Способы изучения структурных особенностей прибортовых массивов карьера с использованием горного сканера

Увеличивающиеся темпы автоматизации производства не оставляют в стороне и маркшейдерское обеспечение горных работ. Ведение горно-графической документации на бумажной основе не позволяет своевременно принимать оперативные управленческие решения, а также отслеживать состояние объектов в реальном времени. Применение традиционных методов маркшейдерских съёмок и устаревших приборов замедляет процесс получения результатов. Зачастую исполнителям приходится находиться в зонах опасных природных и техногенных процессов.

Интеграция цифровой техники сбора данных, геодезических и фотограмметрических технологий привела к появлению принципиально новых приборов для сбора пространственной информации о местности – систем наземной лазерной локации (наземных лазерных сканеров).

Сущность наземного лазерного сканирования заключается в измерении с высокой скоростью расстояний от сканера до точек объекта и регистрации соответствующих направлений (вертикальных и горизонтальных углов), следовательно, измеряемые величины при наземном лазерном сканировании являются аналогичными, как и при работе с электронными тахеометрами. Однако принцип тотальной съемки объекта, а не его отдельных точек, характеризует НЛС как съемочную систему, результатом работы которой является трехмерное изображение, так называемый скан.

Наземное лазерное сканирование обладает также следующими достоинствами по отношению к другим способам получения пространственной информации:

а) возможность определения пространственных координат точек объекта в полевых условиях (в момент сканирования измеряются дальность, вертикальный θ и горизонтальный φ углы, по которым вычисляются координаты X, Y, Z точек);

б) высокая точность измерений;

в) принцип дистанционного получения информации обеспечивает безопасность исполнителя при съемке труднодоступных и опасных районов;

г) высокая производительность.

Сущность наземного лазерного сканирования заключается в измерении с высокой скоростью расстояний от сканера до точек объекта и регистрации соответствующих направлений (вертикальных и горизонтальных углов), следовательно, измеряемые величины при наземном лазерном сканировании являются аналогичными, как и при работе с электронными тахеометрами. Однако принцип тотальной съемки объекта, а не его отдельных точек, характеризует НЛС как съемочную систему, результатом работы которой является трехмерное изображение, так называемый скан.

Система для наземного лазерного сканирования состоит из НЛС и полевого персонального компьютера со специализированным программным обеспечением. НЛС состоит из лазерного дальномера, адаптированного для работы с высокой частотой, и блока развертки лазерного луча (рисунок 1).

Рисунок 1. Состав и принципиальная схема наземной сканирующей системы

1 – лазерный дальномер; 2 – приемопередающий тракт дальномера; 3 – сканирующее зеркало (призма); 4 – сканирующая головка сканера; 5 – кабель, соединяющий лазерный сканер с полевым компьютером; 6 – полевой компьютер (промышленный ноутбук) со специализированным программным обеспечением; 7 – носитель информации

В основу работы лазерных дальномеров, используемых в НЛС, положены импульсный и фазовый без отражательные методы измерения расстояний, а также метод прямой угловой засечки. В качестве блока развертки в НЛС выступают сервопривод и полигональное зеркало или призма. Сервопривод отклоняет луч на заданную величину в горизонтальной плоскости, при этом поворачивается вся верхняя часть сканера, которая называется головкой. Развертка в вертикальной плоскости осуществляется за счет вращения или качания зеркала. В процессе сканирования фиксируются направление распространения лазерного луча и расстояние до точек объекта. Результатом работы НЛС является растровое изображение – скан, значения пикселей которого представляют собой элементы вектора со следующими компонентами: измеренным расстоянием, интенсивностью отраженного сигнала и RGB-составляющей, характеризующей реальный цвет точки. Положение (строка и столбец) каждого элемента (пикселя) полученного растра отражает значения измеренных вертикального и горизонтального углов. Для большинства моделей НЛС характеристика реального цвета для каждой точки получается с помощью не метрической цифровой камеры.

Другой формой представления результатов НЛС 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.

Пространственные координаты точек объекта в системе координат НЛС вычисляются по формулам:

где R – измеренная дальность от точки стояния сканера до объекта;

φ – горизонтальный угол измеренного направления лазерного луча ;

θ – вертикальный угол направления , отсчитываемый от оси Z до вектора  (зенитное расстояние направления лазерного луча).

Формулы являются обобщенными для перехода от полярной системы координат к пространственной декартовой. Для каждого конкретного сканера они имеют индивидуальный вид, где учитываются несовпадение источника излучения и приемника, эксцентриситет вертикальной и горизонтальной осей вращения прибора и другие величины, которые называются параметрами калибровки сканера.

Для производства инструментальных наблюдений предусматривается создание на карьерах опорных пунктов, закладка которых согласуется с горно-геологическими условиями на карьере и видимостью геодезических пунктов.

Опорные пункты должны располагаться в местах, обеспечивающих их неподвижность на все время проведения наблюдений, т.к. на них устанавливается лазерный сканер.

Систематические инструментальные наблюдения на карьерах, заключаются в определении с помощью лазерного сканера положение прибортового массива путем производства сканирования выделенного участка местности, полученное облако точек трансформируется в трехмерную модель и сравнивается с последующими сериями измерений.