Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Обоснование способов внешнего ориентирования цифровых моделей горных выработок, получаемых по результатам съемок лазерно-сканирующими системами

ВАК РФ 25.00.16, Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр

Автореферат диссертации по теме "Обоснование способов внешнего ориентирования цифровых моделей горных выработок, получаемых по результатам съемок лазерно-сканирующими системами"

На правах рукописи

ВЫСТРЧИЛ МИХАИЛ ГЕОРГИЕВИЧ

ОБОСНОВАНИЕ СПОСОБОВ ВНЕШНЕГО ОРИЕНТИРОВАНИЯ ЦИФРОВЫХ МОДЕЛЕЙ ГОРНЫХ

ВЫРАБОТОК, ПОЛУЧАЕМЫХ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ СЪЕМОК ЛАЗЕРНО-СКАНИРУЮЩИМИ СИСТЕМАМИ

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

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005552098

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ - 2014

005552098

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:

Гордеев Виктор Александрович доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет», кафедра маркшейдерского дела, заведующий кафедрой

Науменко Александр Иванович кандидат технических наук, ООО «Экоскан», директор

Ведущая организация — ФГБОУ ВПО «Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I»

Защита диссертации состоится 19 июня 2014 г. в 11 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.224.08 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д. 2, ауд. 3416а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный» и на сайте www.spmi.ru.

Автореферат разослан 18 апреля 2014 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ ¿¿¿^ КОРНИЛОВ

диссертационного совета ЮРИЙ НИКОЛАЕВИЧ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы исследования

Результатом наземной лазерно-сканирующей съемки является множество точек лазерных отражений, формирующих цифровую модель местности, окружающей лазерный сканер. Итоговая модель объекта состоит из множества отдельных сканов, произведенных с различных точек установки прибора, приведенных к единой системе координат. Таким образом, качество и точность получаемой модели зависит не только от типа применяемого сканера и плотности сканирования, но и от точности внешнего ориентирования исходных сканов из исходной системы координат сканера в требуемую. Отечественный и зарубежный опыт лазерно-сканирующих съемок в условиях горного производства показывает ограниченную возможность применения стандартных методик внешнего ориентирования сканов, предлагаемых производителями лазерно-сканирующих систем. Специфические условия горных выработок накладывают существенные ограничения на геометрическую конфигурацию опорных точек, являющихся основой для решения задачи внешнего ориентирования, что приводит к увеличению влияния ошибки ориентирования сканов в общей сумме погрешностей итоговой модели. Практика проведения наземной лазерно-сканирующей съемки показывает, что ошибки, возникающие вследствие некорректного внешнего ориентирования моделей, достигают величин, в разы превышающих точность прибора. Указанные ограничения стандартных способов ориентирования сканов в совокупности с их недостаточной эффективностью обусловливают актуальность диссертационной работы.

Проведенные исследования выполнялись с учетом работ

A.Б. Велижева, А.И. Науменко, A.B. Комиссарова, А. В. Середовича,

B.А. Середовича, Е.М. Медведева - известных отечественных ученых в области применения лазерно-сканирующих технологий для геодезических съемок, а так же зарубежных исследований, проведенных PJ. Besl, N.D. McKay, Y. Chen, G. Medioni, Z. Zhang и S. Rusinkiewicz.

Цель работы - повышение точности и производительности маркшейдерских съемок с применением лазерно-сканирующих технологий путем оптимизации и комбинирования различных способов внешнего ориентирования моделей.

Идея работы заключается в адаптации наиболее эффективных способов внешнего ориентирования моделей к специфическим условиям лазерно-сканирующей съемки открытых и подземных горных выработок.

Задачи исследований:

- анализ и оценка существующих способов внешнего ориентирования сканов;

- определение способа оценки качества результирующей модели;

- разработка методических рекомендаций к проведению полевого этапа лазерно-сканирующей съемки в условиях горных выработок в целях достижения оптимальных условий для выполнения внешнего ориентирования моделей;

- исследование способов оптимизации моделей горных выработок при камеральной обработке результатов лазерно-сканирующей съемки.

Научная новизна работы:

1. Определены граничные условия дешифрирования марок внешнего ориентирования и установлена зависимость погрешности определения центра марки от ее положения относительно лазерно-сканирующей системы и от метрологических характеристик прибора.

2. Получены зависимости точности вычисления элементов внешнего ориентирования скана от погрешности определения марок внешнего ориентирования и их геометрической конфигурации относительно лазерно-сканирующей системы.

3. Определена зависимость положения границы, отвечающей предельной заданной точности модели, от ошибок внешнего ориентирования и метрологических характеристик применяемой лазерно-сканирующей системы.

Методы исследований:

- теоретические методы (способ наименьших квадратов, теория погрешностей измерений, методы математической статистики);

- анализ натурных данных лазерно-сканирующей съемки;

- моделирование результатов лазерно-сканирующей съемки при внешнем ориентировании моделей.

Достоверность и обоснованность научных положений и результатов работы подтверждается согласованностью теоретических ис-

следований с результатами, полученными при сканировании отвалов ОАО «БМУ» и ООО «Метахим», а также с экспериментальным моделированием процессов лазерно-сканирующей съемки.

Практическое значение работы

1. Разработаны методические рекомендации к проведению полевого и камерального этапов съемки горных выработок лазерно-сканирующими системами.

2. Разработан способ определения погрешности результирующей цифровой модели на основе теории случайных функций.

3. Разработана методика проведения полигонометрического ла-зерно-сканирующего хода.

4. Результаты диссертационной работы рекомендуется применять:

- при планировании и проведении работ по наземной лазерно-сканирующей съемке горных выработок;

- в учебном процессе при подготовке студентов по направлению «Лазерно-сканирующие технологии в маркшейдерском деле».

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на 52ой Международной научной конференции Краковской горнометаллургической академии (Польша, декабрь 2011 г.), на Международной конференции Фрайбергской горной академии «Innovations in Mineral Industry» (Германия, июнь 2012 г.), на Всероссийской научно-практической конференции «Новые технологии в горном деле, геологическом и маркшейдерско-геодезическом обеспечении горных работ» (г. Санкт-Петербург, НМСУ «Горный», октябрь 2012 г.), на XV Международном маркшейдерском конгрессе (г. Аахен, Германия, сентябрь 2013 г.) и на заседаниях кафедры маркшейдерского дела НМСУ «Горный» (2011-2014 г.).

Личный вклад автора

- сбор натурных данных, полученных при проведении деформационного мониторинга отвалов ОАО «БМУ» и ООО «Метахим», включающего четыре лазерно-сканирующие съемки, общей площадью свыше 500 га;

- проведение анализа различных способов внешнего ориентирования сканов;

- установление аналитических зависимостей погрешности определения элементов внешнего ориентирования от конфигурации марок внешнего ориентирования;

- разработка и апробация методик проведения лазерно-сканирующей съемки с применением предложенных способов ориентирования сканов.

Публикации. Основное содержание работы отражено в 8 печатных работах, из них 5 - в журналах, включенных в перечень ведущих рецензируемых научных изданий, определяемый ВАК Минобр-науки России, и в 1 патенте.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 167 страницах машинописного текста, содержит 4 главы, введение, заключение, библиографический список из 150 наименований. В работе 57 рисунков и 6 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе приведены общие сведения о наземной лазер-но-сканирующей съемке. Сформулирована задача внешнего ориентирования сканов. Проведен обзор существующих способов внешнего ориентирования сканов. Описаны подходы к оценке точности решения задачи внешнего ориентирования.

Во второй главе описаны возможные способы определения центра марок внешнего ориентирования. Определен критерий для дешифрирования марок внешнего ориентирования. Изложены результаты исследований по оценке точности определения марок внешнего ориентирования и элементов внешнего ориентирования скана. Определены предельные границы модели, исходя из требуемой точности. Для планирования работ предложен способ прогнозирования затрачиваемого времени при проведении полного цикла работ на отдельной станции сканирования.

Третья глава посвящена принципам автокорреляционного взаимного ориентирования сканов (ICP-алгоритму). Описаны основные способы отбраковки шумовых точек на сканах, разряжения облаков точек лазерных отражений, оптимизации полигональных поверхностей. Рассмотрена методика создания модели отвала на основе ICP-алгоритма. Предложен способ оценки точности результи-

рующей модели на основе статистической теории случайных функций.

В четвертой главе рассмотрены ограничения, накладываемые на лазерно-сканирующую съемку в подземных горных выработках, и существующие методики их съемки. Предложен способ оптимизации лазерно-сканирующего хода на основе непосредственного определения элементов внешнего ориентирования.

Основные результаты исследований отражены в защищаемых положениях:

1. При ориентировании моделей по маркам внешнего ориентирования оценку погрешности угловых элементов внешнего ориентирования eut] целесообразно проводить, исходя из общей погрешности определения марок и величин проекций, образованных периферийными марками на соответствующие координатные оси.

Создаваемые при лазерно-сканирующей (ЛС) съемке модели объектов формируются из множества независимых сканов, производимых с различных точек установки прибора (станций сканирования). При этом изначально каждый скан находится в собственной, условной, системе координат (СК). Приведению исходной СК скана к целевой служит задача внешнего ориентирования. Решение данной задачи требует определения 3 угловых и 3 линейных элементов внешнего ориентирования (ЭВО), выражающих величину необходимой трансформации. Погрешности ЭВО могут многократно превышать паспортную точность прибора, и являться основной причиной погрешности создаваемой модели.

В настоящее время наиболее распространенный способ внешнего ориентирования сканов основан на наборе стационарно закрепленных в пространстве опорных точек, координаты которых известны в исходной и целевой СК. При этом расположение опорных точек относительно лазерно-сканирующей системы (ЛСС) можно принять мерой обусловленности сети, характеризующей влияние на точность ориентирования ошибок, присутствующих в исходных данных. Фактически, при допущении о безошибочном определении опорных точек в исходной и целевой СК, ЭВО будут также безошибочно определены при условии, что расположение опорных точек не

сводит уравнения (1) к линейно-зависимому виду (эффект «прямой линии»).

Ft=X0+aíX+aiY + a3Z-Xm=tí\ (1)

F2 = Y0+blX + Ь2У + b}Z -Ym = О F,=Z0+c,X+c2K + c,Z-Zm =0

где Хвн, Ym, Zm и X,Y,Z- соответственно координаты опорных точек скана в целевой и исходной СК; Х0, Y0, Z0 - линейные ЭВО; аи а2, а3,..., с3 - функции от угловых ЭВО, определяющие требуемый разворот координатных осей.

Отсутствие у большинства J1CC средств для прямого визирования приводит к необходимости использования в качестве опорных точек специальных марок внешнего ориентирования (МВО). Специфика получаемых в результате сканирования данных требует от МВО возможности их дешифрирования на обзорном скане с последующим определением их геометрического центра. Наиболее распространенными типами МВО, используемыми при JIC съемке открытых территорий, являются цилиндрические марки, покрытые светоотражающей пленкой. Для дешифрирования МВО и фильтрации шумовых и фоновых точек был определен критерий граничной интенсивности, характеризующий отражающие свойства покрытия марки и равный для JICC Riegl LMS-z420i 46.5% от мощности начального сигнала [1].

Положение направления на центр МВО может быть определено как центр тяжести воксельного изображения скана марки. При условии точного определения относящихся к МВО точек такой подход является универсальным для всех типов МВО. Результаты исследования точности определения центра МВО приведены в диссертации и работе [2].

Погрешность определения координаты центра МВО (mXyz) будет зависеть от расстояния между МВО и JICC (R), общей угловой погрешности (m^,) (вызываемой дискретностью измерений, и ошибками определения JICC направлений), ошибками вызванными наклоном лазерного луча к поверхности МВО (тмв) и погрешности измерения ЛСС расстояний (mMRf

= , Л

+ т'ий + т-и

(2)

где р - количество секунд в одном радиане, равное 206265".

Для стандартных МВО ЛСС ЬМ5-7420к установленных с отклонением 10° от горизонта, график зависимости (2) примет вид, изображенный на рисунке 1.

Рисунок 1. Погрешность определения плановых координат т„ и высоты т, стандартной МВО ЛСС Riegl ЬМ8-г4201 Нахождение погрешности ЭВО определялось статистическим методом Монте-Карло, для чего в координаты исследуемой схемы расположения МВО по закону нормального распределения вносились ошибки, соответствующие общей погрешности определения координат МВО в исходной и целевой СК.

Для выявления общих закономерностей влияния расположения МВО относительно ЛСС было смоделировано 4 ситуации, представленные на рисунке 2. В каждой исследуемой схеме использовалось 8 МВО, равномерно распределенных в задаваемом секторе. Для каждой ситуации задавалось различное удаление МВО от ЛСС, соответствующее 5м, Юм, 15м, 25м, 50м, 75м, 100м.

Результаты моделирования для ошибок определения МВО, определенных по выражению (2), представлены в таблицах 1-4. Исследование показало, что во всех рассматриваемых ситуациях ЭВО Х0 и У0 определяются с погрешностью, не превышающей задаваемую ошибку в определении МВО. Аналогичная ситуация наблюдается с

элементом 20 для рассматриваемых ситуаций «А», «Б» и «В». При моделируемой ситуации «Г», МВО образуют между собой площадь, значительно меньшую, чем в других ситуациях, и выступают в качестве «шарнира», что, в свою очередь, приводит к увеличению погрешности ЭВО 20. Для снижения данного эффекта при ситуациях, близких к позиции «Г», рекомендуется увеличивать «жесткость» сети МВО, размещая хотя бы одну из марок вблизи ЛСС.

При симметричном расположении МВО относительно координатных осей (ситуации «А», «В», «Г») погрешности ЭВО е и г\, отвечающие за разворот вокруг осей X и У соответственно, принимают примерно равные значения. Аналогичные значения принимает погрешность ЭВО ц в моделируемой ситуации «Б», в которой длина проекции, образованной МВО на ось X, соответствует величинам проекций в ситуациях «А» и «В».

Исходя из этого, для выявления общей закономерности изменения погрешности угловых ЭВО ей;/ целесообразно рассматривать их зависимость не как функцию удаления МВО от ЛСС, а как функцию величины проекции, образованной периферийными МВО, на соответствующие оси координат. Приняв в качестве аргумента функции значение проекции, образованной периферийными МВО на ось, а в качестве значения функции - соответствующее значение погрешности, искомая зависимость для различных погрешностей определения МВО примет вид, изображенный на рисунке 3.

Погрешность определения ЭВО £ отвечающего за разворот вокруг вертикальной оси Ъ, во всех моделируемых ситуациях не превышает погрешности элементов г и г\.

При анализе полученных зависимостей, эвристически было получено выражение (3), наиболее точно обобщающее результаты моделирования.

/...

тСГ} = агсЦ

(3)

где тг >1 - погрешность определения ЭВО в и г|; тХГ2 - общая погрешность определения МВО в исходной и целевой СК; Ь - величина проекции, образованной периферийными МВО, на соответствующие оси координат.

Выражение (3) справедливо для тех случаев, когда выполняется условие:

тх„2 >тх 2 +ту 2 +ту 2, (4)

где тХо, Щуо и т10 - погрешности линейных ЭВО вдоль соответствующих осей координат.

В случае невыполнения условия (4), погрешность в определении положения ЛСС начинает оказывать собственное влияние на погрешность угловых ЭВО. Исходя из этого, вычисление ожидаемой погрешности ЭВО может быть приблизительно произведено по выражению:

,/т„ ' + тг2 +т,

V Ло 'о

т *агав

(5)

Проверка выражений (4) и (5) производилась путем сравнения рассчитанных значений погрешности со значениями погрешностей, определенных по методу Монте-Карло. В качестве исходных конфигураций МВО принимались фактические положения марок, полученные при выполнении ЛС съемок отвалов ОАО «БМУ» и ООО «Метахим». Различия в полученных значениях погрешности ЭВО между обоими способами не превысили 8", что находится в пределах паспортной точности определения направлений используемой ЛСС.

2. Для создания моделей открытых горных выработок следует производить взаимное ориентирование сканов по итеративному алгоритму ближайшей точки с контролем точности результирующей модели посредством статистической теории случайных функций.

Основываясь на выводах первого защищаемого положения, можно заключить, что ориентирование сканов, основанное на применении опорных точек, имеет существенные ограничения. Погрешности определения ЭВО приводят к неравным значениям ошибок модели в различных ее областях, требующих отбраковки существенных площадей модели, достигающих в некоторых ситуациях 70% от ее общей площади. Затраты времени на установку и снятие МВО занимают порядка половины общего времени работ на станции, а определение положения МВО во внешней СК требует постоянного сопровождения работ независимой геодезической бригадой.

Однако, следует отметить, что в данных, получаемых в процессе JIC съемки, может быть достаточно информации для взаимного ориентирования моделей, исходя из аналогии формы их перекрывающихся участков. В начале девяностых годов зарубежными учеными P.J. Besl и N.D. McKay (1992), Y. Chen и G. Medioni (1992) и Z. Zhang (1994) был разработан итеративный алгоритм ближайшей точки, или ICP-алгоритм (от англ. iterative closest point). В дальнейшем названный алгоритм получил множество различных улучшений, широко освещенных в зарубежных публикациях, сохранив при этом свою основную идею неизменной. Комментируя освещенность данной темы в отечественной научной литературе, необходимо отметить работы А.Б. Велижева, посвященные нахождению необходимой для ICP-алгоритма начальной трансформации моделей, получаемой по их ориентационным гистограммам.

ICP-алгоритм производит взаимное ориентирование пары моделей, одна из которой признается целевой и не изменяет своего положения, вторая модель принимается подвижной и стремится занять положение, наиболее близкое к целевой. При каждой итерации, на основе некоторых наборов точек, по определенному правилу выбираемых из целевой и подвижной модели, вычисляются матрицы трансформации разворота (А) и линейного сдвига (Г), при которых положение точек с подвижной модели принимает положение, наиболее близкое к соответствующим точкам целевой модели. Произведя над подвижной моделью полученную трансформацию, на основе постоянного или нового набора точек, вычисляются последующие значения матриц трансформации A„+i и Тп+1, минимизирующие функцию f(R,Т). Итерации повторяются до тех пор, пока общая ошибка расстояний между соответствующими точками на п+1 итерации не примет значения ниже задаваемого порога или не будет выполнено полное количество задаваемых пользователем циклов.

Исходя из сформулированного принципа ICP-алгоритма, можно выявить его основное ограничение - применимость только к предварительно сориентированным моделям. При некорректном начальном ориентировании велик риск сведения моделей в ложный локальный минимум. Такое сведение также возможно при недостаточной информативности моделей (малом перекрытии, отсутствии

Рисунок 2 - Исследуемые схемы расположения МВО

Величина проекции на ось координат периферийных марок внешнего ориентир ования, м

Рисунок 3 - Зависимость определения ЭВО от величины проекции периферийных МВО на ось координат

Таблица 1 - Погрешности определения ЭВО для моделируемой ситуации «А»

Я те (сек) тг] (сек) т£ (сек) тХ0 (мм) тУ0 (мм) т20 (мм)

10 112 102 78 2 3 3

25 39 38 40 4 4 4

50 22 20 15 4 5 4

75 13 16 12 4 4 4

100 11 14 11 4 5 4

Таблица 2 - Погрешности определения ЭВО для моделируемой ситуации «Б»

Я те (сек) тг) (сек) тс, (сек) тХ0 (мм) тУ0 (мм) т20 (мм)

10 161 92 297 10 7 6

25 83 42 48 3 5 6

50 30 21 23 3 4 6

75 31 20 18 4 5 7

100 25 15 11 5 6 7

Таблица 3 - Погрешности определения ЭВО для моделируемой ситуации «В»

Л /ие (сек) тг} (сек) т£, (сек) тХ0 (мм) т Т0 (мм) /^о (мм)

5 244 231 133 3 4 4

10 96 139 82 3 3 3

25 41 48 33 4 3 3

50 24 23 17 3 3 4

75 13 16 11 4 4 5

100 10 9 6 4 4 3

Таблица 4 - Погрешности определения ЭВО для моделируемой ситуации «Г»

К те (сек) ту (сек) т£ (сек) тХ0 (мм) тКо (мм) (мм)

5 942 1013 324 6 5 28

10 508 465 169 7 6 27

25 202 198 62 6 6 29

50 102 83 33 6 6 27

75 50 56 21 6 6 22

100 53 59 14 6 4 33

Х1О), х20), х^), хп(1) - реализации случайной функции; 1:ь 1™ - сечения

Рисунок 7 - Схема к определению линейного ЭВО Zo

характерных участков) или их близости к так называемым «неустойчивым» формам (рисунок 4).

Рисунок 4 - Примеры объектов с «неустойчивой» формой

На качестве выполнения ICP-алгоритма могут негативно сказываться «шумовые» точки и неравномерная плотность ориентируемых моделей. В диссертационной работе рассмотрены основные причины возникновения шумов и способы их фильтрации, а так же основные подходы к разряжению сканов и оптимизации полигональных моделей.

Возможность применения ICP-алгоритма для создания моделей горных объектов была апробирована при создании модели отвала ОАО «БМУ», площадью свыше 100 га, высотой порядка 50 м. Всего для создания модели было выполнено 37 сканов с угловым шагом 0,06° (выбранного исходя из необходимой для ICP-алгоритма плотности моделей и ресурса аккумуляторной батареи ЛСС).

Опытным путем было установлено, что для нормальной работы алгоритма нежелательно увеличивать число полигонов в поверхностях свыше 150 - 200 тысяч. Добиться этого можно, производя разряжение исходных облаков точек и регулируя минимальный размер ячейки полигональной поверхности. Учитывая значительное изменение плотности точек внутри скана, в работе рекомендуется производить разряжение скана, исходя из задаваемого критерия минимального расстояния между точками. Оценить долю точек в модели после разряжения относительно начального количества можно по экспериментально полученной зависимости (рисунок 5).

Оптимизация полигональных моделей производилась путем выбора размера формирующих поверхность полигонов обратно пропорционально величине кривизны аппроксимируемого участка поверхности.

Обработка и ориентирование сканов производилась в программном продукте Rapidform XOR3. После обработки всех сканов,

2 сдвига. I вращение 3 вращения

вращение. 1 сдвиг ! вращение

1 сдвиг

производилось их последовательное предварительное взаимное ориентирование путем указания соответствующих точек, в качестве которых использовались однозначно определяемые, удаленные друг от друга объекты (осветительные мачты, характерные точки рельефа и т. п.). В большинстве случаев, для корректного предварительного ориентирования было достаточно указать 3-4 соответствующие точки. Описанная операция производилась непосредственно для каждого скана. После чего производилось взаимное ориентирование

моделей в малом диапазоне трансформаций._

100--,-,----,-------------

О — - — 1 ______

о 0.25 0.5 0.75 1

Порог разряжения, м

Рисунок 5 - Зависимость процентной доли точек в модели от величины порога разряжения После общего взаимного ориентирования проверяется качество модели. Ориентирование по 1СР-алгоритму гарантирует в модели наличие областей с многократным перекрытием сканов. Приняв в таких областях каждый профиль, получаемый в результате сечения скана, как реализацию случайной функции, можно получить семейство реализаций случайных функций, по которому возможно качественно и количественно оценить характер связи между составляющими общую модель сканами (рисунок 6).

Расчитав для каждого из сечений математическое ожидание *(/;) (6), дисперсию a2(tj) (7) и среднеквадратическое отклонение

(СКО) сг(гу) (8), можно сделать выводы о качестве взаимного ориентирования сканов, составляющих общую модель.

Л 5 /)

о-(/у) = л/о-2(гу) ■ (8)

При неудовлетворительном результате выбивающиеся сканы проходят повторное ориентирование до момента занимания ими верного положения. После чего выполняется построение результирующей поверхности, соответствующей положению математического ожидания х(^).

Так как на данном этапе создания модели работа ведется со сканами, находящимися в собственных СК, результирующая модель принимает в пространстве произвольное положение. Ориентирование результирующей модели осуществляется по 1СР-алгоритму, в котором она выступает в роли подвижной модели, а целевые сканы находятся в требуемой СК.

Анализ рассматриваемой модели отвала показал, что СКО сканов, ориентируемых по 1СР-алгоритму, не превышает в среднем 100 мм, что удовлетворяет точности проведения съемки в масштабе 1:500 с запасом более чем в 1.5 раза.

3. При создании моделей подземных горных выработок внешнее ориентирование моделей следует производить с принудительным заданием линейных элементов внешнего ориентирования, определяемых для последующей станции на основе результатов съемки с предыдущей.

ЛС съемка подземных горных выработок (ПГВ) является сугубо маркшейдерской задачей, требующей для своего выполнения специальных методик. Любую ЛС съемку необходимо производить исходя из специфических условий места проведения работ, и в случае ПГВ она сопряжена с большим количеством станций сканирования, вызываемых малым эффективным радиусом съемки. Из-за большого количества станций сканирования передача внешних координат на МВО каждого скана эргономически неоправданна, из чего ЛС съемку ПГВ обычно производят по методике «лазерно-сканирующего хода». По этой методике взаимное ориентирование смежных сканов производится по общим МВО. Данная методика удобна при съемке линейных сооружений, так как позволяет сократить объем работ по передаче внешних координат на МВО. Однако,

создать геометрическую конфигурацию МВО, достаточно обусловленную для точного ориентирования сканов, в ПГВ малого сечения практически невозможно. Существующие методические решения требуют размещения МВО практически по всей площади выработки, а необходимое при этом размещение марок вблизи горизонтального диаметра выработки труднореализуемо на практике и требует разработки специальных решений для своего осуществления.

Принципиально схему проведения лазерно-сканирующего хода можно разбить на следующие звенья: «...- измерения - вычисления - измерения - ...», соответствующие местам установки сканера и МВО. Исходя из результатов исследования видно, что даже при благоприятном расположении МВО погрешности определения ЭВО превышают непосредственные погрешности измерений. Таким образом, очевидно, что для повышения точности модели в приведенной выше принципиальной цепи следует заменить звенья «вычислений» на дополнительные звенья «измерений».

Предлагаемая далее методика была разработана и проверена для ЛСС Z+F IMAGER 5006, имеющей возможность горизонтирова-ния и установки в стандартную подставку типа «WILD», и может быть применена для любых ЛСС, обладающих указанными приспособлениями.

Исходя из того, что ЛСС сгоризонтирована (угловые ЭВО е и г| приведены к нулю), для ориентирования отдельного скана в требуемую СК достаточно определить угловой ЭВО <f, определяющий разворот вокруг вертикальной оси Z, и координаты центра сканера, соответствующие линейным ЭВО Х0, Y0 и Z0.

Фактически приведенная задача аналогична ориентированию классических геодезических приборов, с той разницей, что в используемой ЛСС не предусмотрено аппаратной возможности для независимого центрирования над точкой и определения высотной отметки прибора относительно точки установки.

В предлагаемой методике ведения ЛС съемки ПГВ для определения неизвестных ЭВО предлагается объединить существующую методику ведения полигонометрии с потерянными точками и адаптированную методику тригонометрического нивелирного хода.

В силу принудительного центрирования вертикальная ось ЛСС будет соосна вертикальной оси МВО, установленной в подставке до нее. Исходя из этого, линейные ЭВО Х0 и У0 будут равны соответствующим координатам станций полигонометрического хода.

Угловой ЭВО с можно рассчитать как разность дирекционных углов стороны в полигонометрическом ходе (ахола) и в условной системе координат сканера (аск сканера)'-

"г = аХОШ ~~ ^"СКСКАНЕРА ■ (9)

Оставшийся линейный ЭВО соответствующий высоте фазового центра ЛСС в требуемой СК, можно определить из тригонометрического нивелирного хода, в каждый пикет которого вводится поправка за несоответствие высоты центра визирной марки и фазового центра сканера - к.

Исходя из схемы на рисунке 7, ЭВО для /'-той станции хода может быть рассчитан по формуле:

2„,=20+]Гд1^,+кг (10)

1=1

где 7,0 - высота фазового центра сканера на начальной станции, определяемая по МВО; Ага-1>.1 - превышение между фазовым центром сканера на /-1 станции и передней визирной маркой.

Поправка к имеет собственное постоянное значение для каждой пары «марка-сканер». В диссертационной работе предлагается несколько способов лабораторного определения поправки к, основанных на знании пространственного положения ЛСС и визирной марки или определении поправки через относительные превышения между парами «ЛСС - плоскость» и «визирная марка - плоскость».

После определения всех неизвестных ЭВО для каждой станции сканирования по выражению (11) производится перевычисление координат точек каждого скана в общую СК.

При использовании ЛСС без возможности точного горизонти-рования предлагаемая методика съемки может быть использована для получения начального ориентирования моделей, необходимого для выполнения 1СР-алгоритма.

Разработанная методика ЛС съемки позволяет создавать модели ПГВ любых сечений, и может быть также использована при про-

ведении ЛС съемки любых линейных объектов. Уменьшение количества участвующих в прокладываемом ходе МВО сокращает необходимый объем дополнительного сканирования и делает съемку более эффективной как с точки зрения затрачиваемого времени, так и трудоемкости работ.

-вт^. 0

У/ у, сох д, 0 Го,

г; г, 0 0 1

1 1 0 0 0 1

где Х'и У), 2', - координаты точек скана в требуемой СК; Х„ Уь 2, -координаты точек скана в исходной СК; £ Х0„ Г0„ 2о, - ЭВО скана на /-той станции.

Близость предложенной методики к классическим способам проведения маркшейдерских и геодезических изысканий позволяет без существенных изменений перенять методические рекомендации по проведению съемок, а так же досконально изученный математический аппарат по уравниванию проводимых ходов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленная диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук является законченной научно-квалификационной работой, в которой на базе теоретических и экспериментальных исследований предлагается решение актуальной научно-технической задачи - разработки и обоснования способов внешнего ориентирования моделей, получаемых в процессе лазерно-сканирующей съемки горных выработок.

Полученные в работе результаты и сформулированные на их основании методики съемки и обработки моделей были проверены на практике при проведении многократных лазерно-сканирующих съемок горных объектов и при моделировании условий съемки, эквивалентных условиям подземных горных выработок. Согласованность теоретических и практических результатов говорит об их достаточной надежности и возможности использования как на этапе создания проектов маркшейдерских лазерно-сканирующих съемок горных выработок, так и при проведении непосредственной съемки и обработки ее результатов.

Основные научные и практические результаты диссертации заключаются в следующем:

- предложен способ дешифрирования точек, относящихся к маркам внешнего ориентирования на сканах, позволяющий отфильтровывать шумовые точки, образующиеся вследствие дивергенции лазерного луча, и точки окружающего фона, повышая тем самым надежность определения центров марок;

- получены зависимости погрешности определения центров марок внешнего ориентирования, позволяющие обозначить максимальную точность решения задачи внешнего ориентирования для различных вариантов геометрического расположения марок относительно лазерно-сканирующей системы;

- в результате исследований предложена эвристическая оценка обусловленности геометрического расположения марок относительно лазерно-сканирующей системы, которая может применяться для составления проектов работ по лазерному сканированию и при разработке методических решений по лазерно-сканирующей съемке;

- предложена методика лазерно-сканирующей съемки горных выработок с использованием автокорреляционного алгоритма ориентирования сканов (1СР-алгоритм), позволяющая сократить общее время работ и количество необходимых для ее выполнения исполнителей;

- исследованы способы фильтрации, разряжения и оптимизации моделей, позволяющие снизить влияние на внешнее ориентирование сканов автокорреляционными алгоритмами неравномерной плотности сканов и присутствующих в них шумов. Описанные способы подготовки сканов могут также применяться при обработке результирующей модели, сформированной сканами, прошедшими предварительное внешнее ориентирование;

- предложен способ определения погрешности общей результирующей модели на основе применения теории случайных функций, позволяющий количественно оценить среднеквадратическое отклонение модели в различных ее участках;

- разработана методика проведения лазерно-сканирующей съемки линейных объектов, которая позволяет, в отличие от традицион-

ных методик, создавать модели подземных горных выработок любых сечений и делает съемку выработок более оперативной за счет уменьшения количества марок внешнего ориентирования и объема дополнительного сканирования, необходимого для их съемки.

В заключение работы следует подчеркнуть, что повышение эффективности маркшейдерской лазерно-сканирующей съемки невозможно без научно обоснованного выбора способа внешнего ориентирования моделей. Отсутствие в существующих отечественных нормативных документах указаний по проведению лазерно-сканирующей съемки в значительной степени ограничивает полноценное внедрение данной технологии в производство. Результаты представленной работы могут быть использованы при составлении проектов маркшейдерских работ, а также для создания нормативных документов, регламентирующих лазерно-сканирующую съемку горных выработок.

Основные результаты диссертации изложены в статьях:

1. Выстрчил, М.Г. Определение критерия граничной интенсивности для дешифрации марок внешнего ориентирования при производстве наземной лазерно-сканирующей съемки [Текст] / М.Г. Выстрчил // «Маркшейдерский вестник».- 2014 г.- №1- С. 27-30;

2. Выстрчил, М.Г. Погрешность определения положения цилиндрических марок внешнего ориентирования относительно лазерно-сканирующей системы [Текст] / М.Г. Выстрчил, В.Н. Гусев // «Маркшейдерский вестник»,- 2014 г.- №1 - С. 30-36;

3. Выстрчил, М.Г. Оптимальная дистанция между цилиндрическими марками внешнего ориентирования и лидарной системой [Текст] / М.Г. Выстрчил // Записки Горного института, том 204-2013.-С. 134-138;

4. Выстрчил, М.Г. Способ определения вертикальных сдвижений и деформаций с помощью лазерно-сканирующих систем [Текст] / М.Г. Выстрчил, В.Н. Гусев // Записки Горного института, том 199,— 2012.- С. 245-248;

5. Выстрчил, М.Г. О влиянии местоположения марок внешнего ориентирования на точность лазерно-сканирующей съемки [Текст] / М.Г. Выстрчил, В.Н. Гусев, В.К. Носов [и др.] // «Маркшейдерский вестник»,- 2011 г.- №5- С. 28-32.

РИЦ Горного университета. 15.04.2014. 3.268. Т.100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Выстрчил, Михаил Георгиевич, Санкт-Петербург

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

На правах рукописи

—" --ИЦГТ" ^

л / 1 л 4 /. Е0701

Выстрчил Михаил Георгиевич

ОБОСНОВАНИЕ СПОСОБОВ ВНЕШНЕГО ОРИЕНТИРОВАНИЯ ЦИФРОВЫХ МОДЕЛЕЙ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК, ПОЛУЧАЕМЫХ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ СЪЕМОК ЛАЗЕРНО-СКАНИРУЮЩИМИ СИСТЕМАМИ

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

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, доцент В.Н. Гусев

Санкт-Петербург - 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

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

ГЛАВА 1 ФОРМУЛИРОВАНИЕ ЗАДАЧИ ВНЕШНЕГО ОРИЕНТИРОВАНИЯ СКАНОВ И ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ СПОСОБОВ ЕЕ РЕШЕНИЯ................10

1.1 Общие сведения о наземной лазерно-сканирующей съемке...............................10

1.1.1 Принципиальная схема работы наземной лазерно-сканирующей системы... 10

1.1.2 Способы представления результатов лазерно-сканирующей съемки.............13

1.2 Формулировка задачи внешнего ориентирования сканов...................................15

1.3 Существующие способы решения задачи внешнего ориентирования сканов.. 19

1.3.1 Прямой способ определения элементов внешнего ориентирования...............19

1.3.2 Аналитический способ ориентирования моделей, основанный на наличии набора опорных точек....................................................................................................23

1.3.3 Автокорреляционное ориентирование сканов, по аналогии формы

перекрывающихся участков..........................................................................................29

ГЛАВА 2 ВНЕШНЕЕ ОРИЕНТИРОВАНИЕ МОДЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ ФИКСИРОВАННОГО НАБОРА ОПОРНЫХ ТОЧЕК..............................................33

2.1 Типы марок внешнего ориентирования.................................................................33

2.2 Определение критерия граничной интенсивности...............................................36

2.3 Способы определения геометрического центра марок внешнего ориентирования..............................................................................................................39

2.3.1 Способ определения центра марки, основанный на зависимости интенсивности отраженного сигнала от угла падения луча......................................39

2.3.2 Способ определения центра марки внешнего ориентирования как центра

тяжести воксельного представления скана марки......................................................42

2.4. Точность определения центра марки внешнего ориентирования......................45

2.5 Определение погрешности элементов внешнего ориентирования при ориентировании по опорным точкам...........................................................................54

2.5.1 Выбор исследуемых геометрических конфигураций марок внешнего ориентирования..............................................................................................................55

2.5.2 Алгоритм моделирования внешнего ориентирования сканов.........................57

2.5.3 Выбор задаваемых значений погрешности определения марок внешнего ориентирования..............................................................................................................59

2.5.4 Результаты моделирования внешнего ориентирования сканов.......................60

2.5.5 Проверка полученных зависимостей погрешности элементов внешнего ориентирования от положения марок внешнего ориентирования............................68

2.6 Определение границ, соответствующих требуемой точности модели..............70

2.7 Определение времени работы на станции.............................................................74

2.8 Выбор оптимального расстояния между станциями сканирования...................79

ГЛАВА 3 АВТОКОРРЕЛЯЦИОННЫЙ АЛГОРИТМ ВЗАИМНОГО ОРИЕНТИРОВАНИЯ МОДЕЛЕЙ (1СР-АЛГОРИТМ)..............................................84

3.1 Принцип 1СР-алгоритма..........................................................................................84

3.1.1. Нахождение начального приближения между моделями................................87

3.1.2 Выбор точек, участвующих в решении..............................................................90

3.1.3 Выбор области поиска и поиск соответствующих точек.................................92

3.2 Подготовка моделей для проведения взаимного ориентирования по 1СР-алгоритму........................................................................................................................93

3.3 Причины возникновения шумовых точек в моделях и способы их фильтрации.....................................................................................................................94

3.3.1 «Граничные» шумы..............................................................................................94

3.3.2 Шумы, вызываемые движущимися объектами.................................................96

3.3.3 Одиночные шумовые точки.................................................................................98

3.3.4 Шумы, вызываемые преломлением луча от отражающих поверхностей.....100

3.4 Способы разряжения точечных моделей.............................................................101

3.5 Опыт создания модели отвала с ориентированием моделей по 1СР-алгоритму..............................................................................................................105

3.6 Способы оценки качества моделей, получаемых по результатам лазерно-сканирующей съемки...................................................................................................111

3.7 Использование теории случайных функций для оценки точности результирующей модели.............................................................................................114

ГЛАВА 4 СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЛАЗЕРНО-СКАНИРУЮЩЕГО ХОДА НА ОСНОВЕ НЕПОСРЕДСТВЕННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ВНЕШНЕГО ОРИЕНТИРОВАНИЯ..........................................................................120

4.1 Особенности лазерно-сканирующей съемки подземных горных выработок.. 121

4.2 Лазерно-сканирующая съемка подземных горных выработок по методу лазерно-сканирующего хода.......................................................................................122

4.3 Недостатки и возможные альтернативы методу лазерно-сканирующего хода................................................................................................................................125

4.4 Идея предлагаемой методики проведения лазерно-сканирующей съемки подземных горных выработок....................................................................................126

4.5 Определение поправки за несоответствие высоты центра визирной марки и фазового центра сканера.............................................................................................130

4.6 Выполнение предлагаемой методики лазерно-сканирующей системой IMAGER 5006...............................................................................................................133

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

149

ВВЕДЕНИЕ Актуальность темы исследования

Результатом наземной лазерно-сканирующей съемки является множество точек лазерных отражений, формирующих цифровую модель местности, окружающей лазерный сканер. Итоговая модель объекта состоит из множества отдельных сканов, произведенных с различных точек установки прибора, приведенных к единой системе координат. Таким образом, качество и точность получаемой модели зависит не только от типа применяемого сканера и плотности сканирования, но и от точности внешнего ориентирования исходных сканов из исходной системы координат сканера в требуемую. Отечественный и зарубежный опыт применения лазерно-сканирующих систем в условиях горного производства показывает ограниченную возможность применения предлагаемых производителем методик внешнего ориентирования сканов. Специфические условия горных выработок накладывают существенные ограничения на геометрическую конфигурацию опорных точек, являющихся основой для решения задачи внешнего ориентирования, и тем самым приводят к увеличению влияния ошибки ориентирования сканов в общей сумме погрешностей итоговой модели. Практика проведения наземной лазерно-сканирующей съемки показывает, что ошибки, возникающие вследствие некорректного внешнего ориентирования моделей, достигают величин, в разы превышающих точность прибора. Указанные ограничения стандартных способов ориентирования сканов в совокупности с их недостаточной эффективностью обусловливают актуальность диссертационной работы.

Проведенные исследования выполнялись с учетом работ А.Б. Велижева, А.И. Науменко, A.B. Комиссарова, А. В. Середовича, В.А. Середовича, Е.М. Медведева - известных отечественных ученых в области применения лазерно-сканирующих технологий для геодезических съемок, а так же зарубежных исследований, проведенных P.J. Besl, N.D. McKay, Y. Chen, G. Medioni, Z. Zhang и S. Rusinkiewicz.

Цель работы - повышение точности и производительности маркшейдерских съемок с применением лазерно-сканирующих технологий путем оптимизации и комбинирования различных способов внешнего ориентирования моделей.

Идея работы заключается в адаптации наиболее эффективных способов внешнего ориентирования моделей к специфическим условиям лазерно-сканирующей съемки открытых и подземных горных выработок.

Задачи исследований:

- анализ и оценка существующих способов внешнего ориентирования сканов;

- определение способа оценки качества результирующей модели;

- разработка методических рекомендаций к проведению полевого этапа лазерно-сканирующей съемки в условиях горных выработок, в целях достижения оптимальных условий для выполнения внешнего ориентирования моделей;

- исследование способов оптимизации моделей горных выработок при камеральной обработке результатов лазерно-сканирующей съемки.

Научная новизна работы:

1. Определены граничные условия дешифрирования марок внешнего ориентирования и установлена зависимость погрешности определения центра марки от ее положения относительно лазерно-сканирующей системы и от метрологических характеристик прибора.

2. Получены зависимости точности вычисления элементов внешнего ориентирования скана от погрешности определения марок внешнего ориентирования и их геометрической конфигурации относительно лазерно-сканирующей системы.

3. Определена зависимость положения границы, отвечающей предельной заданной точности модели, от ошибок внешнего ориентирования и метрологических характеристик применяемой лазерно-сканирующей системы.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. При ориентировании моделей по маркам внешнего ориентирования оценку погрешности угловых элементов внешнего ориентирования ей ц целесообразно

проводить, исходя из общей погрешности определения марок и величин проекций, образованных периферийными марками на соответствующие координатные оси.

2. Для создания моделей открытых горных выработок следует производить взаимное ориентирование сканов по итеративному алгоритму ближайшей точки с контролем точности результирующей модели посредством статистической теории случайных функций.

3. При создании моделей подземных горных выработок внешнее ориентирование моделей следует производить с принудительным заданием линейных элементов внешнего ориентирования, определяемых для последующей станции на основе результатов съемки с предыдущей.

Методы исследований:

- теоретические методы (способ наименьших квадратов, теория погрешностей измерений, методы математической статистики);

- анализ натурных данных лазерно-сканирующей съемки;

- моделирование результатов лазерно-сканирующей съемки при внешнем ориентировании моделей.

Достоверность и обоснованность научных положений и результатов работы подтверждается согласованностью теоретических исследований с полученными результатами сканирования отвалов ОАО «БМУ» и ООО «Метахим», а также с экспериментальным моделированием процессов лазерно-сканирующей съемки.

Практическое значение работы

1. Разработаны методические рекомендации к проведению полевого и камерального этапов съемки горных выработок лазерно-сканирующими системами.

2. Разработан способ определения погрешности результирующей цифровой модели на основе теории случайных функций.

3. Разработана методика проведения полигонометрического лазерно-сканирующего хода.

4. Результаты диссертационной работы рекомендуется применять:

- при планировании и проведении работ по наземной лазерно-сканирующей съемке горных выработок;

- в учебном процессе при подготовке студентов по направлению «Лазерно-сканирующие технологии в маркшейдерском деле».

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на 52ой международной научной конференции Краковской горно-металлургической академии (Польша, декабрь 2011 г.), на международной конференции Фрайбергской горной академии «Innovations in Mineral Industry» (Германия, июнь

2012 г.), на всероссийской научно-практической конференции «Новые технологии в горном деле, геологическом и маркшейдерско-геодезическом обеспечении горных работ» (г. Санкт-Петербург, НМСУ «Горный», октябрь 2012 г.), на XV Международном маркшейдерском конгрессе (г. Аахен, Германия, сентябрь

2013 г.) и на заседаниях кафедры маркшейдерского дела Горного университета (2011-2014 г.).

Личный вклад автора:

- сбор натурных данных, полученных при проведении деформационного мониторинга отвалов ОАО «БМУ» и ООО «Метахим», включающего четыре лазерно-сканирующие съемки, общей площадью свыше 500 га;

- проведение анализа различных способов внешнего ориентирования сканов;

- установление аналитических зависимостей погрешности определения элементов внешнего ориентирования от конфигурации марок внешнего ориентирования;

- разработка и апробация методик проведения лазерно-сканирующей съемки с применением предложенных способов ориентирования сканов.

Публикации. Основное содержание работы отражено в 8 печатных работах, из них 5 - в журналах, включенных в перечень ведущих рецензируемых научных изданий, определяемый ВАК Минобрнауки России, и в 1 патенте.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 167 страницах машинописного текста, содержит 4 главы, введение, заключение,

библиографический список из 150 наименований. В работе 57 рисунков и 6 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе приведены общие сведения о наземной лазерно-сканирующей съемке. Сформулирована задача внешнего ориентирования сканов. Произведен обзор существующих способов внешнего ориентирования сканов. Описаны подходы к оценке точности решения задачи внешнего ориентирования.

Во второй главе описаны возможные способы определения центра марок внешнего ориентирования. Определен критерий для дешифрирования марок внешнего ориентирования. Изложены результаты исследований по оценке точности определения марок внешнего ориентирования и элементов внешнего ориентирования скана. Определены предельные границы модели, исходя из требуемой точности. Для планирования работ предложен способ прогнозирования затрачиваемого времени при проведении полного цикла работ на отдельной станции сканирования.

Третья глава посвящена принципам автокорреляционного взаимного ориентирования сканов (ICP-алгоритму). Описаны основные способы отбраковки шумовых точек на сканах, разряжения облаков точек лазерных отражений, оптимизации полигональных поверхностей. Рассмотрена методика создания модели отвала на основе ICP-алгоритма. Предложен способ оценки точности результирующей модели на основе статистической теории случайных функций.

В четвертой главе рассмотрены ограничения, накладываемые на лазерно-сканирующую съемку в подземных горных выработках, и существующие методики их съемки. Предложен способ оптимизации лазерно-сканирующего хода на основе непосредственного определения элементов внешнего ориентирования.

ГЛАВА 1 ФОРМУЛИРОВАНИЕ ЗАДАЧИ ВНЕШНЕГО ОРИЕНТИРОВАНИЯ СКАНОВ И ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ

СПОСОБОВ ЕЕ РЕШЕНИЯ

Результатом наземной лазерно-сканирующей съемки является неупорядоченное множество точек лазерных отражений, формирующих цифровую модель местности, которая окружает лазерный сканер. Качество и точность получаемой модели зависит от типа применяемого сканера, плотности сканирования и на сегодняшний день удовлетворяет требованиям подавляющего большинства задач, возникающих перед маркшейдером.

Но, как и результаты измерений на отдельной станции при работе с классическими геодезическими приборами, модель, получаемая в результате лазерно-сканирующей съемки, практически бесполезна для выполнения каких-либо работ, пока не является привязанной к конкретной координатной системе [2, 3, 70]. И, если развитие наземных лазерно-сканирующих систем позволило данным приборам выполнять высокопроизводительную съемку на значительные расстояния, то вопрос решения задачи внешнего ориентирования сканов все еще не является однозначно решенным [11].

Все производители лазерно-сканирующих систем, большинство специалистов и ученых, занимающихся развитием технологии наземного лазерного сканирования, находятся в поиске решения данного вопроса. Уже одно то, что за все годы совершенствования наземных лазерно-сканирующих систем ни один из способов внешнего ориентирования моделей не «подавил» остальные, говорит о необходимости выбора научно обоснованного метода ориентирования сканов, исходя из анализа их сильных и слабых сторон.

1.1 Общие сведения о наземной лазерно-сканирующей съемке 1.1.1 Принципиальная схема работы наземной лазерно-сканирующей системы

Наземная лазерно-сканирующая система - это высокопроизводительный автоматизированный маркшейдерско-геодезиче