авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 |

Трехмерное наземное лазерное сканирование в решении задач геоинформационного обеспечения инфраструктуры горнодобывающих предприятий

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Крутиков Дмитрий Викторович

ТРЕХМЕРНОЕ НАЗЕМНОЕ ЛАЗЕРНОЕ СКАНИРОВАНИЕ В РЕШЕНИИ ЗАДАЧ ГЕОИНФОРМАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ИНФРАСТРУКТУРЫ ГОРНОДОБЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЙ

Специальность 25.00.16 – «Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Екатеринбург – 2011

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет».

Научный руководитель – кандидат технических наук, доцент

Акулова Елена Алексеевна

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Сашурин Анатолий Дмитриевич

кандидат технических наук

Кольцов Павел Викторович

Ведущая организация – ФГБОУ ВПО «Кузбасский государственный

технический университет им. Т.Ф. Горбачева»,

г. Кемерово

Защита состоится «8» декабря 2011 года в 13.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.280.02 при ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» (второй учебный корпус, аудитория 2142), по адресу: 620144, ГСП, г. Екатеринбург, пер. Университетский, д. 7.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет».

Автореферат разослан « 7 » ноября 2011 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор Багазеев В.К. _______

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время применение современных технологий, базирующихся на использовании передовых программных разработок и оборудования, требует детального изучения в области исследования точностных параметров. Прежде всего, это связано с тем, что не все современные средства измерения включены в действующие инструкции по проведению маркшейдерских и геодезических работ.

Задачи разработки технологий сбора и обработки данных на объектах горнодобывающей промышленности остаются актуальными. В частности, геодезические и маркшейдерские съемки являются трудоемкой задачей, что обусловлено высокой загруженностью технологическими элементами производственных цехов, значительным количеством инженерно-технических сооружений на объектах горной промышленности, а также необходимостью оперативного проведения маркшейдерских работ на горных выработках.

Для ускорения геодезических и маркшейдерских работ, а также для повышения информативности получаемых при этом данных предлагается использовать технологию трехмерного наземного лазерного сканирования (ТНЛС).

В диссертации рассматривается внедрение технологии трехмерного наземного лазерного сканирования в решении задач геоинформационного обеспечения инфраструктуры горнодобывающих предприятий.

Ключевые понятия и теоретические основы технологии лазерного сканирования изложены в работах профессора, доктора технических наук Журкина И.Г., профессора, кандидата технических наук Середовича В.А., профессора, доктора технических наук Гук А.П., профессора, доктора технических наук Данилина И.М., профессора, доктора технических наук Карпик А.П.

Объект исследования. Маркшейдерско-геодезическое обеспечение горнодобывающих предприятий на основе современных средств измерений.

Предмет исследования. Технология трехмерного наземного лазерного сканирования в решении задач маркшейдерского и геодезического сбора информации на горнодобывающих предприятиях.

Идея работы заключается в использовании новейшей технологии ТНЛС для сбора маркшейдерско-геодезической информации.

Цель работы. Оценка соответствия точности технологии трехмерного наземного лазерного сканирования действующим нормативным документам при решении ряда задач маркшейдерского и геодезического обеспечения на объектах горнодобывающей промышленности.

Соответствие темы диссертации требованиям паспорта специальности ВАК.

Диссертационное исследование выполнено в рамках специальности 25.00.16. Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр (П. 1, 6, 7, 10).

Основные задачи исследований:

  1. Анализ требований нормативных документов к точности выполнения маркшейдерских и геодезических съемок на объектах горнодобывающей промышленности.
  2. Разработка рекомендаций по выбору сканирующих систем при выполнении маркшейдерско-геодезических работ на территории горнодобывающих предприятий.
  3. Разработка технологии топографической съемки методом трехмерного наземного лазерного сканирования на объектах горнодобывающей промышленности.
  4. Создание высокоточной трехмерной цифровой модели промышленной площадки Жирекенского горно-обогатительного комбината для решения задач реконструкции, строительства и промышленной безопасности.
  5. Разработка трехмерной интерактивной системы в виде отдельной программной среды, позволяющей оперировать большими объемами маркшейдерско-геодезических данных.

Методы исследований. В качестве теоретических методов исследований для оценки точности трехмерного лазерного сканирования использовались: теория ошибок измерений, методы математической статистики и метод наименьших квадратов. В качестве экспериментального метода использовался анализ применения технологии трехмерного лазерного сканирования на горнодобывающем предприятии.

Основные защищаемые положения:

  1. Точность наземных лазерных сканирующих систем в решении маркшейдерских и геодезических задач на территории горнодобывающего предприятия соответствует действующим нормативным требованиям.
  2. Выбор методики проведения маркшейдерских и геодезических работ методом трехмерного наземного лазерного сканирования на объектах горнодобывающей промышленности определяется тремя группами параметров: геометрией исследуемого объекта, техническими характеристиками используемого оборудования, масштабом выполняемой съемки.
  3. Необходимость создания интерактивных систем управления горнодобывающих предприятий для систематизации и оперирования большим количеством разнородных данных, полученных на основе трехмерного наземного лазерного сканирования.

Научная новизна исследований:

- оценка точности результатов трехмерного наземного лазерного сканирования для внесения в существующие инструкции по маркшейдерским и геодезическим работам на объектах горнодобывающей промышленности;

- разработка методики выполнения полевых работ на объектах горнодобывающей промышленности методом трехмерного наземного лазерного сканирования для получения максимально детальной и точной информации об объекте исследования в соответствии с действующими инструкциями по маркшейдерской и топографической съемкам;

- создание интерактивных систем управления горнодобывающих предприятий на основе высокоточных трехмерных цифровых моделей объектов горнодобывающей промышленности для решения задач маркшейдерской службы, а также задач реконструкции, управления, строительства и промышленной безопасности.

Личный вклад автора:

- разработка методики сбора геодезических данных методом трехмерного наземного лазерного сканирования на Жирекенском ГОКе;

- разработка алгоритма обработки данных лазерного сканирования для построения трехмерных моделей производственных корпусов горнодобывающего предприятия;

- анализ данных лазерного сканирования для решения вопросов промышленной безопасности и задач реконструкции;

- разработка алгоритма конвертации различных данных из AutoCad Civil 3D в интерактивную систему;

- создание интерактивной системы на основе данных лазерного сканирования для оперирования большим числом разнородных данных и для прогнозирования возможных чрезвычайных ситуаций (ЧС).

Практическая значимость работы: разработанная технология позволяет оптимизировать процесс получения полевых данных маркшейдерскими службами горнодобывающих предприятий, а положенные в основу интерактивной системы данные трехмерного моделирования позволяют оперативно решать ряд задач по промышленной безопасности.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на научно-технической конференции молодых специалистов и руководителей (Екатеринбург, ноябрь 2010 г.), IX научно-практической конференции «Информационные технологии в проектировании» (Тюмень, 2009 г.), международных научно-технических конференциях молодых ученых и студентов, проводимых в рамках Уральской горнопромышленной декады (УГГУ, апрель 2009 г., 2011 г.), IV Всероссийской молодежной научно-практической конференции «Проблемы недропользования 2010» (Екатеринбург, февраль 2010 г.), семинаре «Современная геофизика. VRS, роботизированная съемка, съемка в реальном времени, лазерное сканирование, ГИС-Технологии» (Екатеринбург, ноябрь 2009 г.), конференции «Геодезия и кадастры в горнопромышленном комплексе» (Екатеринбург, ноябрь 2010 г.), научно-практическом семинаре «Решения для промышленных предприятий: трехмерная модель как основа проектирования и управления» (Москва, февраль 2008 г.).

Публикации. Основное содержание работы отражено в семи публикациях, две из которых в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Работа содержит 123 страницы печатного текста, 4 таблицы, 32 рисунка. Список использованных источников включает 62 наименования.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Точность наземных лазерных сканирующих систем в решении маркшейдерских и геодезических задач на территории горнодобывающего предприятия соответствует действующим нормативным требованиям.

Объекты горнопромышленного комплекса представляют собой большие промышленные зоны с высокой загруженностью технологическими элементами. Для обеспечения их безопасной эксплуатации необходимо проведение маркшейдерско-геодезических работ. Для повышения точности, детальности, скорости и безопасности получения данных об объектах целесообразно использовать новейшие методы сбора геодезической информации. Одним из таких методов является технология ТНЛС.

Лазерное сканирование – технология дистанционного зондирования поверхности, позволяющая собирать информацию об исследуемом объекте, находясь на расстоянии от него. На сегодняшний день это наиболее прогрессивная технология для получения трехмерных моделей существующих зданий, поскольку позволяет снизить трудозатраты по сравнению с традиционными методами и улучшить качество и полноту полученных измерений.

В нормативных документах применение ТНЛС в качестве метода получения геодезических измерений упоминается только в Инструкции по производству маркшейдерских работ: «..данные наземной лазерной съемки могут использоваться для пополнения картографической документации, если топографическая ситуация на местности изменилась по сравнению с ее изображением на имеющемся плане более чем на 35 %...».

На самом деле технология ТНЛС может быть использована для решения многих задач маркшейдерско-геодезического обеспечения на объектах горной промышленности, соответствуя при этом по точностным параметрам требуемым нормам и правилам, а по производительности превосходя ранее существующие методы маркшейдерской съемки.

Общая среднеквадратичная априорная ошибка при ТНЛС определятся по формуле (1):

2к= 2осн.ПВО+ 2раб.ПВО+ 2ор+ 2изм, (1)

где осн.ПВО и раб.ПВО – это среднеквадратичная ошибка (СКО), вызванная созданием основного и рабочего планово-высотного обоснования (ПВО) сканерной съемки; ор – СКО, обусловленная ошибками внешнего ориентирования точек стояния сканера между собой; изм – СКО определения координат точек, которая вызвана инструментальной ошибкой, влиянием внешней среды и метрологических свойств объектов сканирования.

Возникновение ошибок осн.ПВО и раб.ПВО определяется геометрией теодолитного хода, точностью инструмента и методикой измерения, которые достаточно четко прописаны в Инструкции по топографической съемке. Ошибка ор определяется в процессе постуравнивания результатов полевых наблюдений в соответствующих программных продуктах.

Для анализа ошибки изм были произведены следующие исследования: создана специальная эталонная доска с нанесенными на ней изображениями крестов различного цвета и специальных светоотражающих марок. Изображения крестов располагались по сетке с шагом 110 мм. Причем толщина и цвет линий, образующих кресты, были различны. Анализ точности решено было производить на различных расстояниях от эталонного объекта (2,5 м, 50 м, 150 м) и под разными углами.

Для того, чтобы привести расчет абсолютной СКО изм, необходимо привести к незначительному результату ошибки осн.ПВО, раб.ПВО и ор. Для этого было принято решение работать в условной системе координат на каждой точке стояния ЛС, а точность рассчитывать путем сравнения расстояний между центрами марок на эталонной доске и измеренных данных. Расстояние между двумя точками c координатами (x1, y1, z1) и (x2, y2, z2) определялось по формуле (2):

(2)

По полученным результатам наблюдений были построены диаграммы количественного распределения погрешностей измерений и вычислены СКО ошибки (рис. 1). Средняя ошибка позиционирования цели составляет не более 10 мм, а ошибка распознавания марки не более 1,5 мм. В соответствии с данными исследования технология ТНЛС может быть использована для сбора маркшейдерско-геодезической информации, удовлетворяя при этом точностным параметрам, указанным в действующих инструкциях по топографической съемке и маркшейдерскому производству работ.

Ошибка позиционирования (ТС1=2,5 м, СКО=7 мм) Ошибка распознавания марки (ТС1=2,5 м, СКО=1,4 мм)
Ошибка позиционирования (ТС2=50 м, СКО=7 мм) Ошибка распознавания марки (ТС2=50 м, СКО=1,4 мм)
Ошибка позиционирования (ТС4=50 м, угол 45, СКО=10 мм) Ошибка распознавания марки (ТС4=50 м, угол 45 СКО=1,5 мм)
Ошибка позиционирования (ТС1=150 м, СКО=9 мм) Ошибка распознавания марки (ТС1=150 м, СКО=1,4 мм)

Рис. 1 Количественное распределение погрешностей измерений

Для оценки точности определения объема правильного тела, по данным ТНЛС, в качестве эталона был выбран образцовый мерник первого разряда, с известным объемом в 500 дм3 (рис. 2).

а б

 ценка точности определения объема по данным лазерного сканирования: а --9  ценка точности определения объема по данным лазерного сканирования: а --10
Рис. 2 Оценка точности определения объема по данным лазерного сканирования:
а - схема расположения точек стояния сканера (ТС) и связующих марок (М); б - мерник образцовый первого разряда, V=500 дм3

При съемке методом ТНЛС необходимо было выполнить 3 точки стояния ЛС для покрытия «облаками точек» всей поверхности снимаемого эталонного объекта. В результате была получена трехмерная модель объекта исследования в виде «облака точек», по которому в полуавтоматическом режиме были вписаны твердотельные примитивы с погрешностью не более 3 мм. В результате эталонный объект был построен из четырех геометрических тел: двух цилиндров и двух усеченных конусов. Расчет объема был произведен по известным математическим формулам. Объем составил 498,27 дм3, ошибка определения объема составила 0,35 % от общего объема.

В реальности расчет объема с целью учета перемещения, добычи и потерь полезного ископаемого ведется не относительно правильных тел, а относительно триангуляционной поверхности. Преимущества лазерного сканирования над стандартными методами маркшейдерского замера здесь заключаются в том, что поверхность строится не по набору пикетов с заданным шагом, а по «облаку точек», которое детально описывает объект исследования.

Автоматизация процесса измерений и высокая степень детализации данных при лазерной съемке позволяют получать полную и достоверную информацию о территориях и объектах управления в режиме реального времени, что дает возможность вести мониторинг полученных измерений в полевых условиях.

В таблице представлена сравнительная характеристика двух методов съемки: технология ТНЛС и тахеометрическая съемка при выполнении геодезических работ на объекте горнодобывающей промышленности.

Сравнительная характеристика методов измерений

Критерий сравнения Тахеометрическая съемка Лазерное сканирование
Сроки выполнения полевых работ 15 га – 10 дней 15 га – 5 дней
Сроки выполнения камеральных работ 5 дней 5 дней
Исполнители 2 человека 2 человека
Скорость измерений Единичные измерения (влияние человеческого фактора) 50 000 измерений/сек (полностью автоматизированы)
Результат Создание топографического плана 1:500 Создание топографического плана 1:500 (возможность создания 3D по полученным данным)


Pages:   || 2 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.