CC BY
66
УДК 622.693.26:528.42:004.94
СОЗДАНИЕ ЦИФРОВОЙ МОДЕЛИ ПОРОДНОГО ОТВАЛА УГОЛЬНОЙ ШАХТЫ НА ОСНОВЕ СЪЕМКИ БЕСПИЛОТНЫМ ЛЕТАТЕЛЬНЫМ АППАРАТОМ
Д.О. Прохоров
Разработана методика для определения геометрических параметров и создания цифровой модели породного отвала угольной шахты на основе данных съемки беспилотным летательным аппаратом, позволяющая без особых затрат, с достаточной эффективностью определять площади основания и поверхности, объем, другие геометрические параметры отвала.
Ключевые слова: породный отвал, террикон, угольная шахта, беспилотный летательный аппарат, геометрические параметры, цифровая модель
Проблема создания малозатратных и эффективных методов определения геометрических параметров породных отвалов связана с тем, что угольные шахты Подмосковного бассейна закрыты, а рекультивационные или кон-сервационные мероприятия на отвалах не проведены. В каждом конкретном случае необходимо определять методы борьбы с негативным влиянием терриконов на окружающую среду (полная разборка, рекультивация или консервация террикона) или выбирать технологию разборки террикона, направления рекультивации или способ консервации, при этом надо основываться, прежде всего, на данных о геометрических характеристиках породных отвалов [1].
Основными направлениями рекультивации являются природоохранное и лесохозяйственное, реже сельскохозяйственное и рекреационное. При выборе направления рекультивации земель, занятых терриконами угольных шахт, руководствуются большим количеством исходных характеристик и свойств. Геометрические параметры в этом вопросе являются наиболее важными. Определение геометрических параметров терриконов угольных шахт также необходимо для разработки проектов охраны и восстановления земель, находящихся в зоне негативного влияния породных отвалов [2, 3, 4, 5].
Помимо экологии, проблемы терриконов угольных шахт занимают особое место в таких сферах, как землеустройство и кадастр (определение границ терриконов и нарушенных вокруг них земель, контроль изменений этих границ) [6], горная промышленность (в качестве потенциальных техногенных месторождений, использование пород терриконов в качестве закладочного материала для выработанного пространства карьеров при их рекультивации).
Определения углов откосов, высот, площадей и объемов отвалов недостаточно для комплексного подхода к оценке состояния проблемы, выбору технологий и методов борьбы с негативным влиянием породных отвалов
угольных шахт на окружающую среду. Необходимо внедрять технологии, которые позволят создавать цифровые модели породных отвалов и прилегающих к ним территорий.
Еще одним аспектом создания технологий определения геометрических параметров отвалов угольных шахт является безопасность выполнения работ. На поверхности терриконов находиться крайне опасно, и необходимо применять дистанционные способы получения информации. Использование аэросъемки с небольших беспилотных летательных аппаратов позволяет получить необходимую информацию об объектебез непосредственного нахождения на нем.
Создание цифровой модели породного отвала можно разделить на несколько стадий (рис. 1).
Рис.1. Стадии создания цифровой модели породного отвала
с использованием БПЛА
Подготовительные работы состоят из рекогносцировки на местности, определении маршрутов облетов, выявления характерных точек для последующей привязки объекта в местной системе координат. Важнейшей составляющей в работе с беспилотным летательным аппаратом для создания цифровой модели местности является выбор времени для полета. Основные условия: отсутствие сильного ветра; отсутствие дождя, а также выбор времени с достаточным для такой съемки освещением. Съемку лучше всего проводить в пасмурный день около полудня, т.к. в это время самые короткие тени. Лучшие сезоны для съемки - осень (от опадания листвы с деревьев до выпадения снега) и начало весны (после того, как снег стаял, и до появления листьев).
Съемка
Для создания 3Б-модели породного отвала, который представляет собой земляное сооружение с достаточно крутыми боковыми поверхностями, необходимо разбить съемку на несколько этапов [7].
1. Облет террикона с захватом изображений, снятых непосредственно сверху вниз. Для создания плана полета в данном случае использовалось бесплатное приложение DroneDeploy, в котором описывается область, по которой желаем произвести облет на карте базового слоя. Дрон после команды автоматически взлетает, пролетает по автоматизированной траектории полета, захватывая изображения, а затем приземляется.
2. Облет террикона с захватом изображений, снятых под углом 45о, производится с той же высоты. Для этого в ручном режиме фиксирует наклон камеры под углом 45о, и облетает вокруг объекта по намеченному радиусу на той же высоте.
3. Облет террикона с захватом изображений, снятых под углом 90о, производится высоты, уменьшенной примерно в 2 раза. Для этого в ручном режиме фиксирует наклон камеры под углом 80о.
4. В некоторых случаях, когда структура объекта более сложная, можно произвести еще один или несколько облетов с изменением высоты и угла камеры (рис. 2).
При захвате изображений, снятых под углом, важно избегать попадания в кадр горизонта, для этого ряд снимков необходимо делать в ручном режиме или настраивать срабатывание затвора камеры в автоматическом режиме с определенным замедлением.
Обработка изображений для создания цифровой модели После завершения полетов материалы, отснятые с помощью дрона во всех рейсах, отправляются на сайт DroneDeploy, где через несколько часов обработки данных на основе облачных вычислений все изображения сшива-
Съемка 4: Беглый обзор 70 м. 30°
Рис. 2. Этапы съемки породного отвала
ются (рис. 3, 4), и создается файл с расширением оЬ] для формирования цифровой модели породного отвала. Файл оЬ] содержит координаты и высоты точек объекта и связывает их с координатами изображений для наложения текстуры.
Рис. 3. Изображение породного отвала, полученное с сайта DroneDeploy
Рис. 4. Изображение породного отвала с выделением высот цветом
67
Привязка изображения в местной системе координат
Для привязки объекта в местной системе координат МСК 71.1 проводится топографическая съемка подножия террикона с помощью приемника RTK. Для привязки изображения к топографической съемке используются наземные контрольные точки (рис. 5) [8].
Рис. 5. Привязка изображения в местной системе координат Создание цифровой модели породного отвала
По имеющимся координатам и высотам точек объекта создать цифровую модель можно в любом программном продукте для SD-моделирования, позволяющем работать с файлом obj. В данной работе файл obj преобразован в txt^ цифровая модель сформирована в программе Surfer (рис. 6). Для оценки необходимой точности построения цифровой модели террикона можно использовать подход, изложенный в [9], при этом необходимо заменить экономические критерии на экологические.
о
* .мЬг*
о
Рис. 6. Цифровая модель породного отвал шахты Западно-Щекинская 17-бис
Исследование цифровой модели породного отвала
По цифровой модели можно простроить карты, разрезы и профили поверхности, получить информацию обо всех геометрических параметрах отвала - занимаемая площадь, площадь поверхности, объем и т.д.
В данном случае, т.к. местность вокруг объекта достаточно пологая, для определения площадей и объема террикона в качестве нижней границы использовалась горизонталь, наиболее близко расположенная к его подножию, т.е. интересующие данные в отчете представлены с идентификатором «Positive» (рис. 7).
Total Volumes by:
Trapezoidal Rule Simpson's Rule: Simpson's 3/8 Rule
116783 73017398 116794 83677173 116813 69186713
Cut & Fill Volumes
Positive Volume [Cut] Negative Volume [Fill]: Net Volume [Cut-Fill]:
173957 39674886 57173 824430276 116783 57231859
Areas
Planar Areas
Positive Planar Area [Cut] Negative Planar Area [Fill]: Blanked Planar Area Total Planar Area
22542 652459687 25536 011103125 79389 221579792 127467 8851426
Surface Areas
Positive Surface Area [Cut] 26306 284699248 Negative Surface Area [Fill] 26732 152228268
Рис. 7. Фрагмент отчета о вычислении площадей и объема террикона
Такой подход позволяет получить данные для оценки негативного влияния породных отвалов угольных шахт на окружающую среду, для выбора способов устранения или снижения такого влияния, для проектирования рекультивации, разборки или консервации отвала, а также информа-цию,необходимую для оценки геомеханического состояния породного отвала для проектирования рекультивационных мероприятий с целью выбора оптимальных технологий [10].
Список литературы
1. Прохоров Д.О. Методика определения геометрических параметров породных отвалов угольных шахт// Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2016. Вып. 4. С.64-71.
2. Тимакова М.С. Историко-географические особенности и современные проблемы развития Подмосковного угольного бассейна (на примере территории Тульской области)// Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2013. Вып. 2. С.136-146.
3. Соколов Э.М., Качурин Н.М., Мелехова Н.И. Рекультивация отвалов отработанных шахт Подмосковного бассейна// Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2010. Вып. 1. С.102-105.
4. Породные отвалы угольных шахт России/ С.З. Калаева, С.М. Богданов, Н.О. Лукин, А.А. Огер // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2016. Вып. 1. С.3-23.
5. Проблемы экологической безопасности освоения месторождений при подземной добыче угля / Н.М. Качурин, А.П. Соломатин, Л.Л. Рыбак, В.Л. Рыбак // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2012. Вып. 2. С. 17-31.
6. Кадастр породных отвалов угольных шахт Тульской области / Д.О. Прохоров, А.П. Саламатин, С.А. Ишутина, Р.О. Халилов.// Сб. науч. тр. 12-й Междунар. науч.-техн. конф. «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики». Тула: Изд-во ТулГУ, 2016. Т. 2. С. 264-270.
7. 4 Steps for Making an Excellent 3D Model With a Drone [Электронный ресурс]. URL: https: // blog.dronedeploy.com / 4-steps-for-making-an-excellent-3d-model-with-a-drone-25dc35f1df62(дата обращения: 05.12.2017).
8. What Are Ground Control Points (GCPs) and How Do I Use Them? -Режим доступа: https://blog. dronedeploy.com / what-are-ground-control-points-gcps-and-how-do-i-use-them-4f4c3771fd0b (дата обращения: 01.02. 2018).
9. Алтынов А.Е., Снежко И.И. Точность моделирования объектов недвижимости в 3D-кадастре // Землеустройство, кадастр и мониторинг земель. 2014. № 1. С. 44-48.
10. Прохоров Д.О. Геомеханическое обеспечение горных работ при рекультивации терриконов угольных шахт// Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2016. Вып. 2. С.163-171.
Прохоров Дмитрий Олегович, канд. техн. наук,доц., dp071@outlook.com, Россия, Тула, Тульский государственный университет
CREA TING THE DIGITAL MODEL OF THE BREED COAL TREA TMENT ON THE BASIS OF THE SHOOTING UNBEILED FLYING APPARATUS
D.O. Prokhorov
A technique for determining geometric parameters and creating a digital model of a coal mine tailing dump based on survey data by a pilotless aircraft is developed, which allows to determine the base and surface areas, volume, and other geometrical parameters of the heap without significant expenditure, with sufficient efficiency.
Key words: rock dump, waste, coal mine, unmanned aerial vehicle, geometric parameters, digital model
Prokhorov Dmitri Olegovich, candidate of technical sciences, docent, dp071@outlook.com, Russia, Tula, Tula State University
Reference
1. Prohorov D.O. Metodika opredelenija geometricheskih parametrov porodnyh otvalov ugol'nyh shaht// Izvestija Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Nauki o Zemle. 2016. Vyp. 4. S.64-71.
2. Timakova M.S. Istoriko-geograficheskie osobennosti i sovre-mennye proble-my razvitija Podmoskovnogo ugol'nogo bassejna (na primere territorii Tul'skoj obla-sti)// Izvestija Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Nauki o Zemle. 2013. Vyp. 2. S.136-146.
3. Sokolov Je.M., Kachurin N.M., Melehova N.I. Rekul'tivacija otvalov otrabo-tannyh shaht podmoskovnogo bassejna// Izvestija Tul'skogo gosudarstvennogo universi-teta. Nauki o Zemle. 2010. Vyp. 1. S.102-105.
4. Porodnye otvaly ugol'nyh shaht Rossii/ S.Z. Kalaeva, S.M. Bogdanov, N.O. Lukin, A.A. Oger // Izvestija Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Nauki o Zemle. 2016. Vyp. 1. S.3-23.
5. Problemy jekologicheskoj bezopasnosti osvoenija mestorozhdenij pri podzem-noj dobyche uglja / N.M. Kachurin, A.P. Solomatin, L.L. Rybak, V.L. Rybak // Izvestija Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Nauki o Zemle. 2012. Vyp. 2. S. 17-31.
6. Kadastr porodnyh otvalov ugol'nyh shaht Tul'skoj oblasti / D.O. Prohorov, A.P. Salamatin, S.A. Ishutina, R.O. Halilov.// Sb. nauch. tr. 12-oj mezhdunar. nauch.-tehn. konf. «So-cial'no-jekonomicheskie i jekologicheskie problemy gornoj promyshlennosti, stroitel'stva i jenergetiki». Tula: Izd-vo TulGU, 2016. Tom 2. S. 264-270.
7. 4 Steps for Making an Excellent 3D Model With a Drone. [Jelektronnyj resurs]. URL: https://blog.dronedeploy.com/4-steps-for-making-an-excellent-3d-model-with-a-drone-25dc35f1df62(data obrashhenija: 05.12.2017).
8. What Are Ground Control Points (GCPs) and How Do I Use Them? - Rezhimdostu-pa: https://blog.dronedeploy.com/what-are-ground-control-points-gcps-and-how-do-i-use-them-4f4c3771fd0b (dataobrashhenija: 01.02. 2018)
9. Акупоу А.Е., 8пе2Ько 1.1. ТосИпо81;' шоёе11гоуап1]а оЬ#ек1оу пе-ёу12к1шо811 V 3Б каёаБ1ге // 2еш1еш1хо]81^о, каёаБ1г 1 шопйоп^ 2ешеГ, 2014. № 1. S. 44-48.
10. Prohorov Б.О. ОеошеЬап1сЬе8кое оЬеБресИеше §огпуЬ гаЬо1 рп гeku1'tiva-cii teггikonov ugo1'nyh shaht// Izvestija Ти1'Бко§о §о8иёаге^еппо§о univeгsiteta. №иЫ о 2еш1е. 2016. Уур. 2. Б. 163-171.
