Моделирование поверхностей и подземных шахтных выработок

На многих горнодобывающих предприятиях, проектных организациях, научных институтах, учреждениях государственного контроля и горного надзора все большее распространение получают геоинформационные системы (ГИС). Их основное назначение – работа с геопространственными данными. Первоначальным этапом моделирования при использовании ГИС является сбор и приведение данных, полученных из различных источников, к удобному виду. Это необходимо для корректной обработки данных, с использованием компьютерной техники и программного обеспечения.

Результатом приведения всей информации к единому формату является создания цифровой модели, описывающей состояние горного объекта или рельеф земной поверхности. Источниками данных для получения информации могут быть бумажные носители, электронные данные в форматах сторонних ГИС, данные дистанционного зондирования или наземных съемок разного вида.

В статье рассматриваются вопросы использования геоинформационной системы K-MINE для моделирования карьеров, отвалов, подземных шахтных выработок и рельефа земной поверхности.

Сам процесс моделирования можно разбить на несколько этапов:

сканирование, калибровка и создание растровых карт;

загрузка растров и их векторизация;

структурирование информации;

высотная привязка;

каркасное моделирование.

На большинстве предприятий картографическая информация хранится в виде бумажных носителей. Причем, зачастую, их качество от постоянной работы может быть крайне неудовлетворительным. Процесс моделирования начинается со сканирования бумажных источников (карт, планшетов, калек, лавсанов), удаления искажений, вызванных их длительным хранением, использованием и повреждениями. При необходимости кроме калибровки растров в системе предусмотрено комплекс процедур и функций, позволяющих выровнять яркость и контрастность изображения, наложить цветовые фильтры, убрать зашумленность участков, выполнить склеивание и привязку разномасштабных карт под единую растровую основу.

Следующий этап моделирования – векторизация данных. Для этого выполняется загрузка откалиброванных растров в графическую среду и нанесение векторных объектов. Средства ГИС выполняют загрузку растров в произвольной плоскости трехмерного пространства, что дает возможность сразу же создавать трехмерные пространственные объекты. Для перевода растровых данных в векторный формат используются графические примитивы (объекты). Для этого в составе K-MINE в наличии имеется широкий набор графических объектов различных типов (точечные, линейные, поверхностные), а также набор шейповых объектов (композитных объектов), который включает в себя все условные обозначения, необходимые для создания электронных карт разного масштаба. Кроме этого, при работе с шейповыми объектами в системе предоставляется возможность расширения их набора за счет их самостоятельного создания пользователем.

При векторизации вся информация структурируется. Для удобства предоставляется возможность создания иерархических структур слоев для хранения объектов по категориям, формирование наборов шаблонов объектов с заданными графическими параметрами (цвет, толщина, штриховка, заливка), режим полуавтоматической трассировки линейных объектов и т.д.

При выполнении векторизации создаются так называемые «плоские» модели, т.е. не имеющие высотной привязки. На первичных картах, эта информация выносится в виде текстовых высотных отметок. Для получения трехмерных моделей необходимо выполнить высотную (пространственную) привязку объектов. Для этого система предоставляет несколько вариантов высотных привязок: определение координат для каждой точки, определение координат объекта в целом, расчет отсутствующих координат путем интерполяции по ближайшим заданным высотным отметкам (рис. 1)[1]. При интерполировании используются методы ближайшего соседа и обратных расстояний в степени. При моделировании подземных шахтных выработок часто используют функции пересчета высотных отметок объектов по значениям характерных высотных отметок на горизонте (рис. 2)[1].

Завершающим этапом формирования векторной модели поверхности является создание каркаса. С этой целью в системе используется набор процедур и функций каркасного моделирования позволяющих выполнять создание каркасов как в ручном так и в автоматическом режимах, выполнять корректировку, чистку каркасов, а также всевозможные логические операции с ними (объединение, разделение, вычитание, смещение, масштабирование, изменение параметров треугольников и пр.). Для улучшения визуализации каркасов можно использовать режимы освещения и отображения (рис. 3, 4)[1].

K-MINE содержит набор фильтров, позволяющих выполнять конвертацию данных из наиболее распространенных форматов ГИС и САПР. При этом сам процесс преобразования занимает незначительное время, а основные затраты времени идут на постобработку этой информации (структуризация по слоям, стили отображения объектов, высотная привязка).

Для уточнения данных моделей поверхностей, полученных с бумажных носителей или другими способами используются данные дистанционного зондирования (аэрофотосъемка, космические снимки). Использование таких методов обуславливается это тем, что информация об объекте горных работ достаточно быстро теряет актуальность (устаревает). Поэтому ее необходимо постоянно пополнять. Система содержит средства для загрузки ортофотопланов для уточнения векторных данных, а также точной привязки совмещенной информации полученной с разных картографических источников (рис. 5)[1].

Еще одним источником информации для формирования моделей объектов горных работ или земного рельефа являются данные наземных съемок. Система содержит мощный программный модуль, предназначенный для упрощения и ускорения процессов камеральной обработки данных геодезической или маркшейдерской съемок выполненных с применением различных видом измерительного инструмента (оптико-механические, оптико-электронные приборы, измерительные системы с использованием средств спутниковой навигации GPS, лазерные сканеры и пр.).

В настоящее время K-MINE используется для создания трехмерных моделей территорий промышленного и гражданского назначения, подземных шахтных выработок различной сложности, имеет широкий спектр функций, которые позволяют значительно упростить и автоматизировать процессы на всех стадиях моделирования. Кроме этого, в состав системы входят мощные средства визуализации полученных моделей, что значительно упрощает их проверку и повышает эффективность их использования.

В ближайших перспективах развития системы планируется разработка функций, позволяющих выполнять поиск возможных неточностей в высотной привязке объектов в автоматическом режиме, анализируя взаимное расположение объектов и закономерности изменения высотных отметок на карте, расширение числа функций-интерполяторов. Планируется расширение функциональности системы в разрезе динамического пополнения моделей при выполнении съемочных работ непосредственно в поле с использованием электронных приборов подключенных к ноутбуку.

Список литературы

Автоматизация горных работ c ГИС K-MINE. – Режим доступа : URL : http://kai.com.ua.