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 |

Разработка методики лазерно-сканирующей съемки крепи вытянутых подземных горных выработок (на примере гидротехнических тоннелей зеленчукской гаэс)

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

нОСОВ ВЛАДИМИР КОНСТАНТИНОВИЧ

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ЛАЗЕРНО-СКАНИРУЮЩЕЙ СЪЕМКИ КРЕПИ ВЫТЯНУТЫХ ПОДЗЕМНЫХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК (НА ПРИМЕРЕ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ ТОННЕЛЕЙ ЗЕЛЕНЧУКСКОЙ ГАЭС)

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

А в т о р е ф е р а т

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Санкт-Петербург

2012

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Национальном минерально-сырьевом университете «Горный».

Научный руководитель

доктор технических наук, доцент

Гусев Владимир Николаевич

Официальные оппоненты:

Тригер Леонид Михайлович

доктор технических наук, профессор, Московский государственный горный университет, профессор кафедры Маркшейдерского дела и геодезии

Долгих Михаил Владимирович

кандидат технических наук, доцент, ЗАО «Семнадцатое управление «Метрострой», главный маркшейдер

Ведущая организацияОАО Научно-исследовательский проектно-изыскательный институт «Ленметрогипротранс»

Защита диссертации состоится 5 июля 2012 г. в 15 ч.00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.224.08 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д. 2, ауд. 1166.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный».

Автореферат разослан 4 июня 2012 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

диссертационного совета,

кандидат технических наук,

доцент Ю.Н. КОРНИЛОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования Применение наземных лазерно-сканирующих систем даёт возможность производить тотальную съёмку внутреннего пространства тоннелей, подземных горных выработок с высокой степенью плотности съёмочных точек. Большой объём получаемой съёмочной информации позволяет создавать высококачественные трёхмерные точечные и полигональные модели внутреннего пространства тоннелей, горных выработок, что, до недавнего времени, было невозможно. Высокая точность получаемой трехмерной модели позволяет производить достоверную оценку деформаций крепи тоннелей и подземных горных выработок.

На сегодняшний день основной проблемой лазерного сканирования тоннелей является отсутствие научно-методического и нормативного обоснования съёмки такого специфичного для лазерного сканера внутреннего пространства тоннелей и подземных горных выработок. Разработка научно и экспериментально обоснованной методики съёмки тоннелей и подземных горных выработок с учётом современных достижений в области лазерного сканирования является актуальной задачей, востребованной при маркшейдерском обеспечении строительства подземных сооружений и ведения подземных горных работ.

Поиск эффективных и качественно новых решений маркшейдерских задач на основе автоматизированных и высокопроизводительных лазерно-сканирующих систем съёмки подземных горных выработок послужил основным мотивом для проведения представленных исследований.

Проведённые исследования выполнялись с учётом работ А.В. Комиссарова, Е.М. Медведева, А.И. Науменко, А. В. Середовича, В. А. Середовича - известных учёных в области применения лазерно-сканирующих технологий для геодезических съёмок.

Цель работы. Разработка методики производства съёмки с применением лазерно-сканирующих технологий и оценки деформационного состояния крепи подземных горных выработок (тоннелей, штреков, стволов) по результатам лазерного сканирования.

Идея работы заключается в применении лазерно-сканирующих технологий при съёмках тоннелей и подземных горных выработок для получения точной трехмерной модели, по которой возможно производить оценку деформационного состояния крепи.

Задачи исследований:

- оценка и анализ существующего опыта лазерно-сканирующих съёмок подземных горных выработок;

- обоснование методических рекомендаций и требований к точности и достоверности производства лазерно-сканирующих съёмок подземных горных выработок;

- разработка методики лазерно-сканирующей съемки крепи вытянутых подземных горных выработок;

- разработка рекомендаций по оценки деформационного состояния крепи подземных горных выработок на основе трехмерной модели, полученной по результатам лазерного сканирования.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Съёмку таких вытянутых объектов, как тоннели, необходимо производить с учётом закономерного уменьшения плотности точек лазерных отражений от поверхности обделки тоннеля с увеличением расстояния от неё до сканера, которая в пределе, на определённом расстоянии, значительно меньшем максимальной дальности сканера, стремится к нулю.

2. При расположении марок внешнего ориентирования на прямой линии одновременно в их проекциях на горизонтальную и вертикальную плоскости задача определения пространственного положения лазерного сканера не имеет решения, а при расположении марок не на прямой линии погрешность определения положения сканера тем меньше, чем больше отклонение марок от прямой в их проекциях на эти плоскости и чем больше расстояние между марками в проекции на вертикальную плоскость.

Научная новизна работы:

1. Получена закономерность плотности точек лазерных отражений от угла отражения лазерного сигнала от поверхности обделки тоннеля: чем меньше угол падения к поверхности обделки, тем меньше плотность точек лазерных отражений (ТЛО). Используя выявленную закономерность, определён предельный угол, соответствующий оптимальной плотности ТЛО, достаточной для построения полигональной поверхности по этому количеству ТЛО без разрывов её сплошности.

2. Установлено, что при отклонении марок, расположенных в горной выработке с одной из сторон лазерного сканера, от прямой линии в проекции на вертикальную плоскость за счёт одной марки точность определения пространственного положения лазерного сканера выше, чем при отклонении от прямой линии за счёт двух марок. В обоих случаях точность определения положения сканера тем выше, чем ближе к сканеру расположены марки внешнего ориентирования.

3. Выявлена зависимость погрешности положения лазерного сканера от расстояния между марками в проекции на вертикальную плоскость, выражающаяся в том, что чем больше расстояние между марками, тем меньше погрешность определения положения сканера. Установлена связь этой зависимости с геометрическими размерами горной выработки.

Методы исследований.

- теоретические методы (наименьших квадратов, теория ошибок измерений) использовались при исследовании влияния на погрешность регистрации сканов геометрических параметров расположения марок внешнего ориентирования;

- анализ данных лазерно-сканирующей съемки гидротехнических тоннелей Зеленчукской ГАЭС, наклонного тоннеля станции метро «Адмиралтейская» (г. Санкт-Петербург);

- моделирование измерительных процессов регистрации сканов;

- методы математической статистики и автоматизированной обработки данных лазерно-сканирующей съёмки.

Достоверность и обоснованность научных положений и результатов работы подтверждается согласованностью теоретических с полученными практическими результатами сканирования тоннелей Зеленчукской ГАЭС и экспериментальным моделированием лазерно-сканирующей съемки.

Практическое значение работы

1. Получены аналитические зависимости снижения плотности точек лазерного отражения от расстояния между сканером и отражающей поверхностью тоннеля.

2. Выполнены исследования влияния геометрического положения марок внешнего ориентирования относительно прибора на точность регистрации сканов;

3. Разработана методика проведения лазерно-сканирующих съёмок и методика создания трехмерных моделей объектов вытянутых подземных горных выработок по данным наземного лазерного сканирования;

4. Определены оптимальные параметры проведения лазерно-сканирующей съёмки и разработана методика создания трехмерных моделей таких вытянутых объектов, как тоннели и подземные горные выработки;

5. Результаты диссертационной работы рекомендуется применять

- при оценке технического состояния тоннелей и подземных горных выработок на горно-добывающих предприятиях и в организациях, строящих тоннели различного назначения;

-в учебном процессе при подготовке студентов по направлению «Лазерно-сканирующие технологии в маркшейдерском деле»

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на научно-практической конференции молодых учёных и специалистов “Инновационное развитие горно-металлургической отрасли” (Троицк, ноябрь 2009 г.), научный симпозиум “Неделя горняка-2010” (Москва, МГГУ, 2010 г.), международной научно-практической конференции «Состояние и перспективы развития маркшейдерского дела» (г. Екатеринбург, 2010 г.) и на заседаниях кафедры маркшейдерского дела НМСУ «Горный».

Личный вклад автора

- проведение анализа различных способов съемок подземных горных выработок;

- установление аналитических зависимостей снижения плотности сканирования с увеличением расстояния от лазерно-сканирующей системы до марок внешнего ориентирования;

установление оптимальных геометрических параметров установки марок внешнего ориентирования при производстве лазерно-сканирующей съемки тоннелей и подземных горных выработок.

Публикации. Основное содержание работы отражено в 4 публикациях, из них 3 в журналах, включённых в перечень ведущих рецензируемых научных изданий, определяемый ВАК Минобрнауки России.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 126 страницах машинописного текста, содержит 4 главы, введение, заключение, библиографический список из 87 наименований. В работе 84 рисунка и 10 таблиц.

Основное содержание работы

В первой главе выполнен анализ современных способов съемок подземных горных выработок. Приведены общие сведения о наземной сканерной съемке, описан принцип работы наземной лазерно-сканирующей системы, произведен выбор лазерно-сканирующей системы оптимально подходящей условиям съёмки тоннеля.

Во второй главе приведено исследование влияния на погрешность регистрации сканов геометрических параметров расположения марок внешнего ориентирования. Описан эффект «прямой линии» расположения марок внешнего ориентирования и влияние на погрешность ориентирования превышений между марками для различных расстояний от прибора до марок.

Третья глава посвящена исследованию плотности сканирования облаков точек лазерного отражения при съемки с одной скан-позиции тоннельной выработки. Описаны закономерности снижения плотности точек лазерного отражения при удалении от сканера. Представлена формула для расчета оптимального расстояния между скан-позициями, предложена оптимальная схема лазерно-сканирующей съемки тоннелей.

В четвертой главе представлена методика оценки технического состояния обделки тоннеля путем геометрического анализа изменчивости формы модели тоннеля. Описана методика постобработки результатов лазерного сканирования в программных продуктах LaserControl, Rapidform, AutoCad.

Основные результаты исследований отражены в защищаемых положениях:

1. Съёмку таких вытянутых объектов, как тоннели, необходимо производить с учётом закономерного уменьшения плотности точек лазерных отражений от поверхности обделки тоннеля с увеличением расстояния от неё до сканера, которая в пределе, на определённом расстоянии, значительно меньшем максимальной дальности сканера, стремится к нулю.

Исследование закономерности снижения плотности точек лазерного отражения при удалении от сканера является актуальной темой, так как применение полученных данных на практике помогает избежать разрывов между сканами и тем самым улучшить качество получаемой модели объекта.

При исследовании закономерности был произведен анализ падения плотности точек лазерных отражений по уже полученным сканам тоннелей Зеленчукской ГАЭС. Рассматривалось три участка деривационного и напорного тоннеля диаметром от 4.5 до 5 метров. Сканы были получены с помощью лазерно-сканирующей системы IMAGER 5006, которая представляет собой высокоточный наземный лазерный сканер фазового типа, выпускаемый фирмой «Z+F» (Германия). Вначале, в режиме „preview“, осуществлялось сканирование всего участка тоннеля, далее на полученном скане выделялась область края тоннеля и сканировалась отдельно в режиме „high“.

Подсчет количества точек производился в программе AutoCad. На отдельном скане были взяты области кровли и боковых стенок тоннеля, так как именно на эти участки приходится максимальное и минимальное значение дальности сканирования. Количество точек считалось в окне размером 0.50.5 м, что соответствовало площади 0.25 м, которое при подсчёте перемещалось вдоль скана.

При анализе результатов моделирования тоннеля в программе AutoCad оценивался параметр граничного значения плотности. Граничное значение плотности – это такое значение плотности точек лазерных отражений, при котором ещё возможно построение достоверной триангуляционной модели объекта в автоматическом режиме в программной среде, предназначенной для постобработки результатов лазерного сканирования. Граничное значение плотности было получено по результатам обработки нескольких сканов в программе Rapidform XOR2 и составило около 125 точек на 0.25м, т.е. 500 точек на 1 м. При таком значении плотности, площадь треугольника в полученной триангуляционной модели равна в среднем 0.005 м, при длине сторон треугольника примерно равной 10 см.

Из полученных значений можно сделать вывод об оптимальном расстоянии сканирования. При режиме сканировании „preview“ граничное значение плотности наступает уже при 5-5,5 метрах, как для боковых стенок, так и для кровли. Таким образом, чтобы избежать разрывов в облаках точек, начинать сканирование в режиме „high“ следует с 5 метров. Граничное значение плотности в режиме сканирования „high“ наступает в среднем на 34 метрах для боковых стенок и на 30 метрах для кровли.

Наиболее характерным параметром снижения плотности точек лазерного отражения является угол падения лазерного луча на поверхность обделки тоннеля. Рассмотрим зависимость плотности лазерного сканирования от угла падения на кровлю тоннеля, так как именно по кровле тоннеля получается наименьшее значение дальности сканирования.

 На рис. 1 представлен график зависимости плотности точек от угла падения-0

На рис. 1 представлен график зависимости плотности точек от угла падения лазерного луча на кровлю тоннеля. Из этого графика следует, что зависимость имеет степенной характер и выражается функцией вида   = kPa, где - угол паления лазерного луча на поверхность тоннеля, P- плотность сканирования. Аппроксимация всех данных по трем участкам тоннеля показала, что общая формула зависимости плотности сканирования от угла падения лазерного луча на кровлю тоннеля имеет следующий вид:

= 1.6572P0.2634 (1)

Для дальнейшего анализа следует рассматривать граничный угол падения лазерного луча на поверхность тоннеля. Граничный угол - это минимальный угол падения лазерного луча сканирующей системы на поверхность тоннеля, соответствующий граничному значению плотности. Исходя из зависимости (1), можно получить значения граничного угла падения лазерного луча для любого заданного граничного значения плотности. Граничное значение угла падения для граничной плотности в 125 точек на 0.25 м составит 5,912.

Значение граничного угла позволяет вывести формулу определения оптимального расстояния сканирования для условий съёмки тоннеля. Схема расчета оптимального расстояния сканирования показана на рис.2, где D- диаметр тоннеля, h- высота установки прибора, - граничный угол падения лазерного луча на кровлю тоннеля, R- дальность сканирования.

Исходя из схемы, представленной на рис. 2, расстояние R можно определить по теореме синусов.

(2)

Выражаем из формулы 2 значение расстояния R:

(3)

Подставив в формулу (3) значение граничного угла 5,912, посчитанного ранее по формуле (1), получаем дальность сканирования для граничного значения плотности в 125 точек, равную 31,80 метра. Параметры расчета дальности сканирования были взяты для тоннелей Зеленчукской ГЭС: диаметр тоннеля – 5 метров, высота установки прибора – 1,5 метра.

2. При расположении марок внешнего ориентирования на прямой линии одновременно в их проекциях на горизонтальную и вертикальную плоскости задача определения пространственного положения лазерного сканера не имеет решения, а при расположении марок не на прямой линии погрешность определения положения сканера тем меньше, чем больше отклонение марок от прямой в их проекциях на эти плоскости и чем больше расстояние между марками в проекции на вертикальную плоскость.

На точность лазерного-сканирующего хода большое влияние оказывает регистрация отдельных сканов в единую систему координат. На каждой установке прибора получают скан, который представляет собой облако точек лазерных отражений (ТЛО) от поверхности снимаемого объекта, каждая из которых имеет свои пространственные координаты в системе координат лазерного сканера. Для большинства лазерно-сканирующих систем для ориентирования сканов в одной системе координат используются марки внешнего ориентирования. Для оценки общей ошибки регистрации необходимо провести анализ точности для отдельно взятого облака точек лазерных отражений и вывести оптимальные параметры установки марок внешнего ориентирования, такие как: расстояние от лазерно-сканирующей системы, превышения между марками, расстояния между марками. Используя оптимальные параметры установки марок еще на этапе проектирования работ можно значительно увеличить точность построения цифровой модели снятого объекта.



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.