Геоінформаційне забезпечення електронних планів
гірничих робіт
к.т.н. Грищенков Н.Н., (ДонДТУ)
В
даний час однією з головних задач маркшейдерської служби вугільної
промисловості України є розробка геоінформаційних технологій
створення електронної гірничої графічної документації. Використання
геоінформаційних технологій забезпечує перехід на новий рівень вирішення
геолого-маркшейдерських завдань і управління процесами видобутку вугілля. Міністерство
вугільної промисловості України видало наказ № 621 від 27.12.99, в якому
намічений ряд заходів, спрямованих на вирішення цього завдання, і підготувало галузевої
документ "Концепція розвитку ГІС і програма поетапного впровадження її на підприємствах
і в організаціях ".
В
Донецькому державному технічному університеті розробки в області створення
геоінформаційних технологій та електронної гірничої графічної документації
ведуться з середини 90-х років. Накопичений за цей час досвід і отримані результати
дозволили сформулювати ключові моменти ГІС-технології створення електронних
планів гірських робіт.
Електронний
план гірничих робіт слід розглядати як геоінформаційну систему цифрового
моделювання та графічного відображення пластів, гірських виробок, а також
інший просторово координованої гірничо-геологічної та гірничо-технічної
інформації. У такому трактуванні комп'ютерне графічне відображення гірничих робіт
стає одним з компонентів цієї системи, але не її кінцевим результатом.
Іншими основними компонентами системи є бази геолого-маркшейдерських
даних, пов'язані з об'єктами електронного плану, і програмні засоби,
забезпечують вирішення різних маркшейдерських завдань.
Ті, хто має
місце спроби окремих розробників звести створення електронних планів тільки
до створення комп'ютерних графічних копій пластів та гірничих виробок
істотно звужують можливості створюваних систем і мають своєю головною метою
забезпечити ефективну заміну офсетного способу розмноження гірничої графічної
документації. Проходження сьогохвилинним економічних міркувань приводить до
тому, що при цьому часто повністю ігнорується створення баз даних для
об'єктів електронного плану, а довільно обрана структура його верств
(тематичних об'єктів) не дозволяє в майбутньому створити такі бази даних без
досить серйозної переробки. У довгостроковій перспективі така стратегія
тільки збільшить витрати галузі на створення повноцінних геоінформаційних
систем і технологій.
Всі
це вказує на необхідність ретельного пророблення структури інформаційного
забезпечення електронних планів, незалежно від функціональної повноти
створюваної системи (будь це повноцінна ГІС або тільки комп'ютерна
графічна копія пластів та гірничих виробок). На необхідність уніфікації
структури баз геолого-маркшейдерських даних вказує і вищезгадана
"Концепція розвитку ГІС ...", що передбачає введення відповідних
галузевих інформаційних стандартів.
Основними
технологічними етапами створення електронних планів гірничих робіт є:
збір
цифрової інформації та заповнення баз даних;
створення
векторного графічного відображення плану гірничих робіт;
встановлення
зв'язку об'єктів векторного зображення з атрибутивними базами даних.
Етап
збору цифрової інформації для наповнення вмістом баз даних є одним
з найбільш трудомістких. Залежно від складності конфігурації та протяжності
мережі гірських виробок він може зажадати 1-3 чол.-міс. На цьому етапі
аналізується початкова геолого-маркшейдерська документація (справи свердловин,
технічні паспорти буріння, журнали маркшейдерських зйомок і замірів, каталоги
координат пунктів підземної маркшейдерської мережі та ін), витягується необхідна
цифрова інформація, яка заноситься у відповідні бази даних. Спроби опустити
або гранично мінімізувати даний етап з метою прискорити отримання векторного
графічного зображення плану гірських робіт неминуче призводять до зниження
точності графічного зображення і відсікають можливість вирішення низки
геолого-маркшейдерських завдань.
Створення
векторного графічного зображення (векторизація) плану гірських робіт
здійснюється різними способами. Найбільш поширеним способом
є дігіталізація (ціфрованіе) графічних планів гірничих робіт та інших
графічних документів за допомогою напівавтоматичних дигітайзерів або
безпосередньо по растрових зображень документів, отриманих в результаті
їх сканування. Проте в обох випадках використовуються для дігіталізаціі
графічні документи вже є вторинними, тому що створюються за даними
маркшейдерських і геологічних зйомок. При цьому похибки графічних
побудов автоматично переносяться в дігіталізіруемие дані і додаються до
похибок самої векторизації. Тому доцільно обмежити область
застосування дігіталізаціі другорядними виробками і гірськими об'єктами, для
яких точність визначення просторового розташування не грає
домінуючої ролі.
Найбільш
точним способом векторизації є побудова графічного зображення плану
гірничих робіт безпосередньо з цифрової інформації з раніше створених баз
даних, тобто за даними маркшейдерських зйомок і вимірів. У ряді випадків цей
спосіб вимагає розробки спеціальних програмних засобів для графічного
відображення цифрових даних, але саме він забезпечує максимальну
точність просторового місця розташування гірничих виробок та об'єктів на
електронному плані. Тому даний спосіб доцільно використовувати при
побудові зображення найбільш важливих діючих (актуальних) гірських
виробок і об'єктів.
Встановлення
зв'язку об'єктів векторного зображення з атрибутивними базами даних може бути
здійснено як на етапі побудови векторного зображення, так і після нього.
Це залежить від обраної графічної платформи ГІС (AutoCAD, ArcView, Альбея і
тощо) і функціональної повноти створюваної системи.
Платформа
геоінформаційної системи в значній мірі визначає можливості
технології створення електронних планів, а також концептуальні відмінності
існуючих реальних розробок. На кафедрі геоінформатики та геодезії
Донецького державного технічного університету розроблена і реалізована
в державної холдингової компанії "Донвугілля технологія створення
електронних планів гірничих робіт для двох платформ ГІС: AutoCAD 14/2000 і ArcView
3.1.
Початковий
етап технології передбачає створення системи баз геолого-маркшейдерських
даних вугільної шахти. Змістом робіт етапу є збір і аналіз цифрової
інформації в маркшейдерська відділі шахти і заповнення баз даних (БД). При цьому
формуються БД розвідувальних та експлуатаційних свердловин, БД розкривають і
підготовчих гірських виробок, БД очисних гірничих виробок, БД
геологічних характеристик вугільних пластів та ін Інформація для заповнення
баз даних береться безпосередньо з даних маркшейдерських і геологічних
зйомок і вимірів. Вся інформація баз даних готується в DBF-форматі.
Наступний
етап технології включає побудову векторних графічних зображень основних
підготовчих виробок за координатами маркшейдерських пікселів і результатами
вимірів. Залежно від використовуваної платформи ГІС реалізація цих
графічних остроеній може бути різною. Так, у системі AutoCAD за допомогою
мови Autolisp для цього були розроблені спеціальні програмні засоби.
Система ArcView містить функції для побудови точкових об'єктів за інформацією
з БД, але для їх трансформації у лінійні об'єкти потрібна була розробка
відповідних програм (скриптів) засобами вбудованої мови Avenue.
Потім
виконується дігіталізація другорядних гірських об'єктів, просторове
положення яких може бути визначено з меншою точністю. Дігіталізація
проводиться за сканерна зображень планів гірничих робіт, виконаним на
твердій основі (плани, планшети, кальки). Для сканування планів використовуються
планшетні сканери формату А4. Проведені дослідження цих сканерів показали,
що похибки сканування (на відміну від сканерів великих форматів) не
перевищують точності графічних побудов. До того ж порівняно невисока
вартість таких сканерів робить їх доступними для гірських підприємств.
Досвід
показує, що оптимальними параметрами сканування є: роздільна
здатність 300 dpi (розмір пікселя 0,08 мм); використання режиму RGB Color,
що забезпечує 256 кольорів (8 біт/піксель). Розмір файлу зображення одного
сканерна кадру у форматі BMP (без RLE-стиснення) становить приблизно 8 Мбайт.
Для системи AutoCAD можна скоротити розмір файлу сканерна кадру до 3-4 Мбайт,
використовуючи більш щільні (упаковані) графічні формати (наприклад, GIF або
TIF). Однак система ArcView 3.1 працює тільки з неупакованих форматами.
Кількість сканерна кадрів залежить від розмірів і масштабу сканованого плану.
У середньому це становить 80-120 кадрів для масштабу сканованого плану 1:2000 і
20-30 кадрів для масштабу 1:5000.
Єдиний
растрове зображення відсканованого графічного плану гірських робіт може
бути отримано двома способами. Перший спосіб полягає в "зшиванню"
всіх кадрів в єдине зображення. При цьому виходять величезні графічні
файли, що досягають декількох сотень Мбайт. Для їх обробки потрібні
персональні комп'ютери спеціальної конфігурації, що наближаються за своїми
можливостям до графічних станцій. Тому в даний час економічна
доцільність застосування даного способу викликає сумніви.
Другий
спосіб створення єдиного растрового зображення (сканерний підкладки),
реалізований в технології ДонНТУ, полягає в орієнтуванні і
масштабування кожного сканерна кадру по опорним точкам. Для цього можуть
використовуватися як засоби системи CAD Overlay, так і інші програмні
засоби трансформування растрових зображень. Хоча зображення всього плану
при цьому виходить мозаїчним, що складається з окремих фрагментів, взаємна
зв'язок усіх сканерна кадрів забезпечується шляхом формування для кожного з
них спеціального файлу координатної прив'язки (World file). Це поволяет
здійснювати дігіталізацію послідовно за окремими фрагментами зображення,
завантажуючи в оперативну пам'ять комп'ютера тільки необхідні кадри. При цьому
досягається суттєва економія обчислювальних ресурсів і виявляється
можливим використовувати персональні комп'ютери навіть з невисокими середніми
характеристиками, починаючи з Pentium-100 і обсягу оперативної пам'яті в 32 Мбайт.
Продуктивність
векторизації растрових зображень гірських виробок в системах AutoCAD 2000 і
ArcView 3.1 відрізняється неістотно. Графічні можливості системи AutoCAD
значно перевершують аналогічні можливості системи ArcView, однак,
створення та підтримка атрибутивних баз даних в SQL-середовищі системи AutoCAD (ASE)
поступається системі ArcView по продуктивності і зручності інтерфейсу.
Кожен
вид (креслення) у системі ArcView містить теми, які виступають аналогами верств
в системі AutoCAD. Однак, практичний досвід розробок показує, що для
одного і того ж креслення кількість тем в системі ArcView часто перевершує
кількість шарів в системі AutoCAD (в табл. 1 наведено такий приклад
відповідності тим системи ArcView і шарів системи AutoCAD). Пояснення цьому
складається, по-перше, в більшій деталізації тим, обумовленої автоматичним
характером створення атрибутивних таблиць цих тем в системі ArcView, і
по-друге, в тому, що для створення таких табличних баз даних в системі AutoCAD
вже потрібні додаткові операції.
Таблиця
1 - Відповідність об'єктів в темах ArcView 3.1 і шарах AutoCAD 14/2000
Теми ArcView 3.1
Шари AutoCAD 14/2000
Стволи
Виробки
Підготовчі вироблення
Виробки
Свердловини
Свердловини
Осі свердловин
Свердловини
Лави
Лави
Проектовані лави
Проектовані лави
Кути падіння пласта
Текст
Точки випробування вугілля
Текст
Стратиграфія
Стратиграфія
Межі бар'єрних ціликів
цілики
Охоронні цілики
цілики
Експлуатаційні цілики
цілики
Геологічні порушення
Геологічні порушення
Лінії розщеплення пласта
Геологічні порушення
Ділянки помилкової покрівлі
Геологічні порушення
Пісок
Пісок
Вулиці
Поверхня
Залізниці
Поверхня
Об'єкти поверхні
Поверхня
Нижче
наведені фрагменти створюваних електронних планів у системі AutoCAD 2000 (рис.
1) і в системі ArcView 3.1 (рис.2).
Рис.
1. Фрагмент електронного плану в системі AutoCAD 2000.
Рис.
2. Фрагмент електронного плану в системі ArcView 3.1.
Розроблена
технологія передбачає виконувати графічне тиражування створених
електронних планів як за допомогою графобудівники і кольорових струменевих
принтерів. Для розмноження планів гірничих робіт у традиційному великорозмірним
форматі потрібні графобудівники формату А0 або А1, вартість яких досить
велика. Є приклади тиражування таких великоформатних планів шляхом друку
їх окремих частин (смуг) на струменевих принтерах формату А3 або А2 з
подальшої склейкою смуг. Однак, більш перспективним видається перехід
на альбомну (планшетні) систему відображення планів гірничих робіт, прийняту в
ряді європейських країн (зокрема, в Німеччині). Досвід роботи з альбомної
системою виробничого об'єднання "Павлоградвугілля" показує її
переваги як в доступності тиражування планів гірничих робіт або їх
фрагментів силами самої маркшейдерської служби підприємства, так і в зручності
користування такими альбомами.
Ефективність
використання електронних планів гірських робіт залежить від їх функціональної
повноти їх створення. Якщо створювати комп'ютерні графічні копії планів
гірничих робіт, то це дозволить повністю відмовитися від послуг офсетного друку
комплектів обмінних планів і тиражувати необхідні графічні документи в
потрібній кількості силами самої шахти. Але якщо створювати електронні плани гірських
робіт саме як геоінформаційну систему, то це відкриває шлях до
автоматизації вирішення цілого спектру геолого-маркшейдерських і гірничотехнічних
завдань (автоматизований облік стану балансових і промислових запасів вугілля
в надрах, прогноз динаміки напруженого стану гірничого масиву внаслідок
ведення очисних робіт, автоматизований контроль за проведенням підготовчих
виробок та облік видобутку вугілля, прогноз зрушення і деформацій земної
поверхні, систему забезпечення поточного та перспективного календарного
планування гірничих робіт та ін.) Вибір залишається за замовником і визначається
його фінансовими можливостями і здатністю правильно оцінити перспективи
створюваної системи.
Список літератури
Для
підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://masters.donntu.edu.ua
