Обоснование технологии создания и ведения маркшейдерской горно-графической документации в цифровом виде

Базыкина, Людмила Радиковна

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Обоснование технологии создания и ведения маркшейдерской горно-графической документации в цифровом виде
ВАК РФ 25.00.16, Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр

Автореферат диссертации по теме "Обоснование технологии создания и ведения маркшейдерской горно-графической документации в цифровом виде"

На правах рукописи

БАЗЫКИНА ЛЮДМИЛА РАДИКОВНА

ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ СОЗДАНИЯ И ВЕДЕНИЯ МАРКШЕЙДЕРСКОЙ ГОРНО-ГРАФИЧЕСКОЙ ДОКУМЕНТАЦИИ В ЦИФРОВОМ ВИДЕ

Специальность 25.00.16 -Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

Санкт-Петербург - 2013

005543001

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».

Научный руководитель — доктор технических наук, доцент

Гусев Владимир Николаевич

Официальные оппоненты:

Сученко Владимир Николаевич доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Российский университет дружбы народов», кафедра геодезии и маркшейдерского дела, профессор

Виноградов Константин Павлович кандидат технических наук, ООО «НПП «Бента», заместитель генерального директора по геоинформатике

Ведущая организация - ОАО « Гипрошахт».

Защита диссертации состоится 23 декабря 2013г. в 14 ч. на заседании диссертационного совета Д 212.224.08 при Национальном минерально-сырьевом университете "Горный" по адресу: 199106, Санкт-Петербург, В.О., 21-я линия, д. 2, ауд. 3416а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета "Горный".

Автореферат разослан 22 ноября 2013г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ КОРНИЛОВ

диссертационного совета ¿ЙР^^ Юрий Николаевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Развитие современного горнодобывающего предприятия невозможно без качественной, надежной, актуальной и доступной горно-геологической и маркшейдерской информации. Маркшейдерская горная графическая документация один из наиболее важных типов документации недропользователя, характеризующаяся целым спектром специфических особенностей в сравнении с другими видами инженерной графики. К таким особенностям, прежде всего, относятся: высокая точность и координатная привязка графических моделей, геометрическая сложность отображаемых горно-геологических объектов, необходимость постоянной актуализации данных, уровень секретности информации горной графической документации.

Традиционное представление данных горной графической документации на бумажных носителях не позволяет обеспечить современный уровень потребностей горного производства в информации, оперативно и обоснованно принимать решения, обеспечивать защиту информации.

В связи с широким развитием компьютерных технологий в настоящее время в горной промышленности активно внедряются автоматизированные системы САПР, ГИС, ГГИС. Большая часть из них потенциально способна обеспечить выполнение специфических требований к данным горной графической документации, однако ни одна из современных программно реализованных систем в полной мере не удовлетворяет потребностям маркшейдерского обеспечения недропользователя. Одной из главных причин такого состояния дел является отсутствие нормативных документов и общепризнанных методических разработок, регламентирующих переход на цифровые технологии в этой области.

Вопросами методологии геоинформационного обеспечения, организации и представления геоданных занимались A.M. Берлянт, Ю.В. Тикунов, Е.Г. Капралов, A.B. Кошкарев, И.Г. Журкин, В.Я. Цветков, В.П. Кулагин, М.ДеМерс, Ю.К. Королев. Применению современных информационных технологий при геологическом и маркшейдерском обеспечении горных работ посвящены работы Г.П. Жукова, В.В. Ершова, В.Н. Сученко, A.A. Шоломицкого, Г.Б. Старикова, H.H. Грищенкова, Д.В. Яковлева, Э.Т. Денкевича, Д.С.

Михалевича, И.П. Иванова, С.Н. Голубкова, П.П. Смирнова, Г.Н. Сычева, К.В. Пятницкого, A.B. Катаева, C.B. Лукичева и др.

Несмотря на широкое развитие информационных технологий и существенный вклад зарубежных и отечественных исследователей, маркшейдерское обеспечение в России по прежнему основано на использовании, морально устаревшей технологии, регламентированной действующими нормативными документами, практически не предусматривающими использование цифровых моделей при ведении горной графической документации. Поэтому разработка методологических основ применения цифровых технологий и проведение прикладных исследований в этой сфере остается актуальной задачей.

Цель работы: повышение эффективности маркшейдерского обеспечения производства за счет применения цифровой технологии при ведении горной графической документации.

Идея работы. Внедрение цифровой технологии при ведении горной графической документации должно обеспечивать оптимальную организацию информации в базе данных, метрическую точность моделей, возможности регулярной и корректной актуализации данных в многопользовательских режимах.

Задачи исследований:

- изучить особенности горной графической документации и способов ее создания и использования в традиционной технологии маркшейдерского обеспечения и в рамках современного подхода, основанного на цифровых способах;

- провести анализ и систематизацию существующих методов создания и использования цифровой графической и семантической информации в инженерной практике, способов организации и ведения баз геоданных, возможностей программного обеспечения различного класса;

- обосновать оптимальные параметры при создании растровых моделей горной графической документации и выполнить анализ существующих методов их трансформации на предмет качества исключения графических искажений различной природы;

- проанализировать существующие принципы классификации и кодирования данных и обосновать способы организации информации горной графической документации и разработать классификатор объектов маркшейдерской документации;

- разработать технологию создания, ведения и использования горной графической документации на базе цифрового подхода, учитывающую современные потребности горного производства.

Научные положения, выносимые на защиту;

1. Метрическая точность цифровых растровых моделей определяется не только выбором разрешения, но и параметрами модели цвета. При обосновании разрешения для растровых моделей горной графической документации необходимо учитывать параметры выбранной цветовой модели.

2. Трансформация растровых моделей горной графической документации на основе полиномов второго порядка обеспечивает исключение сложных и неоднородных деформаций разной природы и позволяет получить оптимальные показатели метрической точности этих моделей.

3. Организация информации в горной графической документации на основе использования иерархического классификатора объектов, базирующегося на выделении технологических подсистем и основных структурных блоков, обеспечивает наиболее рациональную структуру базы данных и преемственность при переходе на цифровую технологию.

Научная новизна работы состоит в:

- выявлении зависимости метрической точности растровых моделей графической документации от параметров цветовой модели;

- обосновании необходимости применения нелинейных преобразований для исключения сложных искажений цифровых графических моделей горной графической документации при их трансформировании;

- установлении типов математических моделей трансформации, обеспечивающих минимизацию искажений растровых моделей до уровней, регламентированных действующими требованиями к горной графической документации.

Методы исследований. При выполнении диссертационной работы использовались методы вычислительной геометрии, математической статистики, машинной графики, обработки и распознавания растровых изображений.

Практическая значимость

1. В работе обоснованы параметры растровых моделей графической документации, позволяющие обеспечить требуемую метрическую

точность и корректную векторизацию при использовании автоматизированных процедур.

2. Разработаны рекомендации для организации информации в базе данных объектов горной графической документации.

3. Предложен вариант классификатора объектов горной графической документации.

4. Составлено краткое руководство по созданию и ведению горной графической документации в цифровом виде.

Достоверность и обоснованность научных положений и результатов работы заключается в обеспечении достаточной точности при разработанных способах бинаризации растровых моделей; удовлетворительными результатами исключения искажений на основе предложенных типов трансформации по тестовым объектам маркшейдерской графики; положительными результатами применения иерархических классификаторов, предлагаемых для организации информации горной графической документации.

Реализация результатов работы. Результаты исследований планируется использовать при разработке нормативного документа, регламентирующего создание и ведение горной графической документации в цифровом виде. Результаты исследования внедрены в учебный процесс подготовки специалистов, обучающихся по специализации «Маркшейдерское дело», а также могут быть использованы маркшейдерскими службами горнодобывающих предприятий до принятия новых нормативных документов, регламентирующих ведение горной графической документации в цифровом виде.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на международной конференции «Современные проблемы геомеханики, геотехнологии, маркшейдерии и геодезии при разработке месторождений полезных ископаемых и освоении подземного пространства» (г. Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный горный университет, 2011г.), V Всероссийской конференции «Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных ископаемых» (г. Пермь, ПНИПУ, 2012г.).

при создании и ведении маркшейдерской документации; в разработке методики, позволяющей определить необходимые параметры сканирования горной графической документации для хранения и использования ее в растровом, векторном или гибридном (растрово-векторном) виде; в разработке специализированного классификатора объектов горной графической документации.

Публикации. Основное содержание работы отражено в 4 публикациях, из них 2 в журналах, включенных в перечень изданий, определяемых ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка (84 литературных источников), изложенных на 140 страницах машинописного текста, содержит 16 таблиц, 33 рисунка.

Автор выражает благодарность научному руководителю профессору кафедры маркшейдерского дела Национального минерально-сырьевого университета «Горный» В.Н. Гусеву, к.т.н., доценту кафедры маркшейдерского дела Национального минерально-сырьевого университета «Горный» Е.М. Волохову, заведующему лабораторией маркшейдерских работ НЦГиПГП Г.П. Жукову за всестороннюю помощь при подготовке и проведении исследований по теме диссертации.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность диссертации, определены цель и задачи исследования, приводятся защищаемые научные положения, изложены научная новизна и практическое значение работы.

В первой главе говорится о современном состоянии проблемы ведения маркшейдерской горной графической документации, изложены требования к геолого-маркшейдерской графике. Приведены общие сведения о типах, способах хранения и представления информационных моделей данных.

Во второй главе обосновано необходимое разрешение и глубина цвета цифровых растровых моделей горной графической документации, при которых достигается требуемая метрическая точность. Рассмотрены виды деформаций растровых изображений и способы их устранения.

Третья глава посвящена принципам организации графических и семантических данных в цифровой картографии. Приводится обоснование системы классификации и кодирования для объектов маркшейдерской горной графической документации.

В четвертой главе обоснована технология создания и ведения горной графической документации, основанная на использовании цифровых моделей.

Основные результаты исследований отражены в защищаемых положениях:

Горная графическая документация в отличие от других видов инженерной графики характеризуется рядом специфических особенностей, главные из которых определяются высокими требованиями по метрической точности геометрически сложных, горно-геологических объектов и по цветовому воспроизведению графических элементов, а также необходимостью обеспечения постоянной актуализации и доступности для многих структурных подразделений горного предприятия. Переход на цифровую технологию ведения горной графической документации, очевидно, должен опираться на достижения современной компьютерной графики и учитывать указанные выше особенности этой документации.

В компьютерной графике выделяют два основных типа представления данных: растровые и векторные модели. В качестве базовой для горной графической документации рекомендуется использовать векторную модель как более адаптированную к решению инженерных задач. Однако и растровые модели остаются востребованными особенно в свете решения задач перехода на новую технологию ведения горной графической документации, когда большая часть исходной информации получается при оцифровке графической документации на твердых носителях (бумага, калька и т.д.). Растровые модели не потеряли своей актуальности и широко используются при

обработке данных дистанционного зондирования и в геоинформационных технологиях.

Использование растровых моделей, получаемых разбиением графических изображений на элементарные ячейки (пиксели), должно учитывать особенности их модельного представления. Главными параметрами, характеризующими такие модели, являются глубина цвета (измеряемая в битах, выделяемых в памяти для хранения закодированного цвета) и разрешение (фиксирующее размер пикселя). Основное внимание в работе было уделено растровым моделям, полученным путем сканирования бумажного материала горной графической документации в целях их идентификации и векторизации.

В процессе сканирования горной графической документации указанные параметры должны обеспечить метрическую точность и передать информативность отсканированного графического изображения. Учитывая основной недостаток растровых моделей -большой объем требуемой машинной памяти - при обосновании их параметров необходимо стремиться к снижению разрешения и глубины цвета.

Если разрешение, очевидно, определяет характеристики метрической точности получаемых растровых моделей, то параметры модели цвета могут не только определять информативность (в основном с точки зрения цветопередачи), но и влиять на метрическую точность. Как показали исследования, параметры модели цвета могут существенно влиять на метрику идентифицированных по растру объектов (рисунок 1), поэтому для обеспечения метрической точности необходимо рассматривать совместно и разрешение и параметры модели цвета.

Для анализа и обоснования допустимых значений параметров растровых моделей рассматривались два их типа: модели прямого использования (т.е. модели, которые будет идентифицировать человек) и модели для последующей автоматической векторизации (т.е. модели, которые будут идентифицироваться программно). Основное назначение моделей первого типа - сохранение точности информативности исходного оригинала при переходе на цифровую форму, поэтому они также могут рассматриваться в качестве исходных для моделей второго типа.

В первом типе, как правило, используются цветные хроматические растровые модели, предварительно

отмасштабированные с устраненными искажениями (после трансформирования). Глубина цвета для таких моделей обоснована в работе на уровне 8 бит (256 градаций цвета), который позволяет обеспечить передачу цветов базовой палитры согласно ГОСТ 2.853-75 без потери информативности.

Во втором типе используются растровые модели предварительно прошедшие процедуры трансформации, бинаризации и фильтрации. Здесь в основном рассматриваются черно-белые монохроматические (или ахроматические) модели, глубина цвета которых минимальна и составляет 1 бит.

В зависимости от способа векторизации используют разные модели цвета исходных растров. Ручная векторизация возможна как по хроматической, так и по ахроматической модели. Большинство современных программ векторизаторов, реализующих автоматическую и интерактивную (полуавтоматическую) векторизацию, работают только с ахроматической моделью. Для перевода хроматической растровой модели в ахроматическую применяют процесс бинаризации.

В диссертационной работе была поставлена задача - обосновать значение порога при бинаризации. Порог - это параметр, используемый для определения того, какие оттенки цветов исходного растрового изображения преобразуются в черные. Для этого был разработан математически обоснованный алгоритм расчета необходимого уровня порога бинаризации, который обеспечивает получение монохроматических растров без потери информации.

В ходе исследований для растровых моделей первого типа (глубиной цвета 8 бит) установлено минимально необходимое разрешение сканирования в 250-300 dpi. Для второго типа (глубиной цвета 1 бит) минимальное разрешение сканирования 650-700 dpi. Использование разрешения меньше указанных предельных значений, без использования специальных критериев при бинаризации, может приводить к бесконтрольной потери части графической информации.

Полученные с учетом указанных параметров растровые модели позволяют обеспечить необходимую метрическую точность и информативность горной графической документации в соответствии с требованиями ГОСТ 2.851-75.

Важным элементом технологической цепочки, связанной с оцифровкой горной графической документации на бумажных носителях, является трансформация растровых моделей. Целью трансформации является устранение искажений в растровых моделях и получение метрически точных графических данных. Трансформации, как правило, подлежат растровые изображения, полученные путем сканирования бумажного оригинала, космические снимки, аэрофотоснимки. В данной работе рассматривались растровые модели, полученные с помощью сканирующего устройства (сканера).

Трансформирование растровых изображений реализовано практически во всех графических средах имеющих инструменты для работы с растровыми моделями. К ним относятся такие системы, как Arclnfo, Credo TRANSFORM, ГИС «Карта 2011», ERDAS Imagine, ObjectLand, Raster Transformer, MapEdit, Easy Trace, Spotlight Pro, GeoDraw, Raster Desk и другие.

Задача трансформации решается на основе координатной привязки и полного преобразования всего растрового изображения с использованием двумерных полиномов. Для расчета параметров преобразования необходимо задать исходные (с растра) и преобразованные (истинные) координаты группы опорных точек. Опорными называют точки на растровом изображении, координаты которых известны. В зависимости от вида преобразования и функций, которые при этом используются, можно выделить следующие основные типы трансформации: линейные (упрощенный вариант аффинной), аффинные, полиномиальные, локально-аффинные (линейный «Резиновый лист») и локально-полиномиальные (нелинейный «Резиновый лист»). Если первые три типа обеспечивают расчет параметров единой (на всю графическую область) функции преобразования, то последние основаны на кусочном задании этой функции для каждого элемента области. При рассмотрении полиномиальных преобразований в них обычно выделяют преобразования по порядку полинома (полиномы 2, 3, 4, 5 степени).

При выборе типа трансформирования следует учитывать условия получения растровых изображений графических документов. Условно растровые модели графических данных можно разделить на две группы.

Первая включает растровые модели, полученные путем сканирования оригиналов, которые хранились с учетом режимных условий, при которых обеспечивались условия сохранения документации, а их растровые образы были получены с помощью специализированных точных сканеров. Как показали исследования, полученные при таких условиях, растровые модели содержат незначительные однородные искажения, которые в большинстве случаев могут быть устранены на основе простейших линейных преобразований с минимальным набором опорных точек. К таким моделям в частности можно отнести маркшейдерские планшеты на твердой основе, хранящиеся в соответствии с требованиями Инструкции по производству маркшейдерских работ (РД 07-603-03) и отсканированные на специализированных сканерах.

Ко второй группе относятся растровые модели, содержащие искажения разной физической природы. Это искажения, полученные в процессе сканирования (при использовании бытовых сканирующих устройств и некачественном размещении оригинала на сканере), искажения вызванные деформацией самого оригинала и др. Для устранения такого рода сложных неоднородных деформаций, как правило, необходимо использовать нелинейные типы трансформации.

Учитывая многообразие видов трансформации и особые требования по метрической точности горной графической документации, была поставлена задача, выбрать тип преобразования, обеспечивающий оптимальные показатели исключения искажений в изображении при его трансформации. С этой целью были проанализированы результаты трансформации растровых моделей маркшейдерских планов по всем указанным типам преобразований. При этом фиксировались уровни остаточных деформаций по всей графической области.

В качестве примера, иллюстрирующего результаты такого анализа, приведем результаты трансформирования в ГИС «Карта 2011» растрового изображения представляющего собой отсканированное изображение (план), имеющее существенные деформации разной природы. Исходный растр имел размеры 4771x10765 пикселей,

М !

Рисунок 1 - Бинаризация с различным порогом: а) исходная линия, б) порог 193,

в) порог 205, г) порог 220.

Условные обозначения:~

- исходное положение оси линии,

- смещенная осевая линия.

0) о.

I—

о с

а: <тз х и си

У 3

а.

то СО X (V X

с!

Ф О.

0,6 0,5 0,4 5 0,3 0,2

ОД

□ 22 опорные точки

□ 38 опорных точек

Лл1

СКПх СКПу СКПх СКПу СКПх СКПу СКПх СКПу СКПх СКПу СКПх СКПу СКПх СКПу СКПх СКПу

линейный аффинный полином 2 полином 3 полином 4 полином 5 линейный нелинейный

степени степени степени степени "Резиновый "Резиновый

лист" лист"

Рисунок 2 - Результаты трансформирования с использованием различных типов преобразования

Рисунок 3 - Матрицы искажений, количество опорных точек 22, полиномиальное преобразование со

степенью полинома: а) 2, б) 3, в) 4, г) 5

Рисунок 4 - Искажения в центре растрового изображения

содержал изображение плана масштаба 1:2000, т.е. участок местности размером 806x1820 метров. Сканирование производилось на широкоформатном листопротяжном сканере Contex SD4430 с разрешением 300 dpi, глубиной цвета 8 бит (256 градаций цветов). На первом этапе трансформация производилась по 22 опорным точкам (точки рамки), далее по 38 точкам (все точки пересечений линий координатной сетки). На этапах вычислялись остаточные расхождения по осям X и У на опорных точках, и по их результатам - средняя квадратическая погрешность (СКП). На рисунке 2 представлены результаты трансформирования с использованием различных типов преобразования.

Анализ показал, что при линейном типе преобразования растрового изображения документов с неоднородными деформациями значения СКП максимальны. Данный тип преобразования часто не обеспечивает необходимой точности, предъявляемой к точности математической основы маркшейдерских планов, которая составляет 0.2 мм в масштабе плана (ГОСТ 2.851-75). При аффинном типе преобразования СКП практически всегда существенно уменьшается. Это объясняется тем, что в преобразовании аффинного типа, в отличие от линейного, рассчитываются все коэффициенты функции преобразования как независимые переменные (обеспечивается возможность использования разных масштабных коэффициентов по осям координат, учета скоса осей и т.п.).

При использовании нелинейных (полиномиальных) преобразований СКП может уменьшаться в ещё большей степени. В общем случае полиномиальный тип преобразования выполняется по следующим формулам:

Е«**'1". а)

/=0 j=о

= (2)

i=0 j=0

где, X' ,Y- координаты в выходной системе координат, X ,Y-координаты в исходной системе координат; а,... ап , bh.. Ъп-коэффициенты преобразования.

Как и следовало ожидать увеличение степени полинома приводит к уменьшению остаточных расхождений на опорных точках по осям X и У и, соответственно, к уменьшению значения суммарной

СКП. Однако при этом в зонах между опорными точками начинают проявляться весьма значительные деформации изображения, связанные с возникновением дополнительных экстремумов у функции преобразования, уровень которых определяется степенью полинома. Величины деформаций области трансформирования анализировались по функциям нелинейных поправок (рисунок 3). Значения элементов в матрице поправок определялись как разность между координатами, вычисленными по формулам полиномиального и аффинного типов преобразования. На рисунке 4 показаны типичные искажения в области растрового изображения между опорными точками при полиномиальном типе с использованием полинома пятой степени.

Статистический анализ качества трансформирования моделей второй группы показал, что использование полиномиального типа преобразования на основе полиномов второго порядка позволяет обеспечить метрическую точность (согласно ГОСТ 2.851-75) по максимальным остаточным расхождениям для большинства растровых моделей горной графической документации. При этом характер деформаций в областях между опорными точками монотонный, а уровни смещений контуров не превосходят значений заданных смещений на ближайших опорных точках.

Для типов преобразования: линейный и нелинейный «Резиновый лист» организация указанной выше оценки невозможна в силу специфики локального представления функции преобразования, при которой в опорных точках не будет остаточных расхождений. Главным недостатком таких преобразований является плохо контролируемые искажения на границах зон локальных функций. В этом случае при использовании локально-аффинного преобразования возможно проявление «переломов» в контурах на границах зон локальных функций. При использовании локально-полиномиального преобразования таких проблем не возникает (из-за использования сплайновых принципов обеспечения гладкости на границах зон локальных функций), но возможно проявление «переломов» и нестыковок в контурах на границах расчетных графических областей (планшетов). Гибкость алгоритма локально-полиномиальной трансформации обеспечивает наилучшие показатели исправления искажений растровых моделей, при этом используются полиномы не высокой степени (чаще всего 2-ой степени). К сожалению, такой тип трансформации реализуется в программных системах не всегда.

Итак, для растровых моделей первой группы рекомендуется применять аффинный тип трансформации, для моделей второй группы рекомендуется использовать полиномиальные типы трансформации с полиномами 2-й степени. И в том и другом случае на трансформируемых документах необходимо использовать в качестве опорных все точки с известными координатами, обеспечивая их равномерное покрытие.

Кроме указанных случаев растровых моделей в диссертационной работе рассмотрены случаи проявления сосредоточенных деформаций (на перегибах и разрывах) и специальные методы их устранения, где также можно ограничиться полиномиальными преобразованиями 2-ого порядка.

Рассматривая совокупность информации об объектах горной графической документации как базу данных, необходимо оперировать принципами, заложенными в методологию СУБД. Одним из таких базовых принципов является использование классификаторов информации, обеспечивающих системное разделение и организацию данных. В современной картографии создание цифровых топографических карт осуществляется на основе классификаторов геопространственной информации, реализующих разбиение всего множества объектов местности на определенные группы (классы), соответствующие группировке условных знаков. «Классификатор топографической информации» (Информация, отображаемая на картах и планах масштабов 1:500, 1:1000, 1:2000, 1:5000, 1:10000) являлся первой попыткой унификации представления цифровых топографических данных и первым (1986 г.) официально утвержденным документом ГУГК, обязательным для всех организаций, выполняющих топографо-геодезические и картографические работы. В 1999 г. центром «Сибгеоинформ» был разработан «Классификатор топографической информации для использования в автоматизированных системах цифрового картографирования

масштабов 1:500 - 1:10 ООО». Подобные классификаторы были разработаны НИИ прикладной математики и кибернетики (НИИПМК) при Горьковском государственном университете для цифровых топографических карт средних и мелких масштабов и компанией ЗАО Конструкторское бюро "Панорама" для цифровых топографических карт.

Учитывая специфику горной графической документации, связанную с требованиями постоянной актуализации, обеспечения доступности информации для многих подразделений (служб) горных предприятий (в режиме функционирования АСУП) и формы представления данных, прямое использование принципов заложенных в основу классификации объектов в цифровой картографии для объектов горной графической документации не приемлемо.

Классификатор для формирования горной графической документации должен выступать в качестве основы организации данных, структурированного и унифицированного представления информации о горно-геологических и горно-технических объектах, компьютеризации процессов обработки пространственной информации в цифровом виде в базах данных. При разработке классификатора необходимо выбрать такую систему классификации, которая обеспечит достаточное число ступеней деления, число группировок (классов), охватывающих все объекты горной графической документации и позволит организовать многопользовательский доступ к этим объектам в рамках функционирования АСУП.

Анализ существующих способов классификации позволил обосновать иерархический тип классификатора как наиболее близкий к традиционной организации объектов горной графической документации, разделенных в ГОСТах на взаимоисключающие группы, что позволяет обеспечить преемственность при переходе на цифровую технологию ведения горной графической документации.

В основу обоснования состава главных классификационных группировок положен системный подход, рассматривающий совокупность объектов, которые фиксируют в горной графической документации, как систему, образовавшуюся при взаимодействии природной подсистемы (геологической среды) и технологической подсистемы (рисунок 5). Геологическая среда (природная подсистема) состоит из пространственно связных частей - геологических объектов. В той части геологической среды, которая попадает в сферу интересов

■А Л

ЗЕМНАЯ ПОВІРХНО : ть ШОЧВЕННО-РЛСТІГ Е.ІЬНЬІЙ СЛОЙ)

ГОРНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

НАЗЕМНЫЙ КОМПЛЕКС

ПРОМЫШЛЕННЫЕ ЗДАНИЯ. СООРУЖЕНИЯ. КОММУНШСАЩШ

сфера интересов человека

ПОДЗЕМНЫЙ КОМПЛЕКС

ГОРНЫЕ ВЫРАБОТКИ ПРИ ОТКРЫТОМ И ПОДЗЕМНОМ СПОСОБАХ РАЗРАБОТКИ

ЦЕЛИКИ

ГРАНИЦА ГОРНОГО ОТВОДА

горно-геологиче

объекты:

-геологические

-геолого-промьи|1.

-горнотехничес

К II

ленные е

Рисунок 5 - Структурные блоки горного производства

Технические подсистемы

Горный транспорт

Вентиляция

Безопасность производства

- обеспечение безопасности горных работ

- обеспечение безопасности существующих объектов при недропользовании

Водоотлив н осушение

Электроснабжение

Вспомогательные сооружения, оборудования, .мероприятия

Маркшейдерские сети

Рисунок 6 -Технологические подсистемы систем горного производства

Таблица 1- Перечень классов на первом уровне классификатора объектов горной графической документации

Код Название слоя Назначение Технологическая подсистема

101000000 Маркшейдерские сети Главной геометрическая основа для выполнения съёмок горных выработок и решения горно -геометрических задач, связанных с обеспечением рациональной и безопасной разработки месторождений. Наземный и поземный комплекс

102000000 Границы горного предприятия Линии (границы), закрепленные на местности или условные, разделяющие какие-либо территории. Наземный и поземный комплекс

103000000 Целики Предотвращение развития недопустимых деформаций в массиве окружающих пород и предотвращение увеличения размеров зон разрушения. Подземный комплекс

104000000 Промышленные здания, сооружения, коммуникации. Широкого назначения Наземный комплекс

105000000 Горные выработки при открытом и подземном способе разработки Широкого назначения Подземный комплекс

106000000 Горный транспорт Система, обеспечивающая транспортировку горной породы, оборудования и людей. Подземный комплекс

107000000 Вентиляция Поддержание химического и физического состояния воздуха, удовлетворяющее гигиеническим требованиям, т. е. обеспечение определенных метеорологических параметров воздушной среды и чистоты воздуха в горных выработках Подземный комплекс

108000000 Электрическое оборудование и электроснабжение Совокупность электрических машин, приборов и устройств, посредством которых производится преобразование электрической энергии в другие виды энергии и обеспечивает автоматизацию технологических процессов Подземный комплекс

109000000 Водоотлив и осушение Обеспечение безопасности ведения горных работ Подземный комплекс

110000000 Вспомогательные сооружения, оборудования и мероприятия Широкого назначения Наземный и поземный комплекс

111000000 Опасные очаги и зоны. Мероприятия по борьбе с ними Обеспечение безопасности горных работ Подземный комплекс

112000000 Вредное влияние горных работ и защита объектов Обеспечение безопасности существующих объектов при недропользовании Подземный комплекс

113000000 Геологические объекты Обозначения горных пород, полезных ископаемых и условий их залегания, подлежащих изображению на чертежах горной графической документации Подземный комплекс

114000000 Оформление Создание горной графической документации согласно требованиям ГОСТов —

человека, образуются горно-геологические объекты - основные объекты, фиксируемые в горной графической документации. Для выделения в этих подсистемах классификационных группировок необходимо рассматривать их взаимодействие в пространственном и технологическом аспекте.

Рассматривая пространственную структуру технологической подсистемы необходимо выделить наземный и подземный комплекс. Если наземный комплекс, несмотря на свое многообразие, играет подчиненную роль, то подземный комплекс, гораздо более сложный и представительный, определяет облик предприятия - недропользователя. Для отображения на документах объектов первого комплекса необходимо использовать картографические нормы и увязывать обоснование их структуры с этими нормами. Для отображения второго, его объекты необходимо разделить на группы в соответствии с традиционной логикой ведения горной графической документации, когда выделяют такие группы объектов как: горные выработки, целики и границы недропользования.

Таким образом, в состав главных классификационных группировок должны быть включены: геологические объекты (как объекты, представляющие первичную подсистему), горные выработки (как основная и самая представительная группа объектов горной графической документации при недропользовании), целики и границы недропользования.

Рассматривая внутреннюю организационную структуру технологической подсистемы, в ней традиционно выделяют технические блоки (подсистемы), каждая из которых связана с функционированием специальных служб недропользователя (рисунок 6). К таким подсистемам относятся следующие группы объектов: водоотлив, вентиляция, маркшейдерские сети, горный транспорт, энергоснабжение и т.п. Такие группы при построении классификации следует рассматривать отдельно, так как каждая из них будет фиксировать область интересов подразделений и служб недропользователя, что обеспечит корректное использование горной графической документации в системе АСУП. Поэтому в состав классификационных группировок должны быть включены объекты технических подсистем (водоотлив, вентиляция, маркшейдерские сети и т.п.), которые выделяются по признакам функционального назначения.

Совокупность групп, выделенных при структурном анализе и анализе состава технических подсистем, позволяет определить состав классов на первом уровне иерархического классификатора объектов горной графической документации (таблица 1). Такой классификатор обеспечивает охват всех существующих объектов горной графической документации, позволяет упорядочить семантическую информацию по горно-геологическим объектам, в том числе и при регулярно изменяющихся качественных и количественных характеристиках. Негибкость иерархического классификатора может компенсироваться возможностью резервирования дополнительных классификационных групп (например, для тех групп объектов, которые в старых ГОСТах ещё не рассматривались) и применения подходящей для этих целей систем кодирования объектов. Так кодирование объектов можно осуществлять с применением последовательного метода, при этом используют 9-значный иерархический код.

Использование послоевого принципа и классификатора при организации графических данных позволит обеспечить простые процедуры формирования традиционных для горной графической документации документов, таких как совмещенные планы и др.

Представление геолого-маркшейдерской информации в единой унифицированной форме с использованием подобных классификаторов позволяет обеспечить условия для создания единого банка данных горно-геологических объектов РФ и сформировать методологические предпосылки к организации горного кадастра.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленная диссертация на соискания ученой степени кандидата технических наук является законченной научно-квалификационной работой, в которой содержится решение задачи перехода на цифровую технологию ведения горной графической документации при маркшейдерском обеспечении горного производства.

Основные научные и практические результаты диссертации заключаются в следующем:

1. Установлено, что горная графическая документация обладает рядом особенностей в сравнении с другими видами инженерной графики, которые в основном определяются спецификой горногеологических объектов.

2. Изучены методы получения геолого-маркшейдерской информации на месторождениях полезных ископаемых на разных стадиях их освоения. Показано, что используются различные методы обработки и интерпретации маркшейдерских и геологических съемок от традиционных с получением результатов на бумажной основе до использования различных продуктов и вычислительных средств.

3. Доказано, что переход на цифровую технологию ведения горной графической документации не подкреплен нормативными документами, современными и общепризнанными методическими разработками.

4. Исследованы параметры, обеспечивающие метрическую точность графических растровых моделей. Установлено, что разрешения и координатной привязки для этого недостаточно. Предложен учет параметров модели цвета. Приведены примеры.

5. При обосновании порога бинаризации для преобразования цветных моделей растровых изображений в монохроматическую модель предложено учитывать фактические параметры цвета, получившиеся при сканировании.

6. Дан глубокий анализ типов трансформации растровых изображений (линейные аффинные, полиномиальные, локально-аффинные и локально-полиномиальные).

7. Приведены рекомендации при выборе типов трансформации, позволяющие минимизировать искажения и получить метрически корректные графические модели, соответствующие требованиям действующих ГОСТов на горную графическую документацию.

8. Показано что при организации информации для горной графической документации целесообразно применение послойного принципа и классификатора объектов горной графической документации, регламентирующего разделение объектов на смысловые группировки.

9. Разработаны основные принципы технологии создания и ведения маркшейдерской горной графической документации в цифровом формате, определены ее структура и содержание, порядок формирования цифровой пространственной модели и ее использование для решения поставленной задачи.

Повышение эффективности маркшейдерского обеспечения недропользования, невозможно без нормативного и методического обеспечения цифровой технологии ведения горной графической

документации, в основу разработки которых должны быть положены результаты данной работы. Результаты работы также могут быть использованы напрямую в маркшейдерском обеспечении горного производства при использовании растровых моделей горной графической документации, для которых в работе сформулированы конкретные рекомендации.

Основные результаты диссертации изложены в статьях:

1. Базыкина Л.Р. Некоторые проблемы производства горной графической маркшейдерской документации в электронно-цифровом формате / Г.П. Жуков, И.П. Иванов, Л.Р. Базыкина // Записки Горного института, том 199, СПб, 2012 г., С.227 - 229.

2. Базыкина Л.Р. Преобразование растровых изображений горно-графической документации // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). - М.: МГГУ, 2013г. - №7 -С.376-379.

3. Базыкина Л.Р. К вопросу перевода бумажной горнографической информации в электронный вид // Межвузовский сборник трудов «Маркшейдерско-геодезическое обеспечение рационального использования, охраны недр и строительства сооружений», Новочеркасск, 2012г. - С.47-54.

4. Базыкина Л.Р. Параметры растровых моделей горнографической документации // Материалы III Международной заочной научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Современные проблемы освоения недр», Белгород: ИПК НИУ «БелГУ», 2013г. - С.59-64.

РИЦ Горного университета. 19.11.2013. 3.578. Т.100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Базыкина, Людмила Радиковна, Санкт-Петербург

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ СОЗДАНИЯ И ВЕДЕНИЯ МАРКШЕЙДЕРСКОЙ ГОРНО-ГРАФИЧЕСКОЙ ДОКУМЕНТАЦИИ В

ЦИФРОВОМ ВИДЕ

Специальность 25.00.16 - Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

04201453836

Базыкина Людмила Радиковна

Научный руководитель:

доктор технических наук, доцент В.Н. Гусев

Санкт-Петербург - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................5

ГЛАВА 1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ВЕДЕНИЯ МАРКШЕЙДЕРСКОЙ ГОРНОЙ ГРАФИЧЕСКОЙ ДОКУМЕНТАЦИИ .........................................................................................................................................12

1.1 Маркшейдерская горная графическая документация..........................................12

1.1.1 Особенности горной графической документации............................................12

1.1.2 Требования к геолого-маркшейдерской графике..............................................15

1.1.3 Краткий обзор развития технологии изготовления горной графической документации.................................................................................................................18

1.2 Современное состояние вопросов ведения маркшейдерской документации... 19

1.2.1 Способы хранения и представления информационных моделей данных......19

1.2.2 Цифровые модели данных...................................................................................20

1.2.3 Применение информационных систем в маркшейдерском деле....................23

1.2.4 Системы автоматизированного проектирования..............................................23

1.2.5 Геоинформационные системы............................................................................25

1.2.6 Специализированные горно-геологические программные системы..............26

1.3 Существующее нормативное и методическое обеспечение...............................27

1.4 Примеры использования методов автоматизированной обработки цифровых данных в маркшейдерском обеспечении....................................................................29

1.5 Программы автоматического распознавания растровых моделей.....................35

1.6 Постановка задач исследований............................................................................36

ГЛАВА 2 РАСТРОВЫЕ МОДЕЛИ ГРАФИЧЕСКИХ ДАННЫХ............................39

2.1 Назначение растровых моделей.............................................................................39

2.2 Получение растровых данных................................................................................40

2.2.1 Сканирование........................................................................................................40

2.2.2 Виды деформаций бумажной основы горной графической документации...42

2.2.3 Виды искажений растрового изображения при сканировании.......................43

2.3 Подготовка растровых изображений к векторизации.........................................44

2.4 Обоснование глубины цвета при сканировании..................................................48

2.4.1 Анализ распределения глубины цвета пикселей в растровых изображениях48

2.4.2 Обоснование порога бинаризации растровых изображений...........................52

2.5 Трансформация растровых моделей......................................................................56

2.5.1 Общие сведения о трансформации.....................................................................56

2.5.2 Подготовка геометрически скорректированной растровой основы для векторизации..................................................................................................................59

2.5.3 Сравнительный анализ различных методов трансформирования...................61

2.6 Выбор параметров модели цвета в растровых и векторных моделях................68

2.7 Обоснование пространственного разрешения растровых моделей...................70

ГЛАВА 3 ОРГАНИЗАЦИЯ ЦИФРОВЫХ ДАННЫХ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ ГРАФИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ.......................................................................................77

3.1 Традиционные принципы организации графических и семантических данных в цифровой картографии..................................................................................................77

3.1.1 Послоевой принцип организации данных.........................................................77

3.1.2 Объектно-ориентированный принцип организации данных...........................79

3.2 Основные методы классификации и кодирования объектов и характеристик цифровых моделей в инженерной практике...............................................................81

3.2.1 Общие правила и методы классификации.........................................................81

3.2.2 Системы кодирования информации...................................................................82

3.3 Обоснование системы классификации и кодирования для объектов маркшейдерской горной графической документации...............................................83

3.4 Правила цифрового описания объектов маркшейдерской документации......101

3.4.1 Общие правила цифрового описания объектов..............................................101

3.4.2 Правила цифрового описания точечных объектов.........................................102

3.4.3 Правила цифрового описания линейных объектов.........................................103

3.4.4 Правила цифрового описания площадных объектов......................................104

3.4.5 Правила цифрового описания объектов «подпись».......................................104

3.4.6 Правила атрибутивного (семантического) описания объектов.....................104

3.4.7 Правила цифрового описания пространственно - логических связей объектов • .......................................................................................................................................105

ГЛАВА 4 ТЕХНОЛОГИЯ СОЗДАНИЯ ЦИФРОВОЙ ГОРНОЙ ГРАФИЧЕСКОЙ

ДОКУМЕНТАЦИИ.....................................................................................................108

4.1 Создание цифровой горной графической документации..................................108

4.2 Контроль качества планов, пересоставленных в цифровой формат................116

4.3 Хранение информации..........................................................................................117

4.4 Защита информации..............................................................................................119

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................................123

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................................................................................125

ПРИЛОЖЕНИЕ А.......................................................................................................133

ПРИЛОЖЕНИЕ Б........................................................................................................137

ПРИЛОЖЕНИЕ В........................................................................................................141

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследований

Развитие горнодобывающего предприятия невозможно без качественной, надежной, своевременной, и достоверной горно-геологической и маркшейдерской информации. Традиционное представление графических данных в виде планов выполненных на бумаге не позволяет оперативно решать актуальные пространственные задачи. Трудоемкость анализа данных о горно-геологических объектах, невозможность быстрого внесения в них изменений (своевременной актуализации), ограниченность количества объектов, нанесенных на один план, невозможность трехмерного отображения делают такой способ представления неприемлемым для решения задач на горном предприятии.

В связи с широким развитием компьютерных технологий в настоящее время активно разрабатываются автоматизированные информационные системы САПР, ГИС, ГГИС, способные хранить базы графических моделей данных, имеющих координатную привязку. Данные системы позволяют хранить, оперативно получать, обрабатывать, пополнять, анализировать информацию о горногеологических объектах. Переход к цифровым моделям данных и использование в работе специализированных автоматизированных систем, обладающих широким набором средств по анализу и представлению пространственных данных, является необходимым условием эффективной обработки информации и создания горной графической документации на горном предприятии. Одна из проблем, возникающих при создании горной графической документации в цифровом виде — проблема преобразования графических данных из традиционных источников (бумажных носителей) в электронную форму. На данный момент не разработано полностью автоматическое преобразование графических данных нанесенных на бумажные носители, в электронную форму, позволяющую напрямую ее использовать в информационных системах.

Геолого-маркшейдерские графические документы имеют свои специфические особенности и существенно отличаются от других видов технических чертежей. Таким образом, актуальность темы диссертационного

исследования продиктована отсутствием методических и нормативных разработок регламентирующих создание цифровой маркшейдерской документации и необходимостью разработки технологии создания точной горной графической документации в цифровом виде. Кроме того, до сих пор не разработан классификатор объектов горной графической документации в том числе, нет цифровых классификаторов для существующих программных систем необходимых для создания единого информационного обеспечения для производства горных работ. Развитие современного горнодобывающего предприятия невозможно без качественной, надежной, актуальной и доступной горно-геологической и маркшейдерской информации. Маркшейдерская горная графическая документация один из наиболее важных типов документации недропользователя, характеризующаяся целым спектром специфических особенностей в сравнении с другими видами инженерной графики. К таким особенностям, прежде всего, относятся: высокая точность и координатная привязка графических моделей, геометрическая сложность отображаемых горногеологических объектов, необходимость постоянной актуализации данных, уровень секретности информации горной графической документации.

Вопросами методологии геоинформационного обеспечения, организации и представления геоданных занимались A.M. Берлянт, Ю.В. Тикунов, Е.Г. Капралов, A.B. Кошкарев, И.Г. Журкин, В.Я. Цветков, В.П. Кулагин, М.ДеМерс, Ю.К. Королев. Применению современных информационных технологий при геологическом и маркшейдерском обеспечении горных работ посвящены работы Г.П. Жукова, В.В. Ершова, В.Н. Сученко, A.A. Шоломицкого, Г.Б.Старикова, H.H. Грищенкова, Д.В. Яковлева, Э.Т. Денкевича, Д.С. Михалевича, И.П. Иванова, С.Н. Голубкова, С.П. Смирнова, Г.Н. Сычева, К.В. Пятницкого, A.B. Катаева, C.B. Лукичева и др.

Научная новизна работы состоит в:

установлении типов математических моделей трансформации, обеспечивающих минимизацию искажений растровых моделей до уровней, регламентированных действующими требованиями к горной графической документации.

Научные положения, выносимые на защиту:

Методы исследований. При выполнении диссертационной работы использовались методы вычислительной геометрии, математической статистически, машинной графики, обработки и распознавания растровых изображений.

Практическая значимость.

1. В работе обоснованы параметры растровых моделей графической документации, позволяющие обеспечить требуемую метрическую точность и корректную векторизацию при использовании автоматизированных процедур.

3. Предложен вариант классификатора объектов горной графической документации.

4. Составлено краткое руководство по созданию и ведению горной графической документации в цифровом виде.

Публикации. Основное содержание работы отражено в 4 публикациях, из них 2 в журналах, включенных в перечень ведущих рецензируемых научных изданий, определяемых ВАК Минобрнауки России.

Личный вклад автора состоит в постановке и решении задач исследования; в выполнении анализа научно-технической литературы по теме диссертационных исследований; в проведении анализа и сравнения современного программного обеспечения используемого при создании и ведении маркшейдерской документации; в разработке методики, позволяющей определить необходимые параметры сканирования горной графической документации для хранения и использования ее в растровом, векторном или гибридном (растрово-векторном) виде; в разработке специализированного классификатора объектов горной графической документации.

использованы маркшейдерскими службами горнодобывающих предприятий до принятия новых нормативных документов, регламентирующих ведение горной графической документации в цифровом виде.

Структура и объем работы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ Во введении обосновывается актуальность диссертации, определены цель и задачи исследования, приводятся защищаемые научные положения, изложены научная нов�

Информация о работе

Базыкина, Людмила Радиковна
кандидата технических наук
Санкт-Петербург, 2013
ВАК 25.00.16

Диссертация

Обоснование технологии создания и ведения маркшейдерской горно-графической документации в цифровом виде - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы