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:     | 1 ||

Методика съёмки карьеров, отвалов и складов на основе применения трехмерных лазерно-сканирующих систем

-- [ Страница 2 ] --

2. Количественные параметры технологического процесса съёмки должны быть обоснованы применением специальных аналитических моделей геометрических построений взаимного положения лазерного сканера и объекта съёмки

При использовании для съёмки лазерно-сканирующих систем перед началом собственно съёмки ориентировочно намечаются позиции установок сканера (скан-позиции) относительно снимаемого объекта из расчёта охвата съёмкой возможно большей части объекта.

При этом изложенный критерий не обладает достаточной степенью объективности и не позволяет минимизировать объём работы лазерным сканером без потери части съёмочной информации. Учитывая, что при съёмке лазерным сканером получается большой объём избыточных измерений о снимаемом объекте, актуальной является задача оптимизировать количество получаемой такой съёмочной информации об объекте. Так, число станций сканирования (скан-позиций) должно быть достаточным для полного охвата снимаемого объекта, но при этом необходимо минимизировать их количество для уменьшения времени проведения съёмки и количества измерительной информации о снимаемом объекте.

Для решения задачи оптимизации съёмочных работ лазерным сканером условно были взяты склады полезного ископаемого (отвалы вскрышных пород) в виде правильных геометрических форм: конус, призма с трапециевидным сечением, ограниченная с двух сторон усечёнными конусами, Г-образная призма.

При съёмке сканером в обзорном режиме зона сканирования представляет собой полусферу с радиусом r, равном максимальной измеряемой дальности. Для лазерных сканеров (ЛС) с фазовым дальномером r=50-80 м, а для имеющих импульсный дальномер r=300-1500 м. Измеряемая максимальная дальность фазовых сканеров меньше, чем у импульсных, но производительность и точность съёмки значительно выше. Поэтому способ оптимизации лазерно-сканирующей съёмки разрабатывался в первую очередь для фазовых лазерно-сканирующих систем.

Установка сканера относительно снимаемого объекта определяется параметром l, расстоянием до нижнего контура снимаемого объекта (отвала). Допустимое значение этого параметра составляет rmin<l<r, где rmin – минимальное измеряемое расстояние лазерным сканером.

Конкретные значения l выбираются, исходя из угла падения лазерного луча к сканируемой поверхности откоса отвала , при котором и меньше которого точки лазерных отражений от снимаемой поверхности откоса не возвращаются в приёмный тракт прибора. Из анализа опыта съёмки лазерным сканером гидротехнических тоннелей Зеленчукской ГЭС этот угол составляет 8. Используя этот угол, находится значение расстояния l от сканера до объекта, при котором съёмкой захватывается верхняя часть отвала.

В случае, если снимаемый объект (склад, отвал) имеет форму усечённого конуса, то расстановка скан-позиций вокруг него будет соответствовать рис.1а.

Рис.1. Расстановка сканерных станций вокруг объекта (а) и их взаимное расположение (б)

Необходимо расположить точки установки сканера, во-первых, на расстоянии l, учитывающем охват съёмкой по высоте и, во-вторых, таким образом, чтобы дальности действия сканера (окружности радиуса r) соприкасались в точках пересечения окружностей радиусом r с внешним (нижним) контуром объекта, т.е. с окружностью радиуса R (точки А и В на рис.1б). Отсюда количество станций (n) можно определить из решения геометрической задачи (схема на рис.1б) с использованием теоремы косинусов по формуле:

(1)

Областью определения функции является выражение rmin<l<r, где rmin – минимальное измеряемое расстояние лазерным сканером, что обосновывает приведённые выше допустимые значения данных переменных.

Для формирования зон перекрытия, в пределах которых во время съёмки будут устанавливаться марки внешнего ориентирования, в формулу 1 необходимо подставить дальность сканирования r на 10% меньше максимальной. Тогда при производстве съёмки от точек соприкосновения уменьшенных радиусов сканирования (от точек А и В на рис.1б) в обе стороны сформируются зоны перекрытия шириной 0,2r, в пределах которых устанавливаются марки внешнего ориентирования и которые будут являться общими для соседних сканов. В результате можно будет решить задачу регистрации сканов в единой системе координат.

Следующим изучаемым объектом является призма с трапециевидным сечением, ограниченная с двух сторон усечёнными конусами (рис.2).

Исходя из того, что геометрически нижняя граница данного тела имеет вид прямоугольника и двух полуокружностей, можно вывести формулу определения n:

(2)

Областью определения данной функции является выражение rmin<l<r, где rmin – минимальное измеряемое расстояние лазерным сканером.

В процессе производства открытых горных работ образуются отвалы разнообразной сложной формы. Для изучения оптимального количества скан-позиций была рассмотрена одна из упрощённых форм отвала, условно названная Г-образной. Подобные отвалы могут быть изучены как две призмы трапециевидного сечения с прямоугольным основаниями, ограниченными с двух сторон частями усечённых конусов (рис.3а). Из геометрии нижней границы изучаемого объекта следует формула (3), областью определения данной функции является выражение rmin<l<r:

 (3) Нижняя граница изучаемой Г-образной призмы (а) и карьера (б). В некоторых-6 (3)

Рис.3.Нижняя граница изучаемой Г-образной призмы (а) и карьера (б).

В некоторых случаях встаёт вопрос о правомерности использования данной формулы: если значения L1 и L2 объекта приблизительно равны между собой, а также, если угол поворота сильно выполаживается. При совпадении этих двух условий форма объекта (склада, отвала) стремится к полусферической, а его нижняя граница приобретает очертания окружности. Опытным путём было установлено, что при соотношении использование формулы 1 приведёт к более точным результатам.

При соотношении количество станций, определяемое по формуле 1 и по формуле 3 приблизительно одинаково. Если же разница в соотношении длин сторон превышает заявленный предел (1,6), то объект уже рассматривается как вытянутый и количество станций определяется по формуле 3.

Использование формулы (3) позволяет определить число станций, необходимых для полного охвата нижней границы объекта в процессе съёмки с заданной точностью. Но эта формула составлялась на основе геометрически правильных фигур: прямоугольников и окружностей. На практике отвалы имеют сильно размытые границы, к тому же не учитывается тот факт, что поворот объективно не является четвёртой частью окружности. Подобные допущения вынуждают рассмотреть возможность введения коэффициента, который бы приближал реальное число станций к гипотетическим, посчитанным по формуле 3. В результате построения в программной среде AutoCAD моделей объектов различных размеров было выявлено, что подобный коэффициент приблизительно равен 0,9. Т.е. окончательное число станций равно.

В отношении расстановки станций при сканировании песчаных карьеров, имеющих один уступ, геометрически схема определения их количества остаётся прежней (рис.1б). Соответственно, и формулы 1 и 2 не претерпевают изменений. В случае, если карьер имеет сложную форму, и его нижнюю границу можно условно разбить на прямоугольник и три полуокружности, как показано на рис. 3б), то формула 3 примет вид формулы 4.

(4)

Областью определения данной функции является выражение rmin<l<r.

При планировании съёмки верхней части отвала точки установки лазерного сканера относительно друг друга определяют, исходя из полноты охвата и их расположения относительно контура верхней части отвала и в целях безопасности наблюдателя на расстоянии не менее 20 м. Количество точек установки зависит от площади снимаемой верхней части отвала. Моделирование размещения точек установки лазерного сканера выявило следующую закономерность.

Учитывая, что геометрический параметр R(R1) является одним из параметров усечённого конуса (рис.1а), призмы с трапециевидным сечением (рис.2), Г-образной призмы (рис.3а), то по результатам моделирования были получены зависимости общего количества станций установки nO от параметра R. Так, для съёмки верхней части отвала, близкого по форме к усечённому конусу, nO определяется следующим образом:

при Rr nO=n+1;

при r<R3r nO=2n-5;

при 3r<R4r nO=3n-15;

при 4r<R5r nO=4n-30;

при 5r<R6r nO=5n-45 и т.д.,

где n – число скан-позиций, определяемое по формуле 1.

Для отвалов, близких по форме к призме с трапециевидным сечением или Г-образной призме общее количество установок сканера nO определяется из следующей закономерности:

при R2r nO=2n-5;

при 2r<R3r nO=3n-15;

при 3r<R4r nO=4n-30;

при 4r<R5r nO=5n-45;

при 5r<R6r nO=6n-60 и т.д.,

где n – число скан-позиций, определяемое по формулам 2 для отвалов в форме призмы с трапециевидным сечением и 3 для отвалов в форме Г-образной призмы соответственно. Для последнего объекта в полученную схему следует вместо R подставлять R1.

При выполнении контрольных съёмок отдельных участков карьера, складов полезного ископаемого, а также при съёмке геометрических параметров конструктивных элементов зданий, сооружений, архитектурно-исторических памятников возникает задача выполнения этих работ с более высокой и определённой точностью. Для лазерно-сканирующих систем фазового типа измерения дальности (Imager 5006, FARO LS 880, Leica HDS 6000) погрешность съёмки (mc) зависит от дальности (радиуса) сканирования (r) и свойств отражающей способности поверхности снимаемого объекта (Iотр) - mc=f(r, Iотр). Эта зависимость приведена в технических паспортах этого типа лазерных сканеров. Следовательно, задавая радиусы съёмки при определённой отражающей способности поверхности снимаемого объекта, можно определить, какая им будет соответствовать погрешность съёмки. Затем, используя выбранный радиус съёмки в изложенном выше способе её оптимизации, можно запланировать съёмку упомянутых объектов с наперёд заданной погрешностью.

3.Обоснование точности определения объёма склада полезного ископаемого должно быть основано на аналитических зависимостях, полученных из моделирования измерительных процессов съёмок.

Известны следующие способы определения объёмов и массы породы и полезного ископаемого: способ горизонтальных сечений, способ вертикальных сечений, способ объёмной палетки и способ правильных геометрических фигур.

При использовании лазерно-сканирующих систем при съёмке складов полезного ископаемого (отвалов, насыпей и др.) происходит накопление погрешности. Причём наиболее полную оценку точностных параметров лазерно-сканирующей съемки можно сделать на примере определения объема. В этом случае, независимо от применяемой измерительной техники, определение объема разбивается на два процесса:

- собственно съемка объекта, объем которого надо определить, и моделирование снятой поверхности;

- определение объема путем вписывания элементарных объемов в пространство, ограниченное этой поверхностью.

Отсюда общая погрешность определения объема должна определяется с учетом закономерностей накопления погрешностей измерений внутри каждого из приведенных процессов.

Закономерности накопления погрешностей анализировались на модели маркшейдерско-геодезических измерительных процессов тахеометрической съемки, с дискретным получением точек при съемке склада (отвала, насыпи). Измерительные процессы лазерно-сканирующими системами моделировались на базе модели измерительных процессов традиционной съемки путем увеличения плотности съемочных точек внутри этой базовой модели (рис.4). На полученной таким образом модели изучались закономерности накопления погрешностей измерений при тотальной съемке лазерно-сканирующими системами.

Запишем функцию определения объема склада в следующем виде:

Используя формулу средней квадратической погрешности оцениваемой функции, выраженную через средние квадратические погрешности аргументов, была получена формула средней квадратической погрешности определения объема склада MV:

где - площади сечений, i = 1, 2, 3, …, n; - расстояния от границ склада полезного ископаемого до ближайших сечений и между сечениями, i = 1, 2, 3, …, N+1 (рис.4); - средняя квадратическая ошибка определения площади; - средняя квадратическая ошибка определения расстояния . Положим, что и , тогда

Параметр при съёмке лазерно-сканирующими системами задаётся при обработке результатов сканирования, поэтому =0. Отсюда

Исходя из того, что площадь вертикального сечения можно найти по формуле , погрешность определения площади получается по формуле

,

где ; n – число снимаемых точек в сечении; и - средние квадратические ошибки определения приращения по горизонтальной оси X и по вертикальной оси Y соответственно. учитывая, что приращения и можно получить тригонометрическим нивелированием через измеренные расстояния Li и вертикальные углы i на съемочные точки вертикальных сечений, и определяются следующим образом:

где mL – общая погрешность измерений; ml – погрешность измерений расстояний Li; m – погрешность измерений вертикальных углов i; = 206265.

Значение mS позволяет производить расчёты ошибки определения объёма MV, а также относительной ошибки mV и изучить влияние на эти величины количества вертикальных сечений, при сканировании представляющих собой движение лазерного луча в вертикальной плоскости. Информация о числе сечений, при котором изучаемые ошибки будут минимальны, позволит производить съёмку объекта (в данном случае отвалов, насыпей и складов) в оптимальном режиме по точности последующего определения объёма.

Расчёты проводились для нескольких форм отвалов: вытянутая призма, изометрическая призма, полусфера и клиновидная призма. Это формы элементарных объёмов, вписываемых в пространство, ограниченное поверхностью объекта. В ходе исследований была выведена также зависимость между габаритными размерами объектов и характера влияния числа вертикальных сечений на ошибку определения объёма. Все результаты расчётов были отражены на построенных трёхмерных графиках зависимости между абсолютной и относительной погрешностью определения объёма от количества и площади вертикальных сечений MV=f(n,S), mV=f(n,S), а также на двухмерных графиках зависимости указанных погрешностей от количества вертикальных сечений MV=f(n)и mV=f(n).

Результатом исследований является получение методических указаний (табл.3) по производству наземной лазерно-сканирующей съёмки, в которых отражена информация о зависимости погрешности определения объёма объекта (склада, отвала, насыпи) от его параметров и числа вертикальных сечений, позволяющая минимизировать влияние этой величины на результат съёмки и оптимизировать плотность съёмки лазерным сканером.

Таблица 3

Методические указания по производству наземной лазерно-сканирующей съёмки

№ п/п Форма снимаемого объекта Размер снимаемого объекта Число сечений, n Число ТЛО, млн.точек Приблизительная величина погрешности определения объёма, mV
1 вытянутая до 100 м 800-900 10,8-12,15 0,38-0,9
2 100-1000 м 1000-1200 13,5-16,2 0,01-0,05
3 более 1000 м 1500 20,25 0,002
4 изометрическая до 100 м 500-700 6,75-9,45 0,03-0,05
5 100-1000 м 700-800 9,45- 10,8 0,0013-0,005
6 более 1000 м 900 12,15 0,0005
7 полусферическая до 100 м 1000 13,5 0,018
8 100-1000 м 2000 27,0 0,0001
9 более 1000 м 5000 67,5 0,00001
10 клиновидная до 100 м 5000-6000 67,5-81,0 0,8-2,5
11 100-1000 м 7000-8000 94,5-108,0 0,1-0,3
12 более 1000 м 8000 108,0 0,04

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты исследования и их практическая реализация представляют собой законченную научно-квалификационную работу, в которой решена актуальная научно-техническая задача – разработка методики съёмки карьеров, отвалов и складов, основанной на оптимизации съёмочного процесса за счёт учёта взаимного расположения сканера и объектов съёмки, использовании разработанной геометрической классификации, уменьшении погрешнос

Pages:     | 1 ||
 





 
© 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.