Геоинформационное обеспечение электронных планов горных работ

Геоинформационное обеспечение электронных планов горных работ

к.т.н. Грищенков Н.Н., (ДонГТУ)

В настоящее время одной из главных задач маркшейдерской службы угольной промышленности Украины является разработка геоинформационных технологий создания электронной горной графической документации. Использование геоинформационных технологий обеспечивает переход на новый уровень решения геолого-маркшейдерских задач и управления процессами добычи угля. Министерство угольной промышленности Украины издало приказ № 621 от 27.12.99, в котором намечен ряд мер, направленных на решение этой задачи, и подготовило отраслевой документ "Концепция развития ГИС и программа поэтапного внедрения ее на предприятиях и в организациях". 

В Донецком государственном техническом университете разработки в области создания геоинформационных технологий и электронной горной графической документации ведутся с середины 90-х годов. Накопленный за это время опыт и полученные результаты позволили сформулировать ключевые моменты ГИС-технологии создания электронных планов горных работ.

Электронный план горных работ следует рассматривать как геоинформационную систему цифрового моделирования и графического отображения пластов, горных выработок, а также другой пространственно координированной горно-геологической и горнотехнической информации. В такой трактовке компьютерное графическое отображение горных работ становится одним из компонентов этой системы, но не ее конечным результатом. Другими основными компонентами системы являются базы геолого-маркшейдерских данных, связанные с объектами электронного плана, и программные средства, обеспечивающие решение различных маркшейдерских задач.

Имеющие место попытки отдельных разработчиков свести создание электронных планов только к созданию компьютерных графических копий пластов и горных выработок существенно сужают возможности создаваемых систем и имеют своей главной целью обеспечить эффективную замену офсетному способу размножения горной графической документации. Следование сиюминутным экономическим соображениям приводит к тому, что при этом часто полностью игнорируется создание баз данных для объектов электронного плана, а произвольно выбранная структура его слоев (тематических объектов) не позволяет в будущем создать такие базы данных без достаточно серьезной переделки. В долгосрочной перспективе подобная стратегия только увеличит затраты отрасли на создание полноценных геоинформационных систем и технологий. 

Все это указывает на необходимость тщательной проработки структуры информационного обеспечения электронных планов, вне зависимости от функциональной полноты создаваемой системы (будь это полноценная ГИС или только компьютерная графическая копия пластов и горных выработок). На необходимость унификации структуры баз геолого-маркшейдерских данных указывает и вышеупомянутая "Концепция развития ГИС…", предусматривающая введение соответствующих отраслевых информационных стандартов.

Основными технологическими этапами создания электронных планов горных работ являются:

сбор цифровой информации и заполнение баз данных; 

создание векторного графического отображения плана горных работ; 

установление связи объектов векторного изображения с атрибутивными базами данных. 

Этап сбора цифровой информации для наполнения содержимым баз данных является одним из наиболее трудоемких. В зависимости от сложности конфигурации и протяженности сети горных выработок он может потребовать 1-3 чел.-мес. На этом этапе анализируется исходная геолого-маркшейдерская документация (дела скважин, технические паспорта бурения, журналы маркшейдерских съемок и замеров, каталоги координат пунктов подземной маркшейдерской сети и др.), извлекается необходимая цифровая информация, которая заносится в соответствующие базы данных. Попытки опустить либо предельно минимизировать данный этап с целью ускорить получение векторного графического изображения плана горных работ неизбежно приводят к снижению точности графического изображения и отсекают возможность решения ряда геолого-маркшейдерских задач.

Создание векторного графического изображения (векторизация) плана горных работ осуществляется различными способами. Наиболее распространенным способом является дигитализация (цифрование) графических планов горных работ и других графических документов с помощью полуавтоматических дигитайзеров либо непосредственно по растровым изображениям документов, полученным в результате их сканирования. Однако в обоих случаях используемые для дигитализации графические документы уже являются вторичными, т.к. создаются по данным маркшейдерских и геологических съемок. При этом погрешности графических построений автоматически переносятся в дигитализируемые данные и добавляются к погрешностям самой векторизации. Поэтому целесообразно ограничить область применения дигитализации второстепенными выработками и горными объектами, для которых точность определения пространственного расположения не играет доминирующей роли.

Наиболее точным способом векторизации является построение графического изображения плана горных работ непосредственно по цифровой информации из ранее созданных баз данных, т.е. по данным маркшейдерских съемок и замеров. В ряде случаев этот способ требует разработки специальных программных средств для графического отображения цифровых данных, однако именно он обеспечивает максимальную точность пространственного местоположения горных выработок и объектов на электронном плане. Поэтому данный способ целесообразно использовать при построении изображения наиболее важных действующих (актуальных) горных выработок и объектов.

Установление связи объектов векторного изображения с атрибутивными базами данных может быть осуществлено как на этапе построения векторного изображения, так и после него. Это зависит от выбранной графической платформы ГИС (AutoCAD, ArcView, Альбея и др.) и функциональной полноты создаваемой системы. 

Платформа геоинформационной системы в значительной степени определяет возможности технологии создания электронных планов, а также концептуальные различия существующих реальных разработок. На кафедре геоинформатики и геодезии Донецкого государственного технического университета разработана и реализована в государственной холдинговой компании "Донуголь технология создания электронных планов горных работ для двух платформ ГИС: AutoCAD 14 / 2000 и ArcView 3.1.

Начальный этап технологии предусматривает создание системы баз геолого-маркшейдерских данных угольной шахты. Содержанием работ этапа является сбор и анализ цифровой информации в маркшейдерском отделе шахты и заполнение баз данных (БД). При этом формируются БД разведочных и эксплуатационных скважин, БД вскрывающих и подготовительных горных выработок, БД очистных горных выработок, БД геологических характеристик угольных пластов и др. Информация для заполнения баз данных берется непосредственно из данных маркшейдерских и геологических съемок и замеров. Вся информация баз данных подготавливается в DBF-формате.

Следующий этап технологии включает построение векторных графических изображений основных подготовительных выработок по координатам маркшейдерских точек и результатам замеров. В зависимости от используемой платформы ГИС реализация этих графических остроений может быть различной. Так, в системе AutoCAD с помощью языка Autolisp для этого были разработаны специальные программные средства. Система ArcView содержит функции для построения точечных объектов по информации из БД, но для их трансформации в линейные объекты потребовалась разработка соответствующих программ (скриптов) средствами встроенного языка Avenue.

Затем выполняется дигитализация второстепенных горных объектов, пространственное положение которых может быть определено с меньшей точностью. Дигитализация производится по сканерным изображениям планов горных работ, выполненным на твердой основе (планы, планшеты, кальки). Для сканирования планов используются планшетные сканеры формата А4. Проведенные исследования этих сканеров показали, что погрешности сканирования (в отличие от сканеров больших форматов) не превышают точности графических построений. К тому же сравнительно невысокая стоимость таких сканеров делает их доступными для горных предприятий. 

Опыт показывает, что оптимальными параметрами сканирования являются: разрешающая способность 300 dpi (размер пиксела 0,08 мм); использование режима RGB Color, обеспечивающего 256 цветов (8 бит/пиксел). Размер графического файла одного сканерного кадра в формате BMP (без RLE-сжатия) составляет примерно 8 Мбайт. Для системы AutoCAD можно сократить размер файла сканерного кадра до 3-4 Мбайт, используя более плотные (упакованные) графические форматы (например, GIF или TIF). Однако система ArcView 3.1 работает только с неупакованными форматами. Количество сканерных кадров зависит от размеров и масштаба сканируемого плана. В среднем это составляет 80-120 кадров для масштаба сканируемого плана 1:2000 и 20-30 кадров для масштаба 1:5000. 

Единое растровое изображение отсканированного графического плана горных работ может быть получено двумя способами. Первый способ заключается в "сшивке" всех кадров в единое изображение. При этом получаются огромные графические файлы, достигающие нескольких сотен Мбайт. Для их обработки требуются персональные компьютеры специальной конфигурации, приближающиеся по своим возможностям к графическим станциям. Поэтому в настоящее время экономическая целесообразность применения данного способа вызывает сомнения. 

Второй способ создания единого растрового изображения (сканерной подложки), реализованный в технологии ДонГТУ, заключается в ориентировании и масштабировании каждого сканерного кадра по опорным точкам. Для этого могут использоваться как средства системы CAD Overlay, так и иные программные средства трансформирования растровых изображений. Хотя изображение всего плана при этом получается мозаичным, состоящим из отдельных фрагментов, взаимная связь всех сканерных кадров обеспечивается путем формирования для каждого из них специального файла координатной привязки (World file). Это поволяет осуществлять дигитализацию последовательно по отдельным фрагментам изображения, загружая в оперативную память компьютера только требуемые кадры. При этом достигается существенная экономия вычислительных ресурсов и оказывается возможным использовать персональные компьютеры даже с невысокими средними характеристиками, начиная с Pentium-100 и объема оперативной памяти в 32 Мбайт. 

Производительность векторизации растровых изображений горных выработок в системах AutoCAD 2000 и ArcView 3.1 отличается несущественно. Графические возможности системы AutoCAD значительно превосходят аналогичные возможности системы ArcView, однако, создание и поддержка атрибутивных баз данных в SQL-среде системы AutoCAD (ASE) уступает системе ArcView по производительности и удобству интерфейса. 

Каждый вид (чертеж) в системе ArcView содержит темы, которые выступают аналогами слоев в системе AutoCAD. Однако, практический опыт разработок показывает, что для одного и того же чертежа количество тем в системе ArcView часто превосходит количество слоев в системе AutoCAD (в табл. 1 приведен такой пример соответствия тем системы ArcView и слоев системы AutoCAD). Объяснение этому состоит, во-первых, в большей детализации тем, обусловленной автоматическим характером создания атрибутивных таблиц этих тем в системе ArcView, и во-вторых, в том, что для создания таких табличных баз данных в системе AutoCAD уже требуются дополнительные операции.

Таблица 1 - Соответствие объектов в темах ArcView 3.1 и слоях AutoCAD 14 / 2000

Темы ArcView 3.1

Слои AutoCAD 14 / 2000

Стволы

Выработки

Подготовительные выработки 

Выработки

Скважины

Скважины

Оси скважин

Скважины

Лавы

Лавы

Проектируемые лавы

Проектируемые лавы

Углы падения пласта

Текст

Точки опробования угля

Текст

Стратиграфия

Стратиграфия

Границы барьерных целиков

Целики

Охранные целики

Целики

Эксплуатационные целики

Целики

Геологические нарушения

Геологические нарушения

Линии расщепления пласта

Геологические нарушения

Участки ложной кровли

Геологические нарушения

Песок

Песок

Улицы

Поверхность

Железные дороги

Поверхность

Объекты поверхности

Поверхность

Ниже приведены фрагменты создаваемых электронных планов в системе AutoCAD 2000 (рис. 1) и в системе ArcView 3.1 (рис.2).



Рис. 1. Фрагмент электронного плана в системе AutoCAD 2000.



Рис. 2. Фрагмент электронного плана в системе ArcView 3.1.

Разработанная технология предусматривает выполнять графическое тиражирование созданных электронных планов как с помощью графопостроителей и цветных струйных принтеров. Для размножения планов горных работ в традиционном крупноразмерном формате требуются графопостроители формата А0 или А1, стоимость которых достаточно велика. Имеются примеры тиражирования таких крупноформатных планов путем печати их отдельных частей (полос) на струйных принтерах формата А3 или А2 с последующей склейкой полос. Однако, более перспективным представляется переход на альбомную (планшетную) систему отображения планов горных работ, принятую в ряде европейских стран (в частности, в Германии). Опыт работы с альбомной системой производственного объединения "Павлоградуголь" показывает ее преимущества как в доступности тиражирования планов горных работ или их фрагментов силами самой маркшейдерской службы предприятия, так и в удобстве пользования такими альбомами.

Эффективность использования электронных планов горных работ зависит от их функциональной полноты их создания. Если создавать компьютерные графические копии планов горных работ, то это позволит полностью отказаться от услуг офсетной печати комплектов обменных планов и тиражировать требуемые графические документы в нужном количестве силами самой шахты. Но если создавать электронные планы горных работ именно как геоинформационную систему, то это открывает путь к автоматизации решения целого спектра геолого-маркшейдерских и горнотехнических задач (автоматизированный учет состояния балансовых и промышленных запасов угля в недрах, прогноз динамики напряженного состояния горного массива вследствие ведения очистных работ, автоматизированный контроль проведения подготовительных выработок и учет добычи угля, прогноз сдвижений и деформаций земной поверхности, систему обеспечения текущего и перспективного календарного планирования горных работ и др.). Выбор остается за заказчиком и определяется его финансовыми возможностями и способностью правильно оценить перспективы создаваемой системы.