Методика съёмки карьеров, отвалов и складов на основе применения трехмерных лазерно-сканирующих систем (стр. 2 )

Система для наземного лазерного сканирования состоит из наземного лазерного сканера и полевого персонального компьютера со специализированным программным обеспечением. Сканер состоит из лазерного дальномера, адаптированного для работы с высокой частотой, и блока развертки лазерного луча. В основу работы лазерных дальномеров, используемых в наземном лазерном сканере, положены импульсный и фазовый безотражательные методы измерения расстояний. Формой представления результатов наземного лазерного сканирования является массив точек лазерных отражений от объектов, находящихся в поле зрения сканера, с пятью характеристиками, а именно пространственными координатами (X, Y, Z), интенсивностью и реальным цветом.

Проведение съёмки карьеров, складов полезного ископаемого (отвалов вскрышных пород) с использованием наземных лазерно-сканирующих систем подразумевает учёт ряда параметров снимаемых объектов, не играющих роли при осуществлении съёмки традиционными способами, например, формы объекта. В связи с этим предлагаются классификации, разделяющие карьеры, отвалы и склады по признакам, отвечающим за выбор оптимального режима сканирования (табл. 1,2).

Таблица 1

Классификация отвалов и складов

Классификационный признак	Типы отвалов	Причина использования
Форма	Правильной/ неправильной формы Вытянутой/ невытянутой формы	Выбор оптимального (в отношении точности и скорости) режима сканирования и числа станций
Объём	до 20 тыс. м3 20-50 тыс. м3 50-100 тыс. м3 100-200 тыс. м3 200-500 тыс. м3 500-1000 тыс. м3 1000-2000 тыс. м3 более 2000 тыс. м3	Выбор оптимального (в отношении скорости и точности*) режима сканирования, удалённости от снимаемого объекта
Число ярусов	Одноярусные Двухъярусные Многоярусные	Выбор оптимального числа и местоположения станций для избежания мёртвых зон
Рельеф местности отвального поля	Равнинные Нагорные	Необходимость учёта рельефа дна для верного подсчёта объёма породы (полезного ископаемого)
Высота	до 50 м больше 50 м	Выбор оптимального (в отношении точности и скорости) режима сканирования, выбор числа станций
		Продолжение табл.1
Классификационный признак	Типы отвалов	Причина использования
Порода, составляющая отвал (склад)	С нормальным коэффициентом отражения С низким коэффициентом отражения	Необходимость учёта для корректировки результатов съёмки (различный коэффициент отражения, наличие/отсутствие пыли)
Устойчивость откосов	Устойчивые Неустойчивые	Выбор безопасного местоположения станций (удалённость точки стояния от нижних контуров отвала)

*Примечание: допустимая разность основного и контрольного определения объема уменьшается с уменьшением объёма отвала

Таблица 2

Классификация карьеров

Классификационный признак	Типы карьеров	Причина использования
Форма	Правильной/ неправильной формы Вытянутой/ невытянутой формы	Выбор оптимального (в отношении точности и скорости) режима сканирования и числа станций
Число уступов	С одним уступом С двумя уступами С числом уступов больше пяти	Выбор оптимального числа и местоположения станций для избегания мёртвых зон
Угол борта	Пологие (20˚-30˚) Крутые (30˚-60˚)	Выбор оптимального (в отношении точности и скорости) режима сканирования, выбор числа станций
Добываемая порода	С нормальным коэффициентом отражения С низким коэффициентом отражения (<30%)	Необходимость учёта для корректировки результатов съёмки (различный коэффициент отражения, наличие/отсутствие пыли)
Технология основных производственных процессов	Способом БВР Экскаваторным Гидромеханизация	Выбор оптимального местоположения станций для обеспечения безопасности съёмки

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 δ, 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 δ≈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.

б)

а)

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: