автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.01, диссертация на тему:Обоснование и разработка автоматизированной технологии определения сдвижений и деформаций земной поверхности по материалам аэрофотосъемки

РГб ОЛ

2 О Ш05

На правах рукописи

ТАРАТИИСКИЙ Григорий Моисеевич

ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ

ТЕХНОЛОГИИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СДВИЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПО МАТЕРИАЛАМ АЭРОФОТОСЪЕМКИ

Специальность: 05Л5.01 - "Маркшейдерия"

Автореферат

диссертации иа соискание ученом степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1996

Работа выполнена в Государственном научно-исследовательском институте горной геомеханики и маркшейдерского дела (ВНИМИ)

Научный руководитель - кандидат технических наук Забродин Геннадий Владимирович

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор,

член-корреспондент РАЕН Павлов Виктор Иванович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник Бошенятов Евгений Владимирович

Ведущее предприятие - Государственный региональный центр "Севзапгеоинформ"

Защита диссертации состоится "_ /3 » июка. 1996 г. в 40 — час. на заседании диссертационного Совета Д. 135.06.01 при Государственном научно-исследовательском институте горной геомеханики и маркшейдерского дела по адресу: 199026, г. С.Петербург, В-26 Средний пр., 82, зал заседания Совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан иииЯЛ 996г.

Исх. № О "/ОМ

Ученый секретарь диссертационного Совета, доктор технических наук, профессор

В.М.ШИК

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 коррелированное™ 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 нарущений 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" ("Се взапгеоинформ") 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 IX 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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе на основе анализа разнообразных задач контроля за сдвижением и деформациями земной поверхности на подрабатываемых территориях, гидроотвалах и хвостохранилищах определены условия, обеспечивающие возможность организации наблюдений за сдвижением и деформациями с помощью аэрофототриангуляции. Главными из них являются повышение точности фототриангуляции, рациональное проектирование аэрофотограмметрической съемки, комплексная автоматизация обработки ее результатов.

Исходя из этого, признано необходимым разработать эффективные алгоритмы и программы для строгого уравнивания фототриангуляционных сетей произвольной конструкции с самокалибровкой аэроснимков и объективной оценкой точности полученных результатов.

Методика проектирования съемки должна обеспечивать оптимальный выбор параметров съемки и конструкции фототриангуляционной сети с детальным учетом особенностей конкретного объекта наблюдения. Необходимой предпосылкой оптимизации проектирования является объективный предрасчет точности вариантов проекта.

Контроль за сдвижением и деформацией поверхности на больших площадях с применением аэрофотосъемки требует построения крупных фототриангуляционных сетей, включающих сотни аэроснимков. Сбор, хранение, оперативный анализ больших объемов информации о состоянии рельефа, формирование многочисленных выходных документов возможны лишь при условии автоматизации сбора и обработки информации. Автоматизация стереоизмерений должна быть обеспечена за счет сопряжения измерительного прибора с ПЭВМ и разработки специальных программ, управляющих процессом измерения снимков. Накопление, хранение и поиск информации для автоматического формирования цифровых и графических документов требуют создания автоматизированного банка данных, а также комплекса программ для выполнения расчетов и подготовки отчетных документов.

Вторая глава посвящена исследованиям и разработкам, связанным с реализацией избранного способа фототриангуляции. Разработанная методика и программный комплекс ТИАР обеспечивают совместное уравнивание всех видов измерений, выполняемых в фототриангуляционной сети, в том числе: стереоизмерений на аэроснимках, измерений, выполняемых на местности и на борту летательного аппарата. Уравнивание выполняют способом связок, основанным на использовании условия

коллинеарности векторов, связывающих центр фотографирования с точкой местности и ее изображением на снимке:

= га,(х -Х>ь,(у - г.),

х "" аз(х -Х3)+Ь,(У -У,)+с,(г-ъ*)+х°'

(1)

у - г а,(х -ХзхЫу -У.Ь&(2 -ъ) | * а,(х -х*)+ь,(у -у8)+сз(г -г*) 0'

где Х»У - координаты изображения точки на снимке; I >х.>У, ~ элементы внутреннего ориентирования; X 'У >Ъ ' пространственные

прямоугольные координаты точки местности; Хз'Уз'^'(Хз'Т1Ь'Хз "

элементы внешнего ориентирования, а,Ь,с - направляющие косинусы.

Для соблюдения условий строгого уравнивания необходимо компенсировать нарушения условия (1), вызванные деформацией аэрофотоизображений, и учесть корреляцию погрешностей измерений. С этой целью разработана модель корреляции погрешностей, на основе которой получены формулы для вычисления коэффициентов весовой матрицы измерений.

Компенсация систематических искажений аэроснимков достигается с помощью самокалибровки - внесения поправок в фокусное расстояние АФА и в координаты изображений точек, значения которых определяют в процессе уравнивания. Для этого в уравнения поправок, полученные из условия (1), включают

дополнительные неизвестные^ {,т| '■

ЬЕ-5Е+Ьг-5т+Ь-5г+1иС+Ьх = Тх

Здесь 8Е - вектор поправок к ЭВО снимка, 5Т - вектор поправок к координатам точки, V - поправки к координатам ее изображения,

Ь - свободные члены уравнений, Ь и g - векторы коэффициентов, §г -поправка к фокусному расстоянию АФА, .Т| - векторы поправок к

координатам точек, расположенных на снимке в узлах сетки квадратов, ориентированных параллельно сторонам снимка. Коэффициенты Ье'8е'Ьт'8т" частные производные выражения (1) по соответствующим аргументам, а определяют по формуле:

/ 1=1

где ]§, равно расстоянию от точки до узла для 4-х ближайших узловых точек, 0 - для остальных.

Надежность результатов фототриангуляции обеспечивает система контроля измерений на всех этапах построения и уравнивания сети. Особое внимание уделено раннему выявлению грубых ошибок измерений, так как при этом значительно сокращаются затраты труда и времени на их локализацию и исправление. Аппарат контроля функционирует, используя систему допусков, устанавливаемых в соответствии с нормативными документами для различных видов работ.

Для выполнения строгого уравнивания фототриангуляционных сетей произвольной конструкции на персональных ЭВМ разработан и программно реализован эффективный способ решения больших систем нормальных уравнений поправок. Сущность способа состоит в рациональной организации вычислений с помощью группировки неизвестных, последовательного исключения групп по методу Гаусса, обобщенному на матричные клетки, чередования операций формирования клеток матрицы системы нормальных уравнений с операциями исключения неизвестных в сочетании с динамическим распределением ресурсов ЭВМ. Алгоритм включает автоматический анализ и интерпретацию структуры матрицы коэффициентов нормальных уравнений, обусловленной конструкцией фототриангуляционной сети. В результате уравнительных вычислений определяются наиболее вероятные значения координат точек сети, элементов внешнего ориентирования снимков и параметров самокалибровки снимков.

Для оценки точности фототриангуляционной сети вычисляют стандарты погрешностей координат определяемых точек по формуле:

а = Цл/д, (4)

где ц-о шибка единицы веса, (^-соответствующий диагональный элемент обратной матрицы коэффициентов системы уравнений (2). <3 вычисляют методом дополнительных столбцов одновременно с уравниванием сети. Стандарты погрешностей обеспечивают объективную оценку точности сети без использования контрольных точек.

При организации наблюдений за сдвижением и деформациями земной поверхности с помощью фототриангуляции может возникнуть необходимость определить координаты точек, которые изобразились на снимках, но не были включены в сеть. Для вставки дополнительной точки в уравненную фотограмметрическую сеть разработана программа, которая вычисляет координаты такой точки методом многократной прямой фотограмметрической засечки с использованием измеренных координат х('У,ее изображений на фотоснимках сети, а также полученных из уравнивания значений ЭВО

снимков х5 'У >г8 >0Ц 'X и параметров самокалибровки

Для автоматизации измерения снимков, выполняемого с помощью аналитической фотограмметрической станции ББ-ЗООО или стереоизмерительного прибора, сопряженного с ПЭВМ типа 1ВМ-РС/АТ посредством специального интерфейсного блока, разработан программный аппарат, включающий средства контроля, анализа и визуализации результатов измерений и расчетов, графической и звуковой индикации выявленных ошибок и их оперативного исправления, автоматической блокировки неверных действий оператора. Наряду с контрольно-диагностическими функциями эти программы обеспечивают рациональное планирование последовательности измерений, облегчают поиск объектов на снимке, выполняют автоматическую регистрацию измерений, защиту информации, параметрическую настройку вычислительных алгоритмов, ряд сервисных функций.

Третья глава посвящена разработке методики и программного обеспечения для автоматизации проектирования

аэрофотограмметрической съемки. Высокие требования, предъявляемые к качеству проекта аэрофотограмметрической съемки, выполняемой для определения сдвижений и деформаций земной поверхности, разнообразие факторов, оказывающих влияние на точность результатов, требуют разработки таких методов и средств планирования съемки, которые обеспечат гибкость и оперативность в выборе проектных решений и объективные критерии их оценки. Этим требованиям удовлетворяет методика, включающая математическое моделирование вариантов фототриангуляционной сети, вычисление стандартов погрешностей координат точек моделей и сравнение вариантов по критерию минимальной трудоемкости при обеспечении требуемой точности.

Модель аэрофототриангуляционной сети включает цифровую модель объекта, модель съемки и модель аэрофильма. Исходными данными для моделирования служат характеристики объекта съемки (в том числе его форма и размеры в плане, характер рельефа поверхности, координаты и класс точности пунктов опорного обоснования), характеристики аэрофотосъемочной аппаратуры, параметры конструкции сети, априорная оценка точности измерительных работ. Модель аэрофильма формируется автоматически и представляет совокупность значений элементов внешнего ориентирования снимков сети и координат изображений точек модели объекта на снимках.

Стандарты ст погрешностей координат точек модели определяют по формуле (4).

Для формирования моделей на ЭВМ разработана диалоговая программа MODEL. Вычисление стандартов погрешностей координат точек модели сети обеспечивает программа построения и уравнивания фототриангуляционных сетей, входящая в состав п.к. TRAP.

Четвертая глава посвящена разработке программного комплекса MODES для вычисления сдвижений и деформаций земной поверхности. Программы комплекса обеспечивают накопление и систематизацию материалов съемки подрабатываемых объектов, вычисление сдвижений и деформаций земной поверхности и представление их в цифровой и графической форме. Важнейшую часть комплекса составляет база данных (рис.1.), которая содержит информацию о структуре наблюдательных станций, организации наблюдений и состоянии рельефа поверхности объектов на моменты съемки. Состав базы данных определен с таким расчетом, чтобы обеспечить с одной стороны автоматизированное вычисление сдвижений и деформаций земной поверхности, с другой - предоставить необходимую информацию дня пополнения базы данных, а также для анализа методики наблюдений. Программы комплекса MODES позволяют строить на принтере или графопостроителе разнообразную отчетную документацию по сдвижению и деформациям земной поверхности, как в пунктах, закрепленных пикетами профильных линий, так и за пределами наблюдательных станций, в том числе таблицы и графики сдвижения и деформации, планы изолиний оседаний и векторов горизонтальных сдвижений.

В пятой главе приводятся результаты экспериментальной проверки и опытной эксплуатации автоматизированной технологии контроля за сдвижением и деформацией земной поверхности с помощью аэрофотосъемки. Проверялись точность вычисления пространственных координат точек местности, расстояний и превышений, надежность предварительных и апостериорных оценок точности, производительность при выполнении основных технологических операций. Проверка выполнялась на материалах реальных съемок и на аналитических моделях. Точность построения сети оценивалась по значениям невязок wx, wy, wz координат 285 контрольных точек. Вычислялись средние квадратические погрешности mx,my,mz координат определяемых точек, их систематические Ах, Ay, Az и случайные 8х, 5у, дг составляющие (Габл.1.). Построение маршрутных и блочных фототриангуляционных сетей выполнялось по аэрофотоснимкам полигона ЦНИИГАиК

Структурный блок Технологический блок

Рис. 1. Схема базы данных MODES

(3 параллельных маршрута по 8 снимков с поперечным перекрытием менее 50%). Снимки формата 18*18 см. в масштабе 1:5000 получены АФА-41 100мм).

Уравнивались следующие варианты сетей:

1М - маршрутные сети с 6 опорными планово-

высотными точками (рис.2.);

2М - то же, но без опорных точек,

расположенных в центре маршрута;

1Б - блочная сеть из трех параллельных

маршрутов с 12 опорными планово-высотными точками;

2Б - то же, но без опорных точек,

расположенных в центре маршрутов.

Кроме того, для варианта 1Б выполнена оценка точности с использованием 123 связующих между маршрутами точек (вариант 1С) и вычислены стандарты стх, сту, ог погрешностей их • уравненных координат по формуле (4). Количество невязок координат, превысивших двойной стандарт, составило 5.3%.

Таблица 1

Погрешности координат точек фототриангуляционных сетей

X ту тг Ах Ау Ьх 8х 5у Ъг

см см см см см см см см см

1М 7 7 10 3 3 1 6 6 10

2М 8 7 21 3 2 17 7 7 12

1Б 5 6 6 0 1 0 5 5 6

2Б 5 6 9 0 2 3 5 6 8

1С 4 4 5 0 1 0 4 4 5

1 к к

к 1 к

ш

к к к

к 1 к

к к к

к к к

1Б

Рис.2

Погрешности относительных смещений (расстояний - и

превышений - щ ) в сети 1Б для пар точек, отстоящих на 100 м и 200

м, приведены в (Табл.2.). Как видно из таблицы, погрешности относительных смещений близлежащих точек практически равны погрешностям координат.

Таблица 2. Погрешности относительных смещений

Интервал м П»ДЬ м

м

Связующие точки 100 0.05 0.03

(С >5 200 0.06 0.03

Не связующие 100 0.07 0.05

66 99 200 0.08 0.06

Опытная эксплуатация технологии включала построение и уравнивание фототриангуляционных сетей по материалам аэрофотосъемки подрабатываемых участков и гидроотвальных сооружений с целью определения сдвижений и деформаций.

Для оценки точности определения осадки намывного массива Бековского гидроотвала выполнено сравнение средних отметок трех участков пляжной зоны, полученных из обработки четырех маршрутных сетей. В каждой сети средняя отметка участка была получена как среднее арифметическое значение отметок пикетов, набранных по регулярной сетке с шагом 50 м. Для трех участков пляжа средние квадратические отклонения средних отметок в серии из четырех испытаний составили 0.03 - 0.05 м или менее 0.0001 от высоты фотографирования.

С целью определения сдвижений и деформаций земной поверхности на территории г. Осинники площадью 20 кв.км, подрабатываемой шахтой "Капитальная" в 1990 и 1991 гг. выполнены аэрофотосъемки масштаба 1:5000 (6 параллельных маршрутов с 60% продольным и поперечным перекрытием снимков).. По результатам уравнивания стандарты погрешностей плановых и высотных координат в самых слабых местах не превышали 0.05 м. Погрешности координат контрольных точек (56 плановых и 72 высотных) не

превышали двойного стандарта, а их средние квадратические значения составили 0.042 - 0.045 м в плане и 0.047 м по высоте. При этом установлено, что на застроенных территориях точность определения деформаций по маркированным точкам и по четким контурным точкам была одинакова. Опыты подтвердили, что повышение точности может быть достигнуто за счет многократного перекрытия снимков. Так для точек, изобразившихся на 5-6 снимках, точность определения абсолютных смещений возросла до 1,5 раз, а относительных деформаций в 1,5 раза в плане и до 2 раз по высоте, по сравнения с точками, изобразившимися на 2-3 снимках.

В дополнение к этому проверка функциональных возможностей технологии аэрофотомониторинга подрабатываемых территорий выполнена на аналитических моделях. Моделировалась

съемка характерных объектов контроля, в качестве которых выбраны: I - участок шахтного поля площадью 6 кв. км; II -участок нефте-газового

месторождения площадью 100 кв. км.

Фотограмметрическая сеть на участок шахтного поля (рис.3.) запроектирована в двух вариантах. В варианте I-A сеть образована 8-ю параллельными маршрутами при 60-процентном продольном и поперечном перекрытии снимков. Каждый маршрут включает 13 аэроснимков масштаба 1:3000 и форматом кадра 230*230 мм. В варианте I-Б сеть дополнена 6-ю каркассными маршрутами.

Опорная сеть в обоих вариантах состоит из 20-ти планово-высотных пунктов, расположенных по периметру участка, и двух пунктов в центре его. Координаты всех опорных пунктов должны быть определены со средней погрешностью 0.01 м. При соблюдении этих условий стандарты погрешностей плановых и высотных координат определяемых точек, расположенных в самых слабых местах сети, согласно расчетам, не должны превысить: для варианта I-A соответственно 0.02 и 0.03 м; для варианта 1-Б - 0.015 и 0.02 м.

1 КМ I-1

Рис.3.

А

Фотограмметрическая сеть на участок нефте-газового месторождения (рис.4.) также запроектирована в двух вариантах, отличающихся составом опорных данных.

Сеть образована 12-ю маршрутами с 60-процентным продольным и поперечным перекрытием снимков. Каждый маршрут включает 13 аэроснимков масштаба 1:10000 (f=90MM, формат кадра 230*230 мм).

Опорная сеть варианта А состоит из 9-ти планово-высотных пунктов,

расположенных по периметру участка, и одного планово-высотного пункта в центре участка Координаты всех опорных пунктов должны быть определены со средней погрешностью 0.1м. В варианте Б опорная сеть включает 4 планово-высотных пункта, расположенных по углам участка. Кроме того, используются координаты центров проектирования, измеренные с помощью бортового

вариант GPS приемника. В варианте И-А стандарты погрешностей координат определяемых точек сети в самых слабых ее местах не превышают 0.18 м в плане и 0.20 м по высоте. В варианте Н-Б эти стандарты равны соответственно 0.14 м и 0.09 м.

1 ¡см

Рис.4.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

С целью совершенствования методов контроля за сдвижением и деформациями земной поверхности на подрабатываемых территориях, гидроотвалах и хвостохранилищах в диссертации выполнены исследования, направленные на обоснование и разработку автоматизированной технологии маркшейдерских наблюдений за сдвижением и деформациями с применением аэрофотосъемки.Разработка такой технологии решает важную задачу определения сдвижений и деформаций на всей площади подрабатываемого объекта. При этом решается проблема одновременной фиксации состояния земной поверхности на больших

территориях и проблема безопасности при съемке недоступных объектов, таких как гидроотвалы, хвостохранилища, оползни.

На основании анализа технических требований, предъявляемых к организации и точности измерений при наблюдении за сдвижением и деформацией земной поверхности при выемке твердых, жидких и газообразных полезных ископаемых, установлено, что наиболее эффективным методом наблюдений, в особенности на обширных территориях, является аэрофототриангуляция, дополняемая наземными геодезическими измерениями на отдельных ответственных участках. Исследованиями установлено, что условиями применения фототриангуляции для наблюдения за сдвижением и деформациями земной поверхности являются:

повышение ее точности до уровня, обеспечивающего решение большинства задач контроля за сдвижением и деформациями; сокращение затрат на полевую подготовку аэросъемки; повышение производительности труда при выполнении камеральной обработки материалов съемки.

Установлено, что необходимая точность фототриангуляции может быть достигнута при комплексном использовании специальных математических моделей, алгоритмов, технологических приемов и технических средств.

Анализ отечественных и зарубежных исследований в области аналитической фотограмметрии показывает, что наивысшая точность фототриангуляции достигается при построении блочных сетей способом связок с устранением систематических погрешностей снимков методом самокалибровки. В диссертации исследованы теоретические и вычислительные аспекты реализации этого способа:

Исследована математическая модель уравнивания фототриангуляционных сетей, включающая все виды измерений, выполняемых при построении сетей, в том числе: стереоизмерения на аэроснимках, полевые геодезические измерения, измерения на картах и планах, измерения, выполненные на борту летательного аппарата.

Выполнен анализ характера искажений фотоизображений, погрешностей измерения координат точек на аэроснимках и их взаимозависимости. Получены формулы для вычисления коэффициентов весовой матрицы уравнений поправок, учитывающие неравноточность измерений и корреляцию их погрешностей.

Для самокалибровки аэроснимков разработан метод интерполяционных узлов, адекватно описывающий характер систематических искажений фотоизображения.

Разработана методика выявления грубых ошибок, возникающих при измерении снимков, и устранения этих ошибок непосредственно в процессе измерения.

Исследованы закономерности строения матрицы коэффициентов системы нормальных уравнений поправок, определяемые

конструкцией фотограмметрической сети, и принципы рациональной организации уравнительных вычислений, вытекающие из этих закономерностей. В результате разработан самонастраивающийся алгоритм, обеспечивающий строгое уравнивание крупных фототриангуляционных сетей произвольной конструкции на ЭВМ средней мощности.

Разработан эффективный алгоритм вычисления стандартов погрешностей координат точек сети, обеспечивающий объективную оценку точности сети без использования контрольных точек.

Разработан алгоритм вставки дополнительных точек в фотограмметрическую сеть при помощи решения многократной прямой фотограмметрической засечки с устранением систематических погрешностей снимков и оценкой точности вычисленных координат.

Разработаны методы оптимизации стереоизмерений, выполняемых при помощи аналитических фотограмметрических рабочих станций или стереоприборов, сопряженных с ПЭВМ. В результате обеспечено рациональное планирование последовательности измерений, их автоматическая регистрация, разносторонний контроль, выявление измерений, отягощенных грубыми ошибками, и их коррекция, наглядное представление измерений и результатов вычислений, защита и восстановление информации в случае сбоев оборудования.

Разработанные методы и алгоритмы реализованы в комплексе программ TRAP для ПЭВМ типа IBM PC/AT.

Для оптимизации проектирования аэрофотограмметрической съемки с целью сокращения дорогостоящих полевых геодезических измерений разработана методика предрасчета точности фототриангуляцинных сетей, основанная на цифровом

моделировании сети и вычислении стандартов погрешностей координат точек модели. Методика реализована в комплексе программ MODEL для ПЭВМ типа IBM PC/AT. Показана возможность использования методики и программ как для иследовательских работ, так и в качестве инструмента рабочего проектирования.

На моделях и реальных объектах исследованы методические приемы рационального выбора конструкции фотограмметрической сети, параметров аэрофотосъемки, варианта опорного обоснования. В частности, обоснованы возможность и целесообразность применения следующих проектных решений:

геодезического ориентирования фотограмметрических сетей по опорным точкам, координаты которых измерены на карте или плане;

ориентирования крупных сетей блочного типа с использованием определенных в полете координат центров

проектирования при минимальном количестве наземных опорных точек;

использования в составе опорных данных измеренных на местности расстояний, превышений, дирекционных углов направлений.

Разработана методика автоматизированного определения сдвижений и деформаций по данным двух и более аэросъемок. Методика включает формирование и ведение базы данных, вычисление сдвижений и деформаций, составление графических и цифровых форм с помощью автоматических рисующих и пишущих устройств. Методика реализована в виде программного комплекса MODES.

В результате выполненных исследований разработана комплексная автоматизированная технология определения сдвижений и деформаций земной поверхности по аэрофотоснимкам с использованием ПЭВМ. Основу технологии составляют три программных комплекса: MODEL, TRAP, MODES, с помощью которых выполняется:

проектирование аэрофотограмметрической съемки с применением математического моделирования;

измерение координат изображений точек на снимках с анализом результатов измерений;

построение фототриангуляционной сети произвольной конструкции методом связок с устранением систематических искажений фотоизображения способом самокалибровки и оценкой точности сети;

вычисление сдвижений и деформаций по материалам двух и более съемок, составление выходных документов в цифровом и графическом виде.

Технология прошла всестороннюю экспериментальную проверку на специальных калибровочных полигонах, а также опытно-промышленную эксплуатацию при оценке сдвижений и деформаций гидроотвалов угольного разреза Бочатский, подрабатываемой земной поверхности на территории геодинамического полигона г. Осинники. Кроме того, технология использовалась Союзмаркштрестом и институтом Гипроспецгаз для сгущения съемочного геодезического обоснования при топографической съемке местности. Экспериментальные исследования и опытно-промышленная эксплуатациия подтвердили эффективность разработанной технологии, высокую точность и надежность полученных результатов, высокую степень автоматизации всех процессов от проектирования до получения выходных документов.

В настоящее время технология эксплуатируется в концерне "Кузбассразрезуголь", предприятиях "Уралмаркшейдерия",

"Севермаркшейдерия" и в институте Гипроспецгаз.

Дальнейшее развитие автоматизированной технологии маркшейдерского контроля за сдвижением и деформациями земной поверхности по аэроснимкам предполагает расширение ее возможностей в связи с использованием аналитических и цифровых фотограмметрических рабочих станций, а также системы GPS для определения в полете координат центров проектирования.

Актуальной проблемой является оценка изменений земной поверхности, происходивших в течение длительного периода, по материалам аэросъемок прежних лет, выполненных с различными целями. В связи с этим необходимо решить задачу построения фототриангуляционных сетей из снимков разных масштабов, полученных в различных условиях.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1.Забродин Г.В., Крельштейн И.Н., Таратинский Г.М. Технология пространственной фототриангуляции для определения сдвижений и деформаций подрабатываемой земной поверхности. // Маркшейдерский вестник - 1994. - N 4. - С. 17-23.

2.3абродин Г.В., Крельштейн И.Н., Таратинский Г.М. Технология аэрофотомониторинга для определения сдвижений и деформаций подрабатываемой земной поверхности. // Прогрессивные технологии производства и обработки маркшейдерских и геологических съемок: Сб. науч. тр./ВНИМИ. - Л. 1995. - С.33-39.

З.Забродин Г.В., Крельштейн И.Н., Таратинский Г.М. Аэрофотомониторинг для определения сдвижений и деформаций подрабатываемой земной поверхности. // Сб. докладов 1-й всероссийской конференции "Поиски нефти, нефтяная индустрия и охрана окружающей среды". С.-Петербург, 17-22 апреля 1995. - С. 8488.

4.3абродин Г.В., Занько Л.С., Лобанов А.Г., Таратинский Г.М. База данных аэрофотомониторинга подрабатываемой земной поверхности. // Прогрессивные технологии производства и обработки маркшейдерских и геологических съемок: Сб. науч. тр./ ВНИМИ. - Л. 1995.-С. 40-46.

5.Таратинский Г.М. Строгое уравнивание маркшейдерской фототриангуляционной сети произвольного вида на ЭВМ средней мощности // Методы, технические средства маркшейдерских работ и исследование процессов сдвижения горных пород: Сб. науч. тр./ ВНИМИ. - Л. 1988. - С. 19-24.

6.Таратинский Г.М. Учет систематических искажений аэрофотоснимков при построении маркшейдерской аэрофототриангуляции. // Новые технические средства и методы производства маркшейдерских и гидрогеологических работ: Сб. науч. тр./ВНИМИ. - Л. 1989. - С. 19-21.7.

7.Таратинский Г.М. Проектирование маркшейдерских фототриангуляционных сетей на основе аналитического моделирования // Маркшейдерское обеспечение горных работ: Сб. науч. тр./ ВНИМИ. - Л., 1990. - С. 21-23.

8.Таратинский Г.М. Оптимизация конструкции фототриангуляционной сети при маркшейдерском контроле за сдвижением земной поверхности // Новые разработки методов и технических средств маркшейдерских работ: Сб. науч. тр./ ВНИМИ. -С.-Петербург, 1991. - С. 4-8.

9.Финаревский И.И., Забродин Г.В., Таратинский Г.М., Крелынтейн И.Н. Комплекс программ ТИАР для проектирования и построения аналитической фототриангуляции. // Геодезия и картография - 1990. - N 7. - С. 26-29.

10.Финаревский И.И., Левин М.Ю., Таратинский Г.М., Крельштейн И.Н. Автоматизация обработки данных аэрофотосъемки угольных разрезов и подрабатываемых территорий: VIII конгресс ИСМ, Сб. Докладов, Ленгсинггон, США, 1991.

11.Фомичев Л. Б., Забродин Г. В., Левин М. Ю., Таратинский Г. М. //Программные комплексы для маркшейдерских работ на карьерах и земной поверхности: IX конгресс ИСМ, Сб. Докладов, Прага, 1994 -С. 284-289.