Создание пространственной модели структуры прибортового массива при помощи ГИС-системы ArcGIS

Рассмотрен пример построения трехмерной модели при помощи ГИС-системы на основе маркшейдерской съемки карьера, полученной в результате лазерного сканирования.

На сегодняшний день идет активное развитие геодезии, картографии и маркшейдерии, что ведет к более активному расширению применения современных технологий и достижений отросли. Широкое применение в горной промышленности и геодезии получило лазерное сканирование. Данная технология позволяет максимально, на сколько это возможно автоматизировать процесс геодезической и маркшейдерской съемки, а также получать максимальное количество информации о снимаемом объекте.

Лазерное сканирование позволяет построить подробную цифровую трехмерную модель с учетом сложностей конструкций. Данные обработки лазерного сканирования дают информацию о процессах, происходящих со снимаемым объектом, таких как например деформации зданий и сооружений. Достаточно интересным остается вопрос методики мониторинга объектов при помощи технологии лазерного сканирования с последующими обработкой, анализом и прогнозированием в автоматизированной ГИС-системе.

1. Практика использования технологий лазерного сканирования в наблюдениях за деформациями бортов карьеров.

Систематические инструментальные наблюдения за состоянием бортов карьеров являются одним из основных методов изучения их устойчивости и имеют большое практическое и научное значение. Практическое значение состоит том, что результаты наблюдений используются как исходный материал для характеристики устойчивого состояния карьерных откосов; они являются основой изучения характера деформационных процессов, затрагивающих борта карьеров, позволяют сделать прогнозы, а также составить рекомендации по повышению устойчивости.

Наиболее полную информацию о зоне распространения деформаций дают традиционные методики инструментальных наблюдений, основанные на установлении координат ряда жестко закрепленных точек (реперов), располагаемых по определенным схемам, и количественной оценке состояния исследуемого объекта по фиксируемым смещениям. В тоже время высоко-детальное лазерное сканирование чаши карьера позволяет дополнить обычные наблюдения и получить наиболее полное и наглядное представление о распределении деформаций по поверхности исследуемого объекта.

Принцип тотальной съемки объекта, а не его отдельных точек как при съемке электронным тахеометром, характеризует наземное лазерное сканирование как съемочную систему, результатом работы которой является трехмерное изображение. 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 отражения и реальным цветом.

Для мониторинга устойчивости борта карьера использовалась наземная лазерная сканирующая система Leica HDS8800 - это комплексная маркшейдерская система лазерного сканирования, специально разработанная для применения в горнодобывающей промышленности. Проблема быстрого выполнения трехмерной съемки для учета добычи полезных ископаемых, слежения за состоянием горных склонов или оползней, контроля запасов и отслеживания перемещения сыпучих материалов в горном деле требует больших усилий и ресурсов, предъявляя к измерительным средствам особые требования. Точность измерения расстояния 10 мм на 200 м; 20 мм на 1000 м, максимальное расстояние 2000 м. Частота сканирования до 8800 точек/сек.

Опорной основой для лазерного сканирования является сеть рабочих реперов наблюдательной станции и временных съемочных точек, координаты которых предварительно определяются по результатам спутниковых наблюдений. Точки выбираются исходя из конфигурации карьерной выемки для обеспечения перекрытия облаков точек, то есть полноты съемки объекта. Карьер был отснят с трех точек, в результате было получено три базы данных, три массива (облака) точек (рис. 1).

Рис.1 – Облака точек результат лазерного сканирования карьера

2. Построение трехмерной модели карьера в ArcGIS

В программной среде ArcGis выполнены систематизация и обобщение данных, полученных в результате съемки и исследования карьера. Все имеющиеся сведения, были сконцентрированы в едином ГИС-проекте, программная среда которого позволяет осуществлять как легкий поиск любой специализированной информации, так и ряд операций по ее анализу.

Исходные облака точек - это огромные наборы высотных 3D точек, имеющих значения x, y, z, а также дополнительную атрибутику, например, время GPS. Конкретные поверхности, отразившие сигнал, классифицируются после начальной обработки облака точек.

Обработка точечных данных проходила в 4 основных этапа:

В первую очередь требовалось слияние трех баз данных в единую базу, и очистка от данных - помех. Результат база данных содержащая массив из 274639 точек (рис. 2)

Рис.2 – Проект с открытой базой данных содержащей массив точек

Вторым этапом является построение TIN- поверхности.

В ArcGIS цифровую модель рельефа возможно создать при помощи интерполированных поверхностей (grid) и методом аппроксимации поверхности элементарными треугольниками - метод TIN(Triangulated Irregular Network). Главное отличие этих методов заключается в том, что метод построения grid основан на так называемых "регулярных" сетках.

Преимуществом метода TIN является отсутствие ошибок интерполяции, но он требует больших вычислительных ресурсов при отображении. Процесс создания отображен на рисунке 3.

Рис.3 – Процесс создания поверхности на основе облака точек полученого при сканировании

В целом, в качестве исходных наборов данных могут быть точки, полигоны и полилинии. После отработки утилитой выходными данными является следующее отображение (рисунок 4):

Рис.4 – Построенное изображение поверхности карьера

Третьим этапом строим рельеф. На основе полученного изображения проведена интерполяция с сечением 1 м и получено изображение горизонталей рисунок 5.

Рис.5 – Отображение рельефа карьера в горизонталях

Четвертым этапом является построение трехмерной пространственной модели карьера. Для отображения этой поверхности в трехмерном пространстве используется приложение ArcScene, в которое загружается полученная растровая модель какой-либо системы. В свойствах слоя указываются базовые высоты, подбирается цветовая схема и т.д. После чего в окне ArcScene появляется пространственная трехмерная модель, показанная на рисунке 6.

Рис.6 – Трехмерная модель карьера

В результате работы:

1. Автоматически построено растровое изображение карьера, его структурная схема с выделением основных структурных элементов.
   
2. Построены 3D-модели структурно-формационных комплексов.
   
3. Полученная поверхность в дальнейшем способствует проведению анализа и мониторинга карьера. Полученная модель является основой - отправной точкой мониторинга, т.к. предполагается при помощи функциональных возможностей ArcGIS сравнение последующих циклов измерений, для проведения автоматического анализа поведения бортов карьера.
   

При теоретическом изучение программного продукта ArcGIS, и практическом построение модели для ведения маркшейдерского мониторинга карьера можно сделать вывод что программа ArcGIS действительно может быть использована при решении геодезических и маркшейдерских задач, связанных с 3D- визуализацией различных объектов.

Библиографический список

1. Сайт компании ООО "Дата+". Обзор настольных ГИС от ESRI. URL: http://dataplus.ru/arcrev/number_19/17_GIS.html
   

1. Государственный кадастр недвижимости и земельно-имущественные отношения
   
2. Мониторинг природных ресурсов и охрана окружающей среды
   
3. Комплексное использование природных ресурсов
   
4. Современные вопросы геологии
   
5. Физика горных пород
   
6. Новые технологии в природопользовании
   
7. Применение современных информационных технологий
   
8. Экономические аспекты недвижимости
   
9. Мониторинг использования объектов недвижимости
   
10. Топографо-геодезическое обеспечение кадастровых работ