СПОСОБ МАСШТАБИРОВАНИЯ СНИМКОВ ФОТОПЛАНИМЕТРИЧЕСКОЙ СЪЕМКИ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК
METHOD FOR SCALING IMAGES IN PHOTOPLANIMETRIC SHOOTING OF HORIZONTAL MINE WORKINGS

Изобретение относится к горнодобывающей отрасли и предназначено для производства маркшейдерских работ в горизонтальных горных выработках, основанных на формировании светового контура поперечного сечения выработок, его фиксации фотокамерой и последующей обработки и анализа фотоснимков.
Известен фотопланиметрический способ определения поперечных сечений горных выработок (см., например,  // Rudy. 1961. №9. С. 42-46. и Ю.А. Шашмурин, В.Д. Луковский. Опыт применения фотопланиметрического метода для определения поперечных сечений горных выработок // Технология разработки рудных месторождений Заполярья. - М. -Л.: Наука, 1964. С. 55-57.), в котором для создания светового контура на стенках, кровле и почве выработок используется импульсная лампа - фотовспышка, помещенная в плоскопараллельный рефлектор, представляющий собой конструкцию в виде отражающего диска, создающего определенную ширину светового следа на стенках горной выработки. Для масштабирования снимка применяется масштабный диск, закрепленный на рефлекторе с заранее известным размером диаметра. Сопоставляя между собой диаметр масштабного диска на позитиве и его реальный диаметр, можно вычислить масштаб снимка. После получения позитивного изображения объекта съемки с помощью планиметра определяется истинная площадь сечения с учетом масштаба.
К недостаткам способа относится импульсный характер создания светового кольца, зависимость ширины светового следа кольца на стенках, кровле и почве выработок от расстояния до импульсной лампы, значительная масса комплекта. При этом погрешность определения площади сечения обусловлена малыми размерами масштабирующего диска, погрешностью планиметра и ошибки фотографирования, выражающейся в отклонениях фотоаппарата относительно оси выработки и неперпендикулярности расположения рефлектора.
Известен фотопланиметрический способ определения поперечных сечений горных выработок прибором "ФС-6" (см. Инструкция по производству маркшейдерских работ. - М.: Недра, 1987. Приложение 39. С. 52, 214-217.), в котором для создания светового контура применяют лампу - вспышку, свет которой тороидальной линзой собирается в плоскость, перпендикулярную к оси прибора, создавая полосу поперечного сечения выработки. Масштабирование выполняется двумя взаимно перпендикулярными базисами в виде штанг с марками на концах. Масса импульсного осветителя вместе со штативом для его установки составляет около 8 кг. Для съемки светопрофиля выработок применяются фотокамеры, снабженные объективами с фокусными расстояниями не более 50 мм, и пленка светочувствительностью не менее 250 единиц.
К недостаткам данного способа так же, как и предыдущего, относятся импульсный характер создания светового кольца, зависимость ширины светового следа кольца на стенках, кровле и почве выработок от расстояния до импульсной лампы, значительная масса комплекта, погрешность определения площади сечения, обусловленная малыми размерами масштабирующих базисов по сравнению с размерами выработок, сложность ориентации его по проектному сечению выработки, особенно в случаях, когда маркшейдерское направление съемки не совпадает с направлением продольной оси выработки (например, при наличии в выработке рудоспусков или других объектов, мешающих совмещению маркшейдерского направления съемки с продольной осью выработки) - это снижает точность нанесения контуров выработки на маркшейдерскую документацию и точность подсчета объемов погашенных пустот, так как не контролируется инструментально перпендикулярность плоскости пластин относительно продольной оси выработки, необходимость использования дополнительного устройства для съемки расстояний до освещенного контура выработки.
Известен способ съемки сечения выработанного пространства (выработки) (А.А. Трофимов и др. Фотограмметрический способ контроля поперечного сечения горных выработок больших размеров. / Сб. науч. тр. Передовые технологии и технико-экономическая политика освоения месторождений в XXI веке. - ГАЦМиЗ, Красноярск, 2000. - С. 67), основанный на применении световых приборов, используемых в горной промышленности для съемки контуров горных выработок фотограмметрическим методом, сущность которого заключается в том, что контролируемое сечение освещается и фотографируется в определенном масштабе. Для формирования светового контура выработанного пространства (выработки), используется точечный источник света, расположенный на верхнем конце рейки, с помощью которой источник света последовательно обводится по контролируемому сечению. Масштабирование осуществляется путем определения координат источника света и соотнесения их с координатами в плоскости снимка.
Недостатками данного способа является необходимость использования дополнительного устройства для съемки расстояний до освещенной точки на контуре выработки; низкая надежность работы вследствие возможности возникновения при его осуществлении различного рода механических воздействий (например, ударов); сложность его применения в выработках с большой высотой; недостаточная точность съемки сечений камерных выработок, так как инструментально не контролируется положение снимаемого сечения относительно продольной оси выработки.
Известен способ съемки поперечных сечений выработок путем фотографирования ее контура (авторское свидетельство СССР №255594, МПК E21F 17/00, опубл. 28.10.1969), в котором контур выработки получают суммированием отдельно заснятых участков, изображенных на фотограммах фотокамеры, которую устанавливают на расстоянии от источника света, причем оптическая ось фотокамеры параллельна плоскости снимаемого контура. Световой контур создается импульсной лампой с щелевой диафрагмой и объективом проектора. Масштабирование выполняют по зависимости между координатами одних и тех же точек, находящихся на стенках выработки и соответствующих им точек на фотоснимке.
Недостатками данного способа является импульсный характер создания светового контура выработки и его сегментное представление, большое количество вспомогательных операций как в полевых (определение координат точек контура выработок для масштабирования снимков с использованием теодолита и рулетки), так и в камеральных условиях (распечатка фотоснимков и их трансформация на проекторе).
Известен фотопланиметрический способ оценки устойчивости горных выработок по авторскому свидетельству СССР №1647256, МПК G01C 11/06, опубл. 07.05.1991), который заключается в создании светового контура путем перемещения (обкатки) точечного источника света по периметру оконтуренного маркирующим составом створа. Луч точечного источника света описывает контур выработки, при этом световой профиль выработки периодически фиксируют на фотопленке (фотопластинке) при открытом на весь период обкатки затворе фотокамеры. Размещение базы масштабирования в плоскости наблюдательного створа создают путем установки ее середины под отвесом, ориентируя базу по противоположным сторонам маркирующей линии, с возможным контролем установки теодолитом. За опорные при обработке фотограмм принимают координаты помещенного горизонтально в плоскости наблюдательного створа и зафиксированного на фотограммах отрезка известной и постоянной длины, являющегося базой масштабирования.
К недостаткам этого способа относятся поточечное создание светового контура в ручном режиме, что требует затрат большого количества времени и применение отрезка известной и постоянной длинны для масштабирования снимков, большой объем фотографических полевых и камеральных работ.
Известен способ съемки с помощью цифрового фотоаппарата (ЦФА) световых сечений, создаваемых лазерным сканирующим нивелиром (ЛСН), (См. В.М. Михайлов, К.С. Сергеев "О съемках сечений выработок". Маркшейдерский вестник. №4. - 2003 - С. 32-35), принятый за прототип. Согласно этому способу световой контур на стенках выработки формируется с помощью ЛСН, при этом координаты точек стояния ЦФА и ЛСН в плоскости сечения выработки определяются заранее путем маркшейдерской съемки, т.е. каждая плоскость сечения выработки обычно ориентируется с помощью приборов. Центральная точка плоскости сечения выработки в виде красной точки ЛСН фиксируется в ЦФА, центрированном на точке съемки. След движущейся развертки лазерного луча на поверхности выработки образует поперечный контур выработки, фотографируемый ЦФА. После съемок с помощью компьютера решается задача трансформирования каждого снимка по координатам центра излучения ЛСН и центральной точки снимка, масштабирование изображения лазерного следа и введение поправок в координаты точек следа лазерного луча за дисторсию объектива данной модели ЦФА. Для масштабирования снимка в плоскости сечения необходимо иметь масштабирующий базис типа рейки определенной длины или две световых точки с постоянным расстоянием между ними. В противном случае необходимо иметь постоянный базис фотографирования или оба пункта (центры стояния ЦФА и импульсного излучателя в плоскости сечения выработки) должны быть заранее закоординированы.
К недостаткам такого способа можно отнести то, что на стенках выработки создается только одна вертикальная поперечная по отношению к оси выработки линия светового следа, а это предполагает выполнение маркшейдерской инструментальной съемки для ориентирования плоскости сечения. Кроме того, для масштабирования снимков в плоскости сечения необходимо иметь масштабирующий базис в виде рейки или штанги определенной длины или двух световых точек. При этом расстояние между точками должно быть постоянным, либо их положение требуется заранее координировать. Следует отметить, что размеры базисов в виде рейки или штанги значительно меньше размеров горных выработок, что снижает точность съемки, особенно выработок большого сечения. Указанные недостатки увеличивают объем подготовительных работ и снижают оперативность фотопланиметрической съемки, что в ряде случаев приводит к отказу от нее в виду значительных затрат времени на подготовительные операции.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение точности съемки, а также оперативность и безопасность полевых работ за счет сокращения времени на создание и измерение масштабирующих базисов снимков для их последующего масштабирования при проведении камеральной обработки результатов фотопланиметрической съемки.
Технический результат достигается тем, что создают с помощью лазерного построителя плоскостей постоянно видимые на контуре выработки линии световых следов от трех взаимно перпендикулярных плоскостей, при этом места пересечения линий световых следов образуют опорные точки, между которыми автоматически формируются масштабирующие базисы, длины которых измеряют лазерной рулеткой, определяют координаты опорных точек, а затем масштабируют цифровые снимки путем обеспечения совпадения координат опорных точек, определенных по результатам измерений в горной выработке, и координат соответствующих опорных точек в системе координат снимка, что обеспечивает повышение точности съемки, а также оперативность и безопасность полевых работ.
Способ поясняется чертежом, на котором показана схема сечения горной выработки с масштабирующими базисами, создаваемыми лазерным построителем плоскостей на стенках выработки, где:
1 - вешка-штатив;
2 - лазерный построитель плоскостей (ЛПП);
3 - опорные точки;
4 - линия светового следа поперечной вертикальной плоскости ЛПП;
5 - линия светового следа горизонтальной плоскости ЛПП;
6 - линия светового следа продольной вертикальной плоскости ЛПП;
7 - вертикальный масштабирующий базис;
8 - горизонтальный масштабирующий базис;
9 - наклонные масштабирующие базисы.
Способ съемки осуществляют следующим образом. На подготовительном этапе по оси выработки устанавливают вешку-штатив 1 с лазерным построителем плоскостей (ЛПП) 2, который с помощью линии 6 светового следа продольной вертикальной плоскости ЛПП ориентируют по оси выработки. Опорные точки 3 формируются автоматически в местах пересечения линии 4 светового следа поперечной вертикальной плоскости ЛПП, линии 5 светового следа горизонтальной плоскости ЛПП и линии 6 светового следа продольной вертикальной плоскости ЛПП. Расстояния между опорными точками 3 во всех комбинациях (вертикальный масштабирующий базис 7, горизонтальный масштабирующий базис 8 и четыре наклонных масштабирующих базиса 9) измеряют с помощью электронной рулетки. Если ЛПП 2 перекрывает видимость между опорными точками 3, то длины вертикального 7 и горизонтального 8 масштабирующих базисов измеряют между центром ЛПП 2 и опорными точками 3. На этапе измерений выполняют фотографирование линии 4 светового следа поперечной вертикальной плоскости ЛПП. При этом для повышения точности съемки цифровой фотоаппарат (ЦФА) следует размещать вертикально и на таком расстоянии от ЛПП 2, чтобы в плоскости экрана ЦФА площадь, ограниченная линией 4 светового следа поперечной вертикальной плоскости ЛПП, занимала 70-80% снимка. На этапе камеральной обработки цифровой снимок в растровом формате подвергают трансформированию на основе обеспечения совпадения координат опорных точек в горной выработке и соответствующих им точек, видимых на снимке. После трансформации выполняют оцифровку линии светового следа поперечной вертикальной плоскости ЛПП 4, по результатам которой определяют площадь поперечного сечения выработки и решают другие маркшейдерские задачи. Способ поясняется следующими примерами.
В результате тестовой фотопланиметрической съемки поперечного сечения горизонтальной горной выработки, выполненной предлагаемым способом цифровыми фотокамерами разных типов смартфонов, и последующего определения площади контрольного сечения, были получены значения площадей выработок, которые отличались от контрольных менее чем на 1% (табл. 1).
Заявляемый способ позволяет без использования импульсных ламп, стационарных фотоаппаратов и базисов постоянных размеров, а также без инструментального ориентирования и координирования сечений, создать и сориентировать, с помощью лазерного построителя плоскостей, постоянно видимые на контуре выработки линии световых следов от трех взаимно перпендикулярных плоскостей. При этом места пересечения световых следов принимают как опорные точки, между которыми автоматически образуются масштабирующие базисы, длины которых измеряют лазерной рулеткой, для определения координат опорных точек. А затем, с целью масштабирования снимков, обеспечивают совпадение координат опорных точек, определенных по результатам измерений в горной выработке, и координат соответствующих опорных точек в системе координат снимка, что обеспечивает повышение точности съемки, а также оперативность и безопасность полевых работ.