CC BY
68
УДК 622.831
В.Н. Опарин, В.Ф. Юшкин Институт горного дела СО РАН, Новосибирск В.А. Середович, А.В. Иванов, С.А. Прокопьева СГГА, Новосибирск
СТРУКТУРНЫЙ МОНИТОРИНГ БОРТА КАРЬЕРА НА ОСНОВЕ МЕТОДОВ ЛАЗЕРНОГО СКАНИРОВАНИЯ
V.N. Oparin, V.F. Yushkin
Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, Novosibirsk, Russia
V.A. Seredovich, A.V. Ivanov and S.A. Prokopieva
Siberian State Academy of Geodesy (SGGA), Novosibirsk, Russia
MONITORING OF AN OPEN PIT WALL STRUCTURE BASED ON THE LASER SCANNING METHODS
The paper describes a method of 3D survey and 3D digital modeling of an open pit wall surface by using a laser scanner with the purpose of determining the structural framework of geoblocks in terms of a limestone deposit. The authors recommend on the analysis of the experimental geomechanical data based on the canonical scale of structural-hierarchical representations with the basis 42.
1. Современный уровень развития геоинформационных систем [1, 2] позволяет использовать их для графоаналитического представления и системного анализа структурно-иерархического строения геологических разломов. Ниже в продолжение начатых в [1, 3] работ представлены методические подходы применения трехмерного лазерного сканирования поверхности борта карьера для создания объемной цифровой модели и определения на ее основе структурно-иерархического строения Шипуновского месторождения известняков. Изложенная информация позволяет расширить представления о состоянии горного массива с количественных позиций геомеханического структурирования - для оценки строения крупных объектов геологической среды, их паспортизации и включения в геоинформационный анализ.
2. Шипуновское месторождение известняков расположено в 6 км юго-восточнее г. Искитима Новосибирской области. По строению рельефа район представляет собой всхолмленную равнину с отметками от +65 до +150 м, глубоко изрезанную современной гидросетью. Кровля продуктивной толщи имеет крайне неровную поверхность с карстовыми воронками. На верхних горизонтах известняки относятся к среднетрещиноватым и среднекрупноблочным. На нижних горизонтах известняки малотрещиноватые, весьма крупноблочные.
Детали тектонической структуры известняковых толщ еще недостаточно изучены. Разрывные нарушения в известняках распространены довольно широко и разнообразны по форме и амплитуде. Стратиграфическая
амплитуда этих нарушений изменяется от 100 до 400 м. Обычно им
соответствуют широкие (в десятки метров) зоны дробления и
малоамплитудных дислокаций. Средне- и малоамплитудные разрывы в
известняковой толще представлены различными морфологическими типами: преимущественно взбросами и надвигами, реже - подбросами, сбросами и послойными перемещениями, проявляющимися главным образом в
мраморизованных прослоях.
3. Региональный центр лазерного сканирования СГГА совместно с лабораторией горной геофизики ИГД СО РАН выполнил исследовательскую работу по трехмерной съемке поверхности борта карьера с целью выделения и получения линейных промеров блоков геосреды размерами 15 см и крупнее для создания объемной цифровой модели и формирования на ее основе геоинформационной структуры горного массива. Для этого проведена лазерная съемка части борта Искитимского карьера и построена его фотореалистичная цифровая модель.
В основу метода трехмерного лазерного сканирования положен принцип безотражательного измерения расстояний при помощи лазера, работающего в импульсном или фазовом режиме. Посланный в направлении объекта лазерный импульс отражается и регистрируется приемником. Затем по известной скорости распространения и времени прохождения лазерного луча вычисляется расстояние до измеряемой точки объекта. Фазовый метод основан на определении разности фаз посылаемых и принимаемых модулированных сигналов.
4. При измерениях в Искитимском карьере использовалось следующее оборудование: трехмерный наземный лазерный сканер Riegl LMS-Z420i [4, 5]; электронный тахеометр Leica TCR 405 для безотражательного измерения расстояний; светоотражающие марки с коэффициентом отражения 90 %; аккумулятор. Время, затраченное на выполнение измерений, составило 2 час. 20 мин.
Для получения полной точечной модели поверхности структурированного объекта геосреды и исключения теневых зон, возникающих из-за препятствий на пути прохождения лазерного луча, был выполнен ряд сканирований с разных мест (далее по тексту станций) установки прибора (рис. 1). Такой подход позволяет после фильтрации и разрежения в процессе обработки данных получить массив точек, наиболее точно отражающий поверхность сканируемого объекта.
5. Для выявления оптимального по плотности и времени режима работы прибора с каждой станции выполнено по три экспериментальных сканирования. Всего получено 6 сканов с разрешением сканирования 2.04', 3.42' и 7.2'. Анализ показал, что оптимальный шаг сканирования для определения метрических параметров о блочном строении рельефа горной выработки при расстоянии до объекта от 25 до 30 м и площади его поверхности примерно 500 м должен составлять ~2.04'. В этом случае плотность получаемого массива точек обеспечивает детальное отображение характера и формы рельефа структурированной поверхности геообъекта с
заданной точностью. Время сканирования одной станцией с указанным шагом при данных условиях составляет ~22 мин.
6. После окончания полевых работ по сканированию борта карьера была выполнена обработка данных. На первом этапе обработки проведена фильтрация и разрежение массива точек. Это позволило удалить данные, не относящиеся к объекту - отражения лазерного луча от посторонних предметов. Данные, полученные со сканера, неоднородны по плотности расположения точек.
Рис. 1. Схема расположения сканерных станций в плане (а) и на объекте (б) при трехмерной съемке поверхности вертикального борта карьера с помощью сканера Ше§1 ЬМ8-7420і для создания объемной цифровой модели, выполнения линейных и угловых промеров
Для отображения элементов поверхности размерами 20 см и более необходимо, чтобы расстояние между точками сканирования не превышало
5 см. При этом плотность сканирования должна быть в 3 раза выше, что после фильтрации и регуляризации обеспечит необходимое разрежение [4, 5]. Так, при удалении сканера от объекта на 15 м шаг сканирования должен составлять не более 3.42', что обеспечит расстояние в 1.5 см между точками лазерных отражений.
7. После завершения фильтрации и регуляризации массива точек выполняют построение цифровой модели объекта в виде триангуляционной поверхности. Ее разновидностью является нерегулярная триангуляционная сеть TIN - описание поверхности треугольными гранями, при котором каждой точке данных в пространстве соответствует треугольник опорной сетки. Достоинство метода в том, что при подробных исходных данных они точно передают структурные детали поверхности объекта, однако его производительность по обработке информации падает с увеличением объема данных исходной модели.
8. Завершающий этап обработки данных [4, 5] - текстурирование модели, которое заключается в назначении построенной поверхности ее цифрового фотоизображения для лучшей визуализации. Наложение цифрового снимка на триангуляционную поверхность осуществляется по характерным точкам на модели и на снимке. Необходимы, как минимум, 4 контрольные точки, чтобы однозначно определить положение снимка на модели и его масштаб. При отсутствии характерных точек на объекте во время сканирования на нем размещают маркеры, а затем используют их в качестве контрольных при текстурировании.
В процессе сканирования и обработки данных использовалось следующее программное обеспечение: Riegl RiSCAN PRO (управление сканером и внешнее ориентирование сканов); Trimble RealWorks Survey (фильтрация массива точек, построение триангуляционной поверхности, текстурирование модели, выполнение линейных промеров). Фрагмент полученной фотореалистичной объемной цифровой модели поверхности борта карьера, характеризующийся высокой степенью детальности и наглядности, показан на рис. 2.
Рис. 2. Фрагмент объемной цифровой модели поверхности борта карьера, полученной методом лазерного сканирования при помощи сканера Riegl LMS-Z420i. Протяженность участка сканирования 25 м, высота - 15 м
9. Готовая цифровая модель объекта позволяет выполнить линейные промеры геоблоков горного массива с необходимым уровнем точности без проведения трудоемких работ в полевых условиях. Представленную объемную цифровую модель борта карьера можно использовать для решения таких задач, как: получение метрических характеристик (линейных и угловых) структурных элементов объекта геосреды, построение планов, сечений и профилей, определение площадей и объемов и их изменений.
10. Линейные измерения геоблоков борта карьера и графическая обработка информации производились в соответствии с [1, 3] на основе данных цифровой модели (рис. 2) с использованием программных средств Cyclone. Для обработки в системе Cyclone был выбран формат, исключающий искажение данных при конвертировании. Используемый набор процедур ставит в однозначное соответствие определяемый линейный размер выделенному геоблоку.
При измерениях для выделения геоблоков максимальный размер был принят 300 см; минимальный ограничен 15 см; результаты измерений округлялись с точностью до 1.5 см. Полученные данные характеризуют линейные размеры выделенных геоблоков как по внешним границам, так и вложенным структурам. На рис. 3 массив выделенных размеров общим числом 1 980 показан в графическом виде в координатах «линейный размер геоблока - количество измерений» по всей выборке данных в линейной шкале представлений. В табл. 1 представлены результаты предварительнойобработки данных по всем выделенным геоблокам.
60 a so
и
о
и
о
ч
ю
о
и
и
о
м
н
о
QJ
V
К
ч
о
40
30
20
10
0
♦
♦ ♦
♦ ♦ * ч л*
>♦ < ♦♦ ♦V .
♦ ♦ ♦ ♦ *** ♦ ♦ »«♦»< 'ж ж ж
$ ♦ ♦ j* ♦ tr t VW# ♦ *♦ ♦* *** ♦ ♦ - г ♦♦
0
50 100 150 200 250
Линейный размер геоблока, см
300
Рис. 3. Распределение выделенных линейных размеров геоблоков
Таблица 1. Статистические параметры геоблоков, выделенных по данным объемной цифровой модели борта карьера месторождения известняков
№ п/п Наименование параметра и размерность Численное значение
1 Количество выделенных геоблоков* (линейные) 1 980
2 Максимальный размер геоблока, см 299.4
3 Минимальный размер геоблока, см 15.0
4 Среднее значение линейного размера геоблока, см 57.2
11. Для выявления закономерностей распределения геоблоков по их характерным линейным размерам в структурах разломов из представленного на рис. 2 массива данных в соответствии с [1, 3] были выделены группы линейных размеров, канонически сопряженных по(л/2)г, где / = ± 1, 2, 3,... — номер члена степенного ряда относительно выбранного «базового». В качестве базового для определения расчетных значений линейных размеров геоблоков (Лрт) 1-го ряда было принято наибольшее измеренное значение
линейного размера геоблока (Лэг), равное 299.4 см. Данные для построения очередного ряда определялись по следующему принципу: значения Дэг ранее выделенного ряда исключались из исходного массива данных и из оставшихся выбиралось новое наибольшее значение АЭ1. Вновь образуемый ряд определялся по вышеизложенной схеме.
12. В табл. 2 представлены результаты построения канонических рядов линейных размеров геоблоков с диапазоном группирования «экспериментальных» членов в пределах ± 5 %. Принятый в табл. 2 минимальный диапазон группирования соответствует точности масштабных измерений по цифровой модели поверхности борта (-2.5 %). Для рассматриваемого случая было выделено 5 канонических числовых рядов. При этом ряд 5 содержит 225 значений линейных размеров. То есть в данном случае массив «измеренных» значений (1 980 по рис. 3) линейных размеров геоблоков распадается на 5 подмножеств с внутренней канонической по
фактору (л/2) соподчиненностью. Сравнение абсолютных значений выделенных старших членов фактор-групп (табл. 2) показывает, что, как и в [1, 3], здесь также существует резерв по уменьшению их числа, если расширить диапазон допустимого отличия между старшими членами, порождающими соответствующие фактор-группы до ±10, ±15 или ±20 %.
Таблица 2. Разложение в канонические ряды линейных размеров геоблоков
экспериментальной выборки данных
Номер п.п. Диапазон группирования ±5 %
Ряд 1 Ряд 2 Ряд 3 Ряд 4 Ряд 5
Размер блока, см Кол-во блоков, шт. Размер блока, см Кол-во блоков, шт. Размер блока, см Кол-во блоков, шт. Размер блока, см Кол-во блоков, шт. Размер блока, см Кол-во блоков, шт.
1 299.4 1 284.2 2 263.4 4 244.9 1 231.7 3
2 211.7 6 200.9 1 186.2 4 173.2 8 163.8 4
3 149.7 27 142.1 21 131.7 41 122.4 47 115.8 21
4 105.8 67 100.5 30 93.1 51 86.6 56 81.9 27
5 74.8 100 71.0 57 65.8 79 61.2 81 57.9 51
6 52.9 111 50.2 68 46.5 62 43.3 98 40.9 54
7 37.4 121 35.5 67 32.9 77 30.6 70 28.9 42
8 26.4 113 25.1 66 23.3 61 21.6 50 20.5 23
9 18.7 52 17.8 21 16.5 27 15.3 7 14.5 0
£ 598 333 406 418 225
13. Фундаментальный канонический ряд геоблоков, сопряженный по фактору (л/2)' с диаметром «жидкого» ядра Земли Л(] % 2500 км и соответствующий каноническому спуску до представленного на рис. 3 диапазона значений линейных размеров геоблоков по геологической структуре борта карьера приведен во втором столбце табл. 3, где в качестве первого члена принято А ~ 337 см. Ряды блоков, выделенных с разбросом данных (±5, ±10, ±15 и ±17)%, представлены в столбцах 5-8 этой таблицы.
Анализ показал, что представленную на рис. 3 информацию можно свести к одной фактор-группе со старшим членом ~337 см, если допустимый разброс по группированию информации для канонических членов ряда ограничить ±17 % (см. табл. 3). А при 10 %-ном разбросе, учитывая суммарное группирование в заданном диапазоне, выделяется уже не менее двух факторгрупп.
Таблица 3. Результаты привязки выделенных линейных размеров геоблоков по геологической структуре борта карьера к фундаментальному каноническому ряду, сопряженному с диаметром «жидкого» ядра Земли
б/0 ~ 2 500 км
Номер п/п Расчетное значение Ар , см Линейный размер выбираемого геоблока Аэ в диапазоне ± 5 %, см Количество геоблоков ( Дэ , шт.), выделяемых в заданном диапазоне группирования относительно А р, %
мин. макс. ± 5 ± 10 ± 15 ± 17
1. 337 320 354 - - 1 2
2. 238 226 250 3 8 13 15
3. 169 161 177 11 16 35 49
4. 119 113 125 61 120 172 203
5. 84.3 80.1 88.5 73 146 233 263
6. 59.6 56.6 62.6 119 222 334 378
7. 42.1 40.0 44.2 129 236 353 403
8. 29.8 28.5 31.3 85 194 322 369
9. 21.1 22.2 20.0 69 126 207 238
10. 14.9 14.2 15.6 18 36 49 59
Суммарно: 568 1104 1719 1979
14. О редукции массива данных (рис. 3) к ограниченному числу непересекающихся их фактор-групп в смысле, отмеченном в [1, 3], свидетельствует рис. 4, полученный по методу скользящего среднего для окна экспозиции шириной 5 см и шагом сканирования 0.5 см. На графике нанесены значки О, •, * и ▲ над локальными максимумами, которые можно использовать при выборе старших членов канонических рядов масштабного уровня А е 15-300 см:
АО « 26.1 см; А* « 37.6 см; А^ « 50.6 см; А А « 85.6 см.
Обратим внимание на значение А А « 85.6 см. Из табл. 4, используя канонический спуск по от диаметра «жидкого» ядра Земли £/0 ~ 2500
км к масштабному уровню 15-300 см при / = -43, имеем с10(42у «84.3 см.
Здесь базовый член АА « 85.6 см отличается от соответствующего представителя фундаментального канонического ряда, ассоциированного с диаметром «жидкого” ядра Земли <10 ~ 2500 км, всего лишь на 1.54 %. Выбор в качестве нормирующего множителя /3 обратной величины одного из представителей канонического ряда геоблоков, например 84.3 см, может проявиться в тяготении положения модальных значений в распределении линейных размеров геоблоков к целочисленным значениям вдоль оси абсцисс, построенной в шкале • А).
1 »
о н о д
ос 03 :
<и н г
X Н
Ч
) 5 0 1 л X) 1 шейный разм 50 2( ер геоблока, » 2 :м >0 3<
Рис. 4. Нормированное распределение геоблоков по линейному размеру при операции осреднения с окном экспозиции 5 см и шагом сканирования 0.5 см для всего диапазона выделенных размеров от 15 до 300 см
15. Для проверки этой гипотезы, анализируемую информацию в соответствии с [1, 3] удобно представить графически в полулогарифмической шкале с линейной осью ординат (N / - относительная частота появления
блоков) и логарифмической, с основанием л/2, осью абсцисс (А А0 -
относительный к базовому члену Л0 размер блоков, т. е. Р = Л^1).
На рис. 5 приведены графики распределения анализируемой выборки данных для случая Д0 = А А « 85.6 см с шагом сканирования 1/10 при использовании операции осреднения с шириной окна 0.25 (а); 0.5 (б); 1.0 (в) и 1.5 (г). На рис. 6, ввиду структурной однотипности полученных графиков в сравнении с изображенными на рис. 5, отражен лишь случай распределения
анализируемой выборки данных для А0 = Аср ~ 57.2 см с окном экспозиции 1.0.
Отношение базовых членов в шкале представлений рис. 5 и 6 соответствует величине Лс/; / Л0 = 0.668, т. е. составляет две трети. Поэтому
наряду с практически одинаковой структурой графика б на рис. 5 и графика на рис. 6 имеем сдвиг абсолютных максимумов на две трети единицы вдоль оси абсцисс: от -2 для графика б на рис. 5 до -1.3 для графика на рис. 6. Обратим внимание на то обстоятельство, что, в отличие от [2], Лф не совпадает с представителями фундаментального канонического ряда и в этом смысле совпадение Л0 положения основных максимумов распределения линейных размеров выделяемых геоблоков с целочисленными значениями вдоль оси абсцисс подтверждает проверяемую гипотезу.
16. Согласно приведенным графикам, для анализируемой поверхности борта карьера месторождения известняков явно выделяются геоблоки с линейными размерами в диапазонах значений 24-28, 35-40, 48-52 см или со средними величинами порядка 26.1, 37.6 и 50.6 см. Здесь так же, как и в [1], просматривается «периодичность» в структуре графиков: расстояние между основными локальными максимами полимодального распределения в используемой логарифмической шкале по оси абсцисс близко к единице. Отличие состоит в том, что наряду с явно выраженными максимумами, выделенных сплошными линиями на графиках рис. 5, в области значений 26.1 и 37.6 см (заштрихована) существует локальный минимум, изменение которого прослеживается пунктирной линией.________________________________
N \
/ **4 - 6
1 , . б
а в.ЛРД)
Рис. 5. Нормированное распределение блоков по линейному размеру при использовании операции осреднения в безразмерной шкале с базовым членом А0 ~ 85.6 см и размерами окна экспозиции: а - 0.25,
б - 0.5, в - 1.0, г - 1.5
Рис. 6. Нормированное распределение блоков по линейному размеру при использовании операции осреднения в безразмерной канонической шкале с базовым членом А0 ~ 57.2 см и размером окна экспозиции 1.0
Таким образом, сочетание непосредственного измерения линейных размеров геоблоков разного иерархического уровня [1, 3] с выше
предложенным методом структурирования и компьютерного анализа систематизированных геодезических материалов, получаемых на основе трехмерной цифровой модели геологического объекта, характеризующейся высокой степенью детальности, позволяет формировать значительно более представительный и широкий по диапазону линейных размеров структурных элементов информационный банк данных для использования шкалы
структурно-иерархических представлений как своеобразной паспортной характеристики разноуровневых геологических объектов.
При этом, как показал анализ информационного банка данных о распределении геоблоков по линейным размерам породных фракций от сантиметров [3] и километров [1] до метрового диапазона (рис. 3), в качестве оптимального нормирующего множителя для абсолютных значений линейных размеров выделяемых геоблоков можно использовать любой из членов ранее введенного фундаментального канонического ряда геоблоков, ассоциированного с размером диаметра «жидкого» ядра Земли (2 500 км).
Разработанная в [1, 3] и настоящей публикации методика ориентирована для анализа геодезической информации с позиций геомеханического структурирования земной поверхности, содержащей разномасштабные геологические объекты, и может использоваться горнодобывающими предприятиями при составлении планов отработки месторождений полезных ископаемых.
Выводы
1. Преимущества данного метода (дистанционное измерение, высокая скорость, точность и полнота получения данных) позволяют считать представленную технологию лазерного сканирования полноценной альтернативой традиционным методам теодолитной съемки, а в части расширения круга задач геомеханики и геофизики, решаемых в плане геоинформационного структурирования горных массивов и геомониторинга с использованием объемных цифровых моделей - принципиально новой.
2. Показана возможность и целесообразность опираться на фундаментальный канонический ряд геоблоков при выборе нормирующих модулей для универсальной шкалы структурно-иерархических представлений.
3. Показана целесообразность ограничения дискретной шкалы с 5, 10, 17 %-доверительными зонами для разложения выборок экспериментальных данных с нормирующими модулями из фундаментального канонического ряда геоблоков.
Работа выполнена при финансовой поддержке междисциплинарного интеграционного проекта № 93 СО РАН и гранта РФФИ №.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Опарин В.Н., Потапов В.П., Юшкин В.Ф., Кирильцева Н.А., Изотов А.С. К вопросу формирования информационной геомеханической модели строения Кузнецкого угольного бассейна // ФТПРПИ. - 2006. - № 3.
2. Нифантов Б.Ф., Кирильцева Н.А., Карташова О.Н., Ахмадеева Л.Л. Использование ГИС-технологий для создания ГИС-проекта геолого-промышленной карты Кузбасса / Труды международной научно-практической конференции «Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности». -Кемерово, 2004.
3. Опарин В.Н., Юшкин В.Ф., Акинин А.А., Балмашнова Е.Г. О новой шкале структурно-иерархических представлений как паспортной характеристике объектов геосреды // ФТПРПИ. - 1998. - № 5.
4. Сканеры для применения в различных областях [электронный ресурс]: офиц. сайт. - Режим доступа: http://www.gfk-leica.ru/scan/.
5. Середович А.В., Иванов А.В. Разработка методики определения геометрических параметров РВС по данным лазерного сканирования / ГЕО-Сибирь-2006. Т.2. Геодезия, картография, маркшейдерия: сб. материалов науч. конгр. 24-28 апреля 2006 г., Новосибирск. - Новосибирск: СГГА, 2006.
© В.Н. Опарин, В.А. Середович, В.Ф. Юшкин, А.В. Иванов, С.А. Прокопьева, 2008
