2.2 Лазерное сканирование, как метод учета горной массы

В последние годы существенно и кардинально изменились методы проведения съемок. Появился метод наземного лазерного сканирования, который кроме прочего позволяет определять объемы взорванной породы, объемы изымаемой горной массы и др., что позволяет использовать его как метод учета горной массы.

Лазерное сканирование - это метод, позволяющий создать цифровую модель окружающего пространства, представив его набором точек с пространственными координатами. Несмотря на принципиальную новизну данного метода, его можно рассматривать как логическое продолжение развития безотражательных технологий и их использования в геодезических инструментах. Основное отличие метода лазерного сканирования от традиционных тахеометров - гораздо большая скорость измерений, сервопривод, автоматически поворачивающий измерительную головку инструмента в горизонтальной и вертикальной плоскостях, а самое главное - скорость (5000 измерений в секунду) и плотность (десятки точек на 1 кв. сантиметр поверхности). Полученная в результате измерений цифровая модель объекта представляет собой набор от сотен тысяч до нескольких миллионов точек, имеющих пространственные координаты с высокой точностью. Кроме этого в большинстве современных сканеров имеется встроенная цифровая камера, позволяющая для каждой точки трехмерного растрового изображения определить показатели интенсивности отражения и истинного цвета, которые на этапе камеральной обработки используются не только для трансформации растрового изображения в векторный формат,

Характерной особенностью данного способа является возможность его применения как при открытой, так и при подземной добыче полезных ископаемых.

Система для наземного лазерного сканирования состоит из наземного лазерного сканера и полевого персонального компьютера со специализированным программным обеспечением. Сканер состоит из лазерного дальномера, адаптированного для работы с высокой частотой, и блока развертки лазерного луча [12].

При использовании для съёмки лазерно-сканирующих систем перед началом собственно съёмки ориентировочно намечаются позиции установок сканера (скан-позиции) относительно снимаемого объекта из расчёта охвата съёмкой возможно большей части объекта.

Число станций сканирования (скан-позиций) должно быть достаточным для полного охвата снимаемого объекта, но при этом необходимо минимизировать их количество для уменьшения времени проведения съёмки и количества измерительной информации о снимаемом объекте.

Исследованиями [12] установлено, что максимальная дальность импульсных сканеров больше, чем у фазовых, что необходимо учитывать при выборе типа оборудования для проведения съемки в зависимости от размеров снимаемого объекта.

Принцип работы лазерного сканера тот же, что и у обычного электронного тахеометра, - измерение расстояния до объекта и двух углов - горизонтального и вертикального, что в конечном итоге дает возможность вычислить пространственные координаты точки. Лазерный излучатель с заранее определенным временным интервалом генерирует пучок электромагнитных волн, который отражается от поверхности снимаемого объекта и возвращается в приемник, как показано на рис. 1. Одновременно с генерацией сигнала излучатель посылает сигнал «старт», который поступает в электронный блок обработки сигналов; в этот же блок поступает сигнал «стоп» от приемника, когда он получает отраженный от объекта сигнал. Излученный и принятый сигналы сравниваются, и по времени прохождения вычисляется расстояние до объекта.

Вращающаяся призма, или зеркало, распределяет лазерный пучок по вертикали с заранее заданным шагом, например 0,1°. Таким образом, в отдельно взятом вертикальном скане будут измерены все точки с дискретностью 0,1°, что при вертикальном угле сканирования, равном 140°, даст 1400 съемочных точек. Затем высокоточный сервопривод поворачивает блок измерительной головки на угол, равный шагу измерения, и цикл измерений повторяется снова. При такой же дискретности 0,1° полный оборот сканера состоит из 3600 отдельных вертикальных плоскостей.

Рис.1 - Принцип работы лазерного сканера [13]

Таким образом, полная цифровая картина пространства будет представлена в виде набора из более чем 5 миллионов (5040000) точек с известными пространственными координатами, для получения которой необходимо затратить около 30 минут времени. Как правило, весь процесс съемки полностью автоматизирован, оператору необходимо только ввести параметры съемки - граничные углы в вертикальной и горизонтальной плоскостях и дискретность съемки. Данные измерений в реальном времени записываются на внешний или внутренний накопитель, а встроенная система визуализации выдает изображение на дисплей специального компьютера.

Типовая система лазерного сканирования способна проводить работы по получению трехмерной цифровой модели с точностью от долей миллиметра до 5 см на расстоянии от нескольких десятков до 2500 метров за время от нескольких секунд до десятков минут. Лазерный сканер имеет поле зрения от 40°х40° до 360°х180° и подходит для съемки и моделирования местности и инженерных объектов.

После проведения лазерного сканирования осуществляются камеральные работы, состоящие в обработке полученных изображений.

Обработка включает в себя: предварительную обработку сырых сканов; объединение (сшивку) сканов; трансформирование координат; создание поверхностей.

В результате получается план поверхности, по которому можно определить необходимые при учете горной массы подвигание забоев.