/(х)^ * ¡р2 (х)^ = (/(—) + 4/[+ /(Ъ)], (1)
2 )
де /(а), /(Ъ) — значения фукцп на початку та в кшщ вщр1зку; /^—-—^ — значения функцп в середиш вщр1зку.
Обчислення за формулою С1мпсона пов'язане ¿з апроксимащею функцп /(х) квадратним полшомом Р(х) (рис. 8).
Рис. 8. 1люстращя сутносп методу обчислення за формулою С1мпсона.
Розрахунок об'ем1в вироблення реал1зуеться циктчною обробкою однотипних даних, яю отримують в результат! виконаних польових роб1т на р1зний час. Прнв'язка просторовнх даннх до моменту часу виршуеться р1зними способами. Одним з вар1аш!в е формування часових ряд1в даних, де в процес1 введения шформацп в систему р1зночасш даш наносяться на окрем1 шари, кожен з яких вщповщае своему часовому вщр1зку, в межах якого даш можна вважати статичними.
У бшьшосп програмних продукпв (ArcGIS, ГИС Карта 2008) розрахунок об'ем1в прських вироблень, розрахунок земляних роб1т базуеться на використанш двох поверхонь: початково!, тако!, що описуе мюцевють до проведения земляних робп" 1 проектною, такою, що описуе мюцевють теля проведения земляних роб1т (рис. 9).
Рис. 9. Фрагмент просторово! модел1 кар'еру для виконання розрахунюв.
На шдстав1 3D-мoдeлi кар'еру розроблена методика автоматизованого розрахунку об'ем1в видобутку прсько! породи засобами ArcGIS Ьу ESRI. Вихщний стан мкщевосп зафшеований у модел1 № 1. За результатами виконання роб1т за зв1тний перюд проводиться зйомка мюцевосп, 1 результата вщображаються окремим шаром даних, що служить для розрахунку об'ему вироблення та оновлення модел1 № 1, що приймае вигляд модел1 № 2. Порядок розрахунку об'ему вироблення в ArcGIS представлена на рис. 10.
База геоданнх вкпютае модель кар'еру. дат маркшейдер с ько1 служби по виробленням прських порщ за кожний звггшй псрюд (1 шсяць) у витядо шкетажу та поверхш побудоваш на основ1 цих даних. що служатьдля обчнслення об:ем1в вийнятихпорш
,___I_
Поверхня. що включае висоти кар: еру на початок званого перюду
Поверхня. що включае висоти кар'еру на кшець званого перищу
3
Використовуемо калькулятор растр1Б в АгсОК 9.3 8раНа1 Апа1уз1. за допомогою якого знаходпмо рЬницю М1Ж кшпевою ; початковою поверхнею. Огриыуеыо о5:ем вироблення._
Шсля «зачисления оо:ему оновлюемо частину модет, на якш проводилися роооти та отримуемо нову поверхню. що включатиме висоти кар'еру на початок насгупного званого пер ¡оду.
Рис. 10. Порядок виконання розрахунку об'ему вироблення в ArcGIS. Процес оиовления модел1 даиими зйомки представлений граф1чно на рис. 11.
Рис. 11. Область оновлення просторово! модел1 за даними GPS. Розрахований для дано! дшянки кар'еру об'ем вийнятих прських порщ складае
213,11 м3
висновок
Трив1м1рне моделювання кар'еру за описаною технолопею у програмному продукт! ArcGIS 9.3, подальше доповнення i корегування ще! модел1 новими даними супутникових систем позищювання теля дозволяе проводити анал1з, вести поточний обл1к стану вшмки прських порщ, займатись плануванням подальшого розвитку вид обутку корисних копалин.
Список лггератури
1. Инструкция по производству маркшейдерских работ (утверждена Госгортехнадзором СССР 20.02.1985) [Electronic Resource] - URL: LawMix. [Електронний ресурс]. - Режим доступу : http://www.lawmix.ru/docs_cccp.php?id=3475. - 02.04.2011.
2. Панжин А. А., Голубко Б. П. Применение спутниковых систем в маркшейдерском деле / Научный проект - Геомеханика On-Line [Electronic Resource] - URL: [Електронний ресурс]. - Режим доступу : http://igd.uran.ru/geomech/articles/paa_003/index.htm. - 25.03.2011.
3. Берлянт А. М. Виртуальное картографирование / А. М. Берлянт // Природа. - 2002. - №7.
4. Берлянт А. М. Картография / Александр Михайлович Берлянт - М.: Аспект Пресс, 2002. - 336 с.
5. Инструкция по маркшейдерскому учету объемов горных пород при добыче полезных ископаемых открытым способом (РД 07-604-03). - [действует от 2003-06-06] / Complexdoc нормативные документы [Electronic Resource] .- URL [Електронний ресурс]. - Режим доступу : http://www.complexdoc.ru/ntdtext/550882. - 11.04.2011.
6. Едигарьев В. Г., Леонтьев А. А. Компьютерное решение задачи оценки показателей извлечения руды для месторождений с неравномерным оруденением / В. Г. Едигарьев, А. А. Леонтьев // Вестник МГТУ. - 2009. - №4.
7. Рогова Т. Б. Подсчет запасов угольных месторождений / Т. Б. Рогова, С. В. Шаклеин, В. О. Ярков // Кемерово, 2010. - 136 с.
Мелика Л. И. Пространственное моделирование карьера / Л. И. Мелика, В. Д. Шипулин //
Ученые записки Таврического национального университета имени В.И. Вернадского. Серия: География. - 2011. - Т. 24 (63). - № 3 - С.122-131.
Внедрение геоинформационных систем как эффективного средства информационного обеспечения горнодобывающих работ связанно с выполнением комплекса работ, в составе которого существенными являются работы по сбору пространственных данных, их обработке, созданию пространственных моделей, обеспечению необходимых расчетов. Разработана технология моделирования карьера на основе аэрофотоснимков в программном обеспечении ArcGIS 9.3. Созданная пространственная модель предназначена для использования в задачах планирования, эксплуатации, управления карьерным автотранспортом, вычисления объемов вынутых горных пород. Ключевые слова: пространственная модель карьера, технологии обеспечения геопространственными данными, объемы выработки горных пород.
Melika L. I. Open-cast mine spatial modeling / L. I. Melika, V. D. Shypulin // Scientific Notes of Taurida National V. I. Vernadsky University. - Series: Geography. - 2011. - Vol. 24 (63). - № 3 - P. 122-131. Introduction of geoinformation systems as effective means information ensuring of mining based on fulfilment of works complex: spatial data collection and processing, creation spatial models. Spatial modeling technology based on using aerial photographs is developed with ArcGIS 9.3 software. Three-dimensional model can use in open-cast mine planning, exploitation, mining transport management. Paper describes the volume of rock solving method with using open-cast mine model.
Keywords: Spatial model of open-cast mine, spatial data collection technologies, volume of rock solving method.
Поступила вредакцию 15.04.2011 г.
