Введение к работе
Актуальность проблемы. Сдвижения и деформации земной поверхности, вызванные проведением горных работ при разработке месторождений полезных ископаемых, охватывают значительные территории, включающие города, поселки, промышленные и природные объекты. Для выработки и принятия своевременных и эффективных мер по охране важных народнохозяйственных, гражданских и природных объектов от вредного влияния горных работ, минимизации ущерба, наносимого природе и народному хозяйству, для совершенствования методов прогноза ожидаемых сдвижений с учетом горногеологических особенностей конкретных районов необходимо выполнять большой объем разнообразных наблюдений.
В настоящее время контроль за сдвижением земной
поверхности осуществляется в основном методами полевых
геодезических наблюдений, в том числе, на специально создаваемых
наблюдательных станциях. Однако, эти методы не обеспечивают
необходимой полноты контроля из-за высокой их трудоемкости.
В ряде случаев на непроходимых или труднопроходимых объектах,
таких как гидроотвалы, хвостохранилища, непосредственные полевые
измерения невозможны или их применение ограничено с точки зрения
безопасности выполнения работ. Существенным недостатком
традиционных методов является проведение наблюдений только на
наблюдательных станциях, а не по всей поверхности объекта,
невозможность повторно обращаться к объекту исследования для
проверки новых теоретических положений. Полноте и
оперативности контроля препятствует также низкий уровень автоматизации процесса сбора и обработки измерительной информации.
По этим причинам представляется необходимым
разработать новые эффективные и производительные методы
маркшейдерского контроля за сдвижением и деформацией земной
поверхности, гибкие относительно разнообразия .объектов
исследования, условий съемки и задач, решаемых на основе
наблюдений. В принципе, проблема может быть решена при
использовании аэрофотосъемки как основного метода
маркшейдерского контроля на больших площадях, дополненного в случае необходимости наземной стереофотосъемкой и методами полевых геодезических измерений отдельных ответственных участков.
Аэрофотосъемка обладает высокой производительностью,
позволяет вести измерения на всей площади объекта, в том числе за
пределами наблюдательных станций, дает практически
одновременную картину состояния поверхности различных частей
объекта. Сохраняя аэрофильмы, можно в любое время вернуться к
материалам съемки для дополнительных измерений.
Дистанционность аэросъемки устраняет ограничения при
наблюдении за труднодоступными объектами. Камеральный способ обработки аэроснимков создает предпосылки для комплексной автоматизации процессов сбора, хранения и обработки измерений.
Цель работы обосновать и разработать новую автоматизированную технологию маркшейдерского контроля за сдвижением и деформацией земной поверхности с использованием аэрофотосъемки. Тем самым обеспечить полноту наблюдений в том числе на обширных территориях и труднодоступных объектах. Эта технология должна быть ориентирована на использование усовершенствованных математических алгоритмов, рациональный выбор технологических приемов и технических средств, реально доступных отечественным горнодобывающим предприятиям, не исключая в то же время перспективы модернизации техники.
Идея исследований - обеспечить: повышение точности фототриангуляции путем совершенствования математических методов и применения новых технических средств; сокращение расходов за счет оптимизации конструкций фотограмметрических сетей и сокращения объемов наиболее дорогих полевых геодезических работ; комплексную автоматизацию процессов камеральной обработки аэросъемки.
Задачи исследований:
обосновать и разработать эффективные алгоритмы построения крупных фототриангуляционных сетей произвольной конструкции;
разработать методику оценки точности маркшейдерских фототриангуляционных сетей без использования контрольных точек;
обосновать и разработать методику проектирования фотограмметрической съемки на основе цифрового моделирования;
разработать методы автоматизации стереоизмерений с использованием аналитических фотограмметрических рабочих станций и стереоприборов, сопряженных с ПЭВМ;
разработать информационную структуру банка данных аэрофотомониторинга подрабатываемых территорий;
разработать программные комплексы, выполняющие:
моделирование и предрасчет точности фототриангуляционных сетей;
автоматизированное измерение аэроснимков;
строгое уравнивание фотограмметрических сетей;
формирование банка данных по изменениям рельефа поверхности подрабатываемых объектов;
автоматическое вычисление сдвижений и деформаций земной поверхности;
формирование выходных цифровых и графических документов.
Методика исследования: поставленные задачи решались при комплексном использовании методов аналитической фотограмметрии, вычислительных методов линейной алгебры, математической
статистики и теории ошибок измерений, методов информационных систем, математического моделирования, натурных экспериментов.
Научные положения, выносимые на защиту:
технология построения фототриангуляции, основанная на использовании метода связок с самокалибровкой, обеспечивает требуемую точность и приемлемый уровень затрат для решения большинства задач контроля за сдвижением и деформацией земной поверхности на подрабатываемых территориях с помощью аэрофотосъемки, за исключением высокоточных наблюдений на профильных линиях стационарных наблюдательных станций;
аналитическое моделирование рельефа местности,
аэрофотосъемки и сети пространственной фототриангуляции с последующим уравниванием модели обеспечивает надежный предрасчет точности при проектировании маркшейдерских фототриангуляционных сетей;
разработанные алгоритмы и программы обеспечивают строгое уравнивание крупных фототриангуляционных сетей произвольной конструкции на ПЭВМ и апостериорную оценку точности без использования контрольных точек;
состав, структура и программный аппарат базы данных аэрофотомониторинга подрабатываемой земной поверхности обеспечивают автоматизированное вычисление сдвижений и деформаций и формирование выходных документов в цифровой и графической форме.
Научная новизна работы:
обоснованы требования к технологии аэрофотограмметрической съемки для определения сдвижений и деформаций земной поверхности по аэрофотоснимкам с использованием ПЭВМ;
разработан метод строгого уравнивания крупных фототриангуляционных сетей произвольной контрукции;
разработан метод предрасчета точности маркшейдерских фототриангуляционных сетей посредством их аналитического моделирования и уравнивания моделей;
развит и экспериментально проверен метод интерполяционных узлов для самокалибровки фотоснимков;
разработаны состав и структура базы данных для автоматизированного вычисления сдвижений и деформаций по материалам двух и более аэросъемок и составления цифровой и графической документации.
Лично автором:
разработан метод оптимизации вычислений при уравнивании обширных фототриангуляционных сетей произвольной конструкции на ЭВМ средней мощности;
разработан метод предрасчета точности фототриангуляционных сетей, основанный на математическом моделировании местности, аэрофотосъемки и сети пространственной фототриангуляции, а также на оптимальной организации уравнительных вычислений моделей сети;
предложено использовать дополнительные уравнения поправок для более надежного исключения систематических искажений снимков способом самокалибровки;
получены формулы для вычисления коэффициентов матрицы весов измерений с учетом их коррелированности и неравноточности;
разработаны алгоритмы и программные комплексы MODEL и TRAP проектирования и построения фототриангуляционных сетей на ПЭВМ типа IBM PC/AT;
разработаны структура базы данных и схема аппарата управления автоматическим вычислением сдвижений и деформаций подрабатываемой земной поверхности по материалам двух и более съемок.
Достоверность и обоснованность результатов исследований подтверждают экспериментальные исследования, проведенные на макетах и геодинамических полигонах (24 аэрофотоснимка полигона ЦНИИГАиК, 143 снимка полигона Осинники), а также опыт применения разработанной технологии при решении практических задач на реальных производственных объектах.
Научное значение работы состоит:
в обосновании возможности эффективного использования аналитической пространственной фототриангуляции для наблюдения за сдвижениями и деформациями подрабатываемой земной поверхности;
в разработке метода построения крупных
фототриангуляционных сетей произвольной конструкции, обеспечивающих получение надежных и объективных данных о сдвижениях земной поверхности.
Практическое значение работы заключается в разработке
комплексной автоматизированной технологии наблюдений за
сдвижением земной поверхности дистанционным,
аэрофотограмметрическим методом. Основу технологии составляют три программных комплекса: "MODEL", "TRAP", "MODES". Комплексы обеспечивают проектирование фотограмметрической съемки, построение сети пространственной фототриангуляции с объективной оценкой точности определения пространственных координат точек объекта по аэроснимкам, ведение базы данных с автоматическим вычислением сдвижений и деформаций по данным двух и более съемок и автоматическим построением цифровой и графической документации.
В область применения технологии могут быть включены следующие задачи:
съемка шахтной поверхности для определения зон и значений максимальных деформаций, оценки нарушенности поверхности на больших площадях, определения сдвижений и деформаций оползневых склонов, наблюдений на площадных станциях и участках, не оборудованных пикетами, для вычисления векторов оседания и горизонтального сдвижения длиной свыше 5 см, выявления зон возможного подтопления;
съемка карьеров и прилегающих территорий для паспортизации нарушений устойчивости откосов, наблюдения за смещениями прибортовых участков земной поверхности;
съемка гидроотвалов и хвостохранилищ для определения осадок намывных толщ;
съемка поверхности месторождений нефти и газа для оценки динамики извлечения полезного ископаемого и обнаружения гидроразрывов горизонтального простирания.
Кроме того, программные комплексы MODEL и TRAP могут быть использованы для сгущения съемочного геодезического обоснования при маркшейдерской съемке карьеров, топографической съемке местности и обновлении топографических карт и планов, а также при инженерных изысканиях для проектирования и строительства гражданских и промышленных объектов.
Реализация результатов исследований. Технология и
программное обеспечение, реализованное для ЕС ЭВМ и ПЭВМ типа
IBM-PC/AT прошли испытания во ВНИМИ при решении ряда задач
по заказу производственных объединений, а также используются на
предприятиях концерна "Кузбассразрезуголь", "Уралмаркшейдерия",
"Севермаркшейдерия" ("Севзапгеоинформ") и в институте
"Гипроспецгаз".
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на заседаниях Ученого совета ВНИМИ, а также на следующих конференциях и семинарах:
VIII и DC конгрессы Международного общества по маркшейдерскому делу (Ленгсингтон, США, 1991; Прага, 1994);
1-ая всероссийская конференция "Поиски нефти, нефтяная индустрия и охрана окружающей Среды". С.-Петербург, 17-22 апреля 1995;
заседаниях Ленинградского отделения Всесоюзного Астрономогеодезического Общества (ЛОВАГО).
Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 115 страницах машинописного текста, содержит 11 рисунков, 11 таблиц, 5 приложений и список литературы из 90 наименований.
