07 февраля 2023, Вторник05:05 МСК
Вход/Регистрация

Беспилотные летательные аппараты для решения задач маркшейдерии и мониторинга открытых горных работ

В.А. Макаров — директор ИГДГиГ СФУ, д. г-м. наук, профессор
Д.А. Бондаренко — директор ООО НПП «АВАКС-ГеоСервис»
И.В. Макаров — тех. директор ООО НПП «АВАКС-ГеоСервис»
К.А.Шрайнер — гл. маркшейдер ООО НПП «АВАКС-ГеоСервис»
А.А. Перунов — специалист по ДЗЗ ООО НПП «АВАКС-ГеоСервис»
Е.В. Труханов — специалист по ДЗЗ ООО НПП «АВАКС-ГеоСервис»

Деятельность любого горнодобывающего предприятия невозможна без отлаженной маркшейдерской службы. Маркшейдерское обеспечение горных работ — процесс достаточно трудоемкий, требующий высококвалифицированных кадров, дорогостоящего оборудования и специализированного программного обеспечения (ПО).

Для горнодобывающих предприятий большой мощности характерны высокая скорость продвижения забоев, быстрая изменчивость границ отвального комплекса и хвостового хозяйства, рудных складов и, зачастую, одновременное существование двух, трех и более строительных площадок. Оперативный объективный контроль за такими объектами традиционными средствами затруднен. Как правило, для выполнения тахеометрической съёмки одного объекта горнодобывающего предприятия требуются усилия нескольких специалистов на продолжительный (до недели) период времени. Для повышения производительности возможно применение аэрофотосъёмки (АФС) с пилотируемых летательных аппаратов. Однако для небольших объектов и при отсутствии авиационной инфраструктуры вблизи предприятия применение данной технологии оказывается экономически не выгодным из-за высокой стоимости эксплуатации авиационной техники. В некоторых случаях проблемы мониторинга горных работ могут быть решены с применением космических съемок. Спутниковые снимки позволяют получать основу для создания топографических планов любых площадей, но, как правило, не отвечают требованиям к пространственному разрешению фотоматериалов, что затрудняет или делает невозможным дешифрирование объектов и получение планов необходимого масштаба.

беспилотный.jpg

Рис. 1. Беспилотный летательный аппарат (БПЛА) DELTA-M, комплекс для решения аэрофотограмметрических задач.

Для регулярной съёмки участков местности площадью до 10 км2 или при периодическом мониторинге ведения открытых горных работ эффективным методом является аэрофотосъёмка с использованием легких БПЛА, массой менее 10 кг. В отличие от пилотируемой авиации, аппаратам данного класса не требуется специального аэродрома. Достаточным условием для взлета и посадки является открытая площадка размером 50х70 м. Технические возможности современных БПЛА-комплексов (фотоаппаратура, системы навигации, управления и связи) обеспечивают бо'льшую оперативность получения результата в сравнении со спутниковой съёмкой, более высокую разрешающую способность (3 см на точку), а также минимальную зависимость от погодных условий.

При работе с БПЛА от оператора не требуется специальных навыков пилотирования и длительного обучения, благодаря полной автоматизации управления комплексом. Для выполнения регулярной съёмки всех объектов горнодобывающего предприятия достаточно одного-двух сотрудников. Производительность комплекса последнего поколения позволяет в течение одного светового дня выполнить аэрофотосъёмку площади до 70 км2.

При проведении открытых горных работ БПЛА может использоваться для решения различных задач: мониторинга работ, картирования, а также оценки объёмов горных выработок и отвалов. Для задач мониторинга основным условием съёмки является достаточное пространственное разрешение получаемых фотоматериалов для визуального анализа и контроля техногенных и природных объектов. Съёмка с БПЛА для этих целей может производится на малой высоте (200–600 м), что позволяет получать снимки с размером пиксела, соответствующим 3–7 см на местности, получаемые при этом материалы аналогичны классической АФС. Для решения задач картографирования и определения объёмов горных работ, необходима высокая точность геодезической привязки фотоматериалов.

опорно-поворотны.jpg

Рис. 2. Опорно-поворотное устройство (3-х осевая гиростабилизирующая платформа)

Компания ООО НПП «АВАКС-ГеоСервис», при поддержке группы компаний «Прогноз» и содействии Института горного дела, геологии и геотехнологий (ИГДГиГ) Сибирского федерального университета (СФУ) с 2010 года активно развивает технологию аэрофотосъёмки с применением БПЛА серии DELTA собственной разработки для решения горно-геологических задач. Первый опыт применения технологии аэрофотосъёмочных работ с беспилотных летательных аппаратов в горном деле был изложен авторами в журнале «Золото и технологии» №1(15) 2012 г.

Накопленный опыт работ по эксплуатации комплекса DELTA лег в основу создания БПЛА нового поколения, специализированного для решения задач геодезии и картографии. Аппарат DELTA-M (рис. 1) по своим техническим характеристикам не имеет аналогов среди других легких российских БПЛА гражданского назначения и по существу представляет собой самостоятельный картографический инструмент (табл. 1).

Отличительной особенностью БПЛА DELTA-M является наличие высокоточного приёмника глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС) и опорно-поворотного устройства (ОПУ) (рис. 2), стабилизирующего оптическую ось. Благодаря последнему при выполнении АФС отсутствует так называемая «ёлочка», которая образуется на БПЛА с жестко прикрепленным к корпусу фотоаппаратом (рис. 3) из-за колебания корпуса планера.

рисунок 3.jpg

Рис. 3. Слева — перекрытие между снимками с гиростабилизацией; справа — без гиростабилизации (ёлочка)

Отсутствие «ёлочки» позволяет увеличить расстояние между маршрутами, что ведет к увеличению площади АФС, выполняемой за один полет. Кроме того, уменьшается количество фотографий, вовлекаемых в обработку, что существенно сокращает сроки обработки первичных материалов для получения качественного ортофотоплана.

При выполнении задач обычного видеонаблюдения ОПУ позволяет поворачивать видеокамеру в требуемом направлении, увеличивая площадь обзора.

ЦМР.jpg

Рис. 4. ЦМР — результат обработки плотного облака точек.

Коллективом авторов проведена серия тестовых испытаний аппаратов серии DELTA-M c полезной нагрузкой в виде фотокамеры с затвором центрального типа и полноразмерной матрицей (Sony RX1) для задач фотограмметрии. Для решения данной задачи был поставлен вопрос о погрешностях измерений по материалам аэрофотосъёмки. Точность определения плановых координат важна при проведении картографических работ, а высотных — для построения цифровых моделей рельефа. Традиционно при решении задач фотограмметрии анализируют следующие основные возможные источники ошибок АФС:

  • искажения оптической системы (аберрации, отсутствие резкости, смещение главной точки, неточное значение фокусного расстояния);
  • искажения, вызванные наклоном оптической оси;
  • искажения, вызванные рельефом местности.
В наших работах ошибки оптической системы исправляются путем калибровки фотокамеры, определения её точных параметров. Наклон оптической оси в конструкции аппарата DELTA-M сводится к минимуму (<3°) работой опорно-поворотного устройства. Искажения за рельеф компенсируются наличием сети наземного обоснования — совокупности опорных точек с известными координатами и различимых на фотоснимках.

отображение.jpg

Рис. 5. Отображение динамики отвалообразования на ЦММ.

Для оценки точности определения пространственных координат по данным съёмки с БПЛА специалистами компании был создан испытательный полигон площадью 10 га, состоящий из сети 160 опорных точек по регулярной сети.

Шаг сети опорных точек составил 20–30 м, относительная невязка не превышала 0,5 см. Испытания заключались в проведении серии АФС с высоты 200, 300 и 400 м. Далее, при фотограмметрической обработке были получены плановые и высотные координаты контрольных точек по аэрофотоснимкам и произведено сравнение с результатами наземных измерений.

фотоизображения.jpg

Рис. 6. Фотоизображения и цифровые модели поверхности труднодоступных и опасных участков, полученные в результате съёмки с БПЛА.

При обработке фотоматериалов, помимо опорной сети, использовались координаты центров фотографирования, определяемые встроенным в летательный аппарат ГНСС приемником. На данный момент на БПЛА сверхлегкого типа обычно используются приемники бытового класса, позволяющие определять координаты центров фотографирования с точностью 3–5 м. Комплекс DELTA-M оснащен двухчастотным дифференциальным приемником, использование которого повышает точность привязки центров фотографирования до 10 см, что уменьшает время обработки фотоматериалов и погрешность измерений на снимках.

дешифрование.jpg

Рис. 7. Дешифрирование верхней и нижней бровки уступов.

Объективным критерием точности определения координат объектов по фотоматериалам является среднеквадратическая ошибка (СКО) контрольных точек, которые не участвовали при уравнивании блока (формулы 1 и 2).

формула 1.jpg, (1)

где: ΔXY — СКО в плане;
n — количество контрольных точек;
Ιi— измеренные тахеометром плановые координаты контрольной точки;
Îi— измеренные на снимках плановые координаты контрольной точки.

формула 2.jpg, (2)

где: ΔZ — СКО по высоте;
hi— измеренные тахеометром высотные координаты контрольной точки;
-hi— измеренные на снимках высотные координаты контрольной точки.

При наличии опорной сети и строгом соблюдении методики проведения АФС ошибки уравнивания блока фототриангуляции вызваны, главным образом, использованием неметрической камеры без калибровочных данных. Средняя плановая погрешность в данном случае составляет 30 см, высотная — 1 м. Такие результаты не соответствуют техническим требованиям для проведения высокоточных геодезических и картографических работ. Задача калибровки решалась двумя подходами:
1. Полевой метод — в качестве тестобъекта использовался испытательный полигон;
2. Лабораторный метод (контрольный) — в качестве тест-объекта использовалась регулярная сеть, размеченная на плоской вертикальной поверхности.

дешифрование 2.jpg

Рис. 8. Дешифрирование положения устьев скважин.

При наличии данных о размерах элементов тест-объекта и расстояния до него в момент фотографирования, можно восстановить точные параметры оптической системы. Результаты калибровки фотокамеры представлены в таблице 2.

построение разрезов.jpg

Рис. 9. Построение разрезов по заданным линиям.

При последующей обработке результатов АФС в качестве входных данных при уравнивании использовались: элементы внешнего ориентирования снимков, полученные с высокоточного ГНСС-приемника, результаты калибровки фотокамеры и координаты пяти опорных точек.

Контроль точности производился по 155 контрольным точкам (табл. 3).

формула 3.jpg, (3)


Полученные результаты демонстрируют возможность использования материалов съёмки с БПЛА DELTA-M для проведения геодезических работ при решении горнотехнических задач составления геодезических карт и планов до масштаба 1:500. Для достижения средней погрешности измерений в пределах 10–15 см рекомендуется следующий комплекс мероприятий:
1. Калибровка оптической системы фотокамеры;
2. Применение высокоточного ГНСС-приемника для позиционирования снимков при обработке;
3. Создание сети наземного обоснования.

По результатам данного исследования и опыта прошлых работ для получения качественного ортофотоплана масштаба 1:1000 достаточно 8 опорных и 2 контрольных точек на 1 км2 местности. Количество может зависеть от типа рельефа, целей проведения и условий съёмки.

 Технические характеристики
 Скорость летательного аппарата      60-80 км/ч
 Высота полёта  100–3000 м
 Разрешение фотоснимков  3–10 см/пикс.,
в зависимости от высоты
(300–1000 м соответственно)
 Производительность съёмки  - для задач мониторинга — до 80 км2 / вылет;
- для разрешения 10 см/точку — до 30 км2 / вылет;
 - для разрешения 3 см/точку — до 10 км2 / вылет;
 Дальность действия радиосвязи      30 км
 Продолжительность полёта  До 200 минут
 Допустимая скорость ветра   15 м/с
 Взлёт  катапультный
     Посадка      парашютная
 Диапазон рабочих температур  от -35°С до +40°C
 Диапазон углов перемещения
гиростабилизированного опорно-
поворотного устройства
 - по углу крена ± 45°;
- по углу тангажа ± 25°;
- по углу сноса ± 50°;
 Точность привязки центра
фотографирования
 - базовая комплектация: средняя квадратическая
ошибка (СКО) в плане 2м, по высоте 3 м
- комплектация с GPS\ГЛОНАСС приёмником
повышенной точности (фазовый дифференциальные
режим — RTK): СКО в плане 0,1 м, по высоте 0,2 м
 Конфигурация фотоаппаратуры  Sony RX-1 полноразмерная матрица 35 мм;
центральный затвор;
Разрешение 6000 х 4000;
(имеется опция Canon EOS-M c
объективом EF50мм f1/1.4 USM)
 Гарантированный ресурс планера      50 посадок
 Ресурс комплекса аккумуляторных батарей  50 циклов до снижения ёмкости на 20%
Табл. 1. Технические характеристики БПЛА DELTA-M.


Помимо оценки точности определения пространственных координат, данный полигон был использован для калибровки съёмочного оборудования — уточнения фактической величины фокусного расстояния, координат главной точки и коэффициентов радиальной дисторсии полезной нагрузки. После проведения калибровки средняя плановая невязка ΔLср составила 10 см, высотная невязка ΔZср — 16 см. Полученные результаты показывают возможность использования материалов АФС с БПЛА в качестве топографической основы и модели при подсчете объёмов горных выработок.

итоговый план.jpg

Рис. 10. Итоговый топографический план в соответствии с государственными стандартами.

Технологически аэрофотосъёмка с БПЛА производится в несколько этапов: подготовительные камеральные работы и составление летного задания; маркирование опорных точек на местности и выполнение летного задания (полевые работы); камеральная обработка полученных материалов.

Для получения высокоточных данных необходима предварительная инструментальная привязка сети опорных точек и закрепление на них опознавательных знаков, которые в идеальном случае представляют собой кресты с обозначенным центром, маркированные на местности.

Перед запуском БПЛА в интерфейсе наземной станции управления (НСУ) задаются: область съёмки, требуемые значения продольного и поперечного перекрытия и высота полета, от которой зависит пространственное разрешение снимков. По указанным параметрам НСУ автоматически создает маршрут, следуя по которому БПЛА совершает аэрофотосъёмку с фиксацией координат каждой точки фотографирования.

Получение качественных результатов фотосъёмки обеспечивается обработкой цифровых снимков в специализированных программных пакетах, таких как: Pix4Dmapper, Photoscan, PHOTOMOD, позволяющих существенно упростить и автоматизировать процесс обработки исходных материалов (определение связующих точек на соседних снимках и уравнивание по указанным опорным точкам).

Наибольшей степенью автоматизации процессов и возможностью получения подробного отчета о результатах обработки обладает программный пакет Pix4Dmapper. Обработка материалов АФС полностью автоматизирована, для этого необходимо загрузить в ПО полученные аэрофотоснимки, положение центров фотографирования и задать координаты опорных точек, после чего ПО автоматически определит связующие точки на соседних снимках и произведёт уравнивание по указанным опорным точкам.

После уравнивания в автоматическом режиме строится плотное облако точек, сравнимое с результатами лазерного сканирования, которое представляет собой точную цифровую модель местности (ЦММ), включающую в себя все объекты, попавшие в поле зрения фотокамеры. Для получения цифровой модели рельефа (ЦМР) необходимо провести фильтрацию плотного облака точек, исключив из него растительность, строения, автотранспорт. Полученная ЦМР в дальнейшем используется для подсчета объёмов выработки горной породы (рис. 4).

Формат данных, получаемый в результате фотограмметрической обработки, совместим с любыми современными геоинформационными системами (ГИС) и легко конвертируется в требуемый. Детальная модель местности несет в себе большой объём информации, поэтому дальнейшую её обработку рекомендуется производить в специализированных горно-геологических информационных системах (ГГИС), таких как Micromine, Mineframe, Surpac.

ортофлпан.jpg

Рис. 11. Ортофотоплан участка кучного выщелачивания.

Опыт наших работ показывает, что для проведения АФС с целью подсчета объёмов горной породы на карьере площадью 2 км2, потребуется 1 час. Получение ортофотоплана и ЦМР занимает не более 4-х часов автоматической обработки, которую можно производить в ночное время без участия оператора. Подсчет объёмов горных выработок и отвалов в ПО Micromine заключается в указании контура, внутри которого производилась выемка горной породы, и вычитании (сложении) трехмерной модели, полученной при съёмке за предыдущий отчетный период, из текущей модели (рис. 5). Автоматизированный подсчет перемещенной горной массы занимает не более 10 минут для одного месторождения. Время полного технологического процесса составляет порядка 6 часов для крупного месторождения. Традиционная методика работ, включающая наземную инструментальную съёмку, потребует не менее трех дней.

Кроме того, применение беспилотных летательных аппаратов позволяет выполнять съёмку труднодоступных мест, исключая нахождение в них работников предприятия, жизнь и здоровье которых не будет подвергаться риску. (рис. 6).

Полученные с БПЛА цифровые модели рельефа являются качественной основой для формирования отчетной документации, необходимой для технологических служб горного предприятия и предоставления в контролирующие органы. Стандартные планы и разрезы, оформленные в соответствии с условными обозначениями на бумажном носителе, векторизуются по ортофотоплану и ЦМР. При этом надежно дешифрируются требуемые элементы (верхняя и нижняя бровки уступов, транспортные съезды, строения, насыпи, положения устьев скважин (рис. 7 и 8), инструментами ПО строятся разрезы по заданным линиям (рис. 9), а итоговый топографический план оформляется в соответствии с государственными стандартами (рис. 10).

Параметр оптической
системы
 Значение до
калибровки
 Значение после
калибровки полевым
методом
 Значение после
калибровки
лабораторным методом
 Фокусное расстояние (f)   35 мм  35,185 мм  35,224 мм
 Смещение главной точки
по оси Х
  0 мм  0,0275 мм   0,0195 мм
 Смещение главной точки
по оси Y
   0 мм   -0,0111 мм   -0,0093 мм
 Коэффициент радиальной
дисторсии k1
   0   -5,318 * 10-5   -5,108 * 10-5
 Коэффициент радиальной
дисторсии k2
   0   -4,891 * 10-8  -4,4 * 10-8
Табл. 2. Результаты калибровки фотокамеры Sony RX1.

Помимо подсчета объёмов и оформления графической документации, по результатам АФС оперативно определяются координаты устьев взрывных и разведочных скважин, расположение всех технических сооружений на территории карьеров (временные балки, ЛЭП и электрические подстанции, насосы, трубопроводы). Наглядность ортофотоплана и детальность плотного облака точек позволяют использовать полученные материалы не только маркшейдерской, но и геологической службой. По ортофотоплану с высоким разрешением точно и оперативно выявляются зоны трещиноватости на бортах и вблизи карьеров, при наличии маркирующих слоев ведется их оконтуривание.

По результатам периодической аэрофотосъёмки службой главного инженера может осуществляться контроль за соблюдением техники безопасности и технологии производства работ (рис. 11).

соглашения.jpg

Табл. 4. Соглашения с производителями профильных программных комплексов.

Обобщая опыт применения БПЛА при решении задач горного производства, можно утверждать, что БПЛА позволяет оперативно и с высокой точностью производить картирование и мониторинг объектов горного предприятия, решать широкий спектр горнотехнических задач, включающий в себя подсчет объёмов горных выработок, отвалов, хвостохранилищ, построение разрезов, поиск зон трещиноватости, привязку скважин и т.д. Фактором, замедляющим развитие и внедрение технологии дистанционного мониторинга горных работ, является консервативный подход специалистов предприятий, связанный с отсутствием нормативной и методической базы. Совершенствование нормативной базы требует тесного сотрудничества горнодобывающих предприятий, контролирующих органов и производителей БПЛА.

Имя точки  ΔL, в плане (м)       ΔZ, по высоте (м)
 Point0001  -0,133  0,163
 Point0002   0,143  0,045
 Point0004  -0,053  0,095
    ...      ...      ...
 Point0158  -0,126  0,113
 Point0159  -0,179  0,092
 Point0160  -0,145  0,064
 Максимальное   0,203  0,466
 Среднее   0,104  0,157
Табл. 3. Достигнутые точности.

Компания ООО НПП «АВАКС-ГеоСервис» тесно сотрудничает с производителями профильных программных комплексов. Одним из результатов сотрудничества является предоставление скидок на их продукцию при единовременной покупке комплекса БПЛА DELTA-M и соответствующего пакета ПО (табл. 4). Также для облегчения и ускорения обработки результатов АФС ведутся двухсторонние переговоры по улучшению и оптимизации ПО.

ООО НПП «АВАКС-ГеоСервис» и ИГДГиГ СФУ приглашают к сотрудничеству компании, заинтересованные в применении и развитии беспилотных технологий для решения широкого круга горнотехнических задач в горнодобывающей и других отраслях.
E-mail: info@uav-siberia.com.
www.uav-siberia.com.

Опубликовано в журнале «Золото и технологии», № 3 (25)/сентябрь 2014 г.




Продажа собственной вскрыши чревата привлечением к административной ответственности
Перевод земельных участков из категории земель с/х назначения в земли промышленности может не спасти от взыскания ущерба за причинение вреда таким землям
Правовое регулирование экспорта аффинированного драгоценного металла или сырья, содержащего драгоценные металлы, из Таможенного союза ЕАЭС
Изменения в порядке досрочного прекращения, ограничения, приостановления права пользования недрами с 1 января 2022 года
Заказать журнал
ФИО
Телефон *
Это поле обязательно для заполнения
Электронный адрес
Введён некорректный e-mail
Текст сообщения *
Это поле обязательно для заполнения
Пройдите проверку:*
Поле проверки на робота должно быть заполнено.

Отправляя форму вы соглашаетесь с политикой конфиденциальности.

X