До недавнего времени для решения классических маркшейдерских задач, в том числе по определению объема сыпучих материалов на открытых складах и объема выработки грунта на карьерах, использовались следующие методы:
- инструментальный, заключающийся в проведении тахеометрической съемки объекта исследования, к примеру, кучи щепы на складе. Метод является самым трудоемким и дорогостоящим, а также подвергает сотрудников полевой службы риску на производстве.
- дистанционный, в котором могут применяться как данные полученные при помощи лазерного сканера (наземного либо воздушного), так и материалы аэрофотосъемки, полученные с пилотируемого летательного аппарата (ЛА) и специализированной аэросъемочной аппаратурой. Такой способ подразумевает под собой покупку либо аренду дорогостоящий техники и ЛА, подготовку и содержание штата высококвалифицированных специалистов, а также зависит от погодных условий.
Современный уровень развития техники, в частности в сфере беспилотной авиации и доступной по цене и качеству фотоаппаратуры позволяют находить способы создания технологий на их основе, которые значительно снижают финансовые и временные затраты на выполнение задач маркшейдерии на производстве.
Ярким представителем Российского и Международного рынков в данной сфере является группа компаний «Геоскан» (далее – ГК Геоскан), обладающая всеми необходимыми элементами технологии собственного производства для решения задач маркшейдерии.
Рассмотрим подробнее состав программно – аппаратных комплексов и технологий, базирующихся на их основе.
ГК Геоскан разработаны уникальные программно – аппаратные комплексы (далее – ПАК), включающие в себя следующие компоненты:
1. Беспилотные авиационные системы (БАС), технические характеристики которых отображены на [Рисунке 1].
Рисунок 1 – Технические характеристики БАС «Геоскан».
Данные системы имеют ряд преимуществ перед конкурентами, а именно:
• Экологически безопасны (электрические двигатели);
• Низкий уровень шумов;
• Высокая производственная эффективность каждого типа БАС в своем сегменте;
• Максимальный уровень автоматизации управления с возможностью контроля оператором;
• Высокий уровень безопасности проведения полетов;
• Простота в эксплуатации;
• Доступная цена.
Полезная нагрузка, которая устанавливается на БАС «Геоскан» варьируется в зависимости от поставленных задач. Как правило, для топографических и маркшейдерских задач используются беззеркальные камеры центрального затвора, с фокусом от 20 до 35 мм и размером матрицы от 16 до 24 Мп. На БАС «Геоскан» активно используется камера Sony DSC RX-1, которая проходит стендовую калибровку и модификацию по управлению и питанию.
Для задач сельского и лесного хозяйств дополнительно используются камеры Sony Alpha A5000, модифицированные под спектрозональную съемку. Для мониторинга пожаров и коммуникаций используется тепловизор.
В целях получения центров фотографирования, участвующих в процессе уравнивания аэрофотоснимков, БАС «Геоскан» снабжены высокоточными геодезическими приемниками GNSS «Topcon B110», либо аналогичными. Полные характеристики комплексов доступны в описании.
2. Второй ключевой компонентой ПАКов является программное обеспечение (ПО) «Agisoft PhotoScan Pro», предназначенное для фотограмметрической обработки данных АФС в автоматизированном режиме при минимальном участии оператора.
ПО позволяет создать: облака точек (аналог результата лазерного сканирования), ортофотопланы, цифровые модели местности и рельефа, а также высококачественные текстурированные фотореалистичные 3D модели объектов на основе цифровых фотографий.
Широкий выбор форматов экспорта и импорта позволяет взаимодействовать со многими профильными программами, в том числе ГИС Спутник, AutoCAD, Mapinfo, QGIS, Photomod и другими.
3. Третьим ключевым компонентом ПАКа является программное обеспечение «ГИС Спутник» - это современная трехмерная геоинформационная система, позволяющая отображать и анализировать геопространственную информацию в едином 3D пространстве с учетом временной динамики.
Основными функциями программы являются: визуализация и анализ ортофотопланов, ЦММ, ЦМР, в том числе анализ метрических данных объектов, расчет объемов положительных и отрицательных форм рельефа с возможностью изменений характеристик объектов, снятых в разное время.
«ГИС Спутник» может использоваться предприятиями для оценки состояния трубопроводов (деформации, выявление незаконных врезок и построек, состояние грунтов и степень зарастания) и линий электропередач, мониторинга состояния дорог (выявление дефектов полотна, деформации насыпи), а также вычисления объемов горных выработок, отвалов и т.д.
Процесс определения объема горной выработки на рудном карьере в интерфейсе «ГИС Спутник» изображен на [Рисунке 2].
Рисунок 2 – Процесс определения объема горной выработки на рудном карьере в интерфейсе «ГИС Спутник»
Программно – аппаратные комплексы на основе беспилотных авиационных систем «Геоскан» находят свое применение в следующих областях:
1) Топография – создание на основе аэрофотосъемочного материала ортофотопланов, ЦММ и ЦМР;
2) Маркшейдерия - определение объемов выработки в карьерах, а также сыпучих материалов на открытых складах и т.д.
3) Лесная промышленность - определение объемов штабелей бревен на лесозаготовках и складах, мониторинг состояния лесов, выявление незаконных вырубок, лесотаксация с применением спектра CIR;
4) Сельское хозяйство (с применением индекса NDVI).
5) Мониторинг строительства;
6) Мониторинг лесных пожаров, паводков;
и в других областях народного хозяйства.
Исходя из возможностей ПАКа, была разработана следующая технология применимая к задачам маркшейдерии (на примере определения объемов сыпучих материалов на открытых складах):
I. Подготовительные работы.
• Согласование работы в воздушном пространстве, получение разрешительной документации;
• Определение границ склада;
• Закладка и измерение контрольных точек (внешний вид маркера планово-высотного обоснования и схема закладки ПВО отображены на [Рисунке 3]);
• Подготовка проектов АФС.
II. Аэрофотосъемочные работы.
• Выбор точек взлета и посадки БАС;
• Установка базовой станции (GNSS приемник в режиме статики);
• Проведение аэрофотосъемки;
• Предварительная проверка данных в полевых условиях на наличие и целостность.
III. Камеральные работы.
• Обработка геодезических данных (получение центров фотографирования);
• Фотограмметрическая обработка аэрофотоснимков, получение ортофотопланов, ЦММ и ЦМР, пример ЦММ кучи щепы на складе показан на [Рисунке 4];
• Проведение контроля точности;
• Построение высокоточной текстурированной фотореалистичной 3D модели объекта (кучи щепы), пример 3D модели показан на [Рисунке 5];
• Экспорт данных в геоинформационную систему.
IV. Аналитическая работа в геоинформационной системе.
• Расчет объема объекта.
Рисунок 3 - Внешний вид маркера планово-высотного обоснования и схема закладки ПВО.
Рисунок 4 - Изображение ЦММ рудного карьера в интерфейсе «Agisoft PhotoScan Pro».
Рисунок 5 - Изображение 3D модели рудного карьера на открытом складе в интерфейсе «Agisoft PhotoScan Pro».
Данная технология разработанная сотрудниками ГК «Геоскан» была неоднократно апробирована на многих промышленных объекта к примеру:
Братский ЦБК, объекты лесопромышленного комплекса «Монди», ОАО «Сибирская угольная энергетическая компания» и т.д.
Результаты апробации технологии ГК Геоскан показали, что определение объемов материалов с применением БАС не уступают по качеству инструментальным измерениям (расхождения по значениям составило 1% от объема), а по полноте получаемой информации - превосходят. Точность построения модели объекта составила 0,05 м в плане и 0,1 м по высоте, что говорит о высокой точности данного метода.
К основным преимуществам Технологии ГК Геоскан можно отнести:
- высокая точность получаемых материалов;
- оперативность выполнения работ;
- компоненты ПАК разрабоны и произведены в России ГК Геоскан;
- минимальные трудозатраты по сравнению с традиционными методами съемки;
- возможность применения Технологии специалистами разного профиля (не требует глубоких знаний в области геодезии, аэрофотосъемки, картографии).
Указанные качества позволяют кратно повысить эффективность выполнения маркшейдерских работ, сэкономить существенные средства при регулярном мониторинге объемов сыпучих материалов на открытых складах.
В целях подтверждения полученных результатов и эффективности технологии, ГК Геоскан проведена добровольная сертификация и исследовательские испытания ПАКов в специализированных организациях.
В настоящий момент ведется подготовка к сертификации новых серий БАС «Геоскан 101» и «Геоскан 201» на базе Геодезического полигона МИИГАиКа на предмет соответствия получаемой продукции требованиям действующих нормативновно - технических документов и правовых актов.
Также запланированы исследовательские испытания на предмет оценки точности полигональной трёхмерной модели территории в сравнении с инструментальными измерениями.
Следует отметить, что современные производители БАС, как правило, предлагают нецелостные решения: производят только беспилотные системы, либо исключительно ПО, что не позволяет создать полноценную технологию, где каждый элемент дополняет друг друга.
В решениях ГК Геоскан есть все необходимые элементы технологии, обеспечивающие получение данных АФС, их обработку и анализ, что позволяет формировать пакетные решения для современного бизнеса, оптимизирует расходы и упрощает сервисное обслуживание каждого из элементов ПАК.
Также технологии «Геоскан» доступны и как сервисная услуга, где специалисты ГК «Геоскан» выполняют повседневные маркшейдерские работы на предприятии.
Учитывая изложенное, можно сделать вывод, что технология
ГК Геоскан проявила себя наилучшим образом, в том числе в решении задач маркшейдерии. Показала свою оперативность и точность (расхождение с инструментальными измерениями в пределах 1%), простоту и доступность в эксплуатации, что позволяет рекомендовать технологии ГК Геоскан для применения в маркшейдерских работах на предприятиях.
Курков Михаил Владимирович, начальник научно-исследовательского отдела, ООО "Скан" (резидент ИТЦ "Сколково") из состава ГК Геоскан, E-mail: m.kurkov@geoscan.aero;
Семёнов Алексей Евгеньевич, генеральный директор, ООО "Геоскан" из состава ГК Геоскан, E-mail: a.semenov@geoscan.aero;
Котов Артём Александрович , начальник геодезического отдела, ООО "Титул" из состава ГК Геоскан, E-mail: a.kotov@geoscan.aero