Тривимірне моделювання існуючих підземних гірничих виробок

Гірничодобувна промисловість здебільшого вже давно перейшла на цифрові технології, але усе ще існує багато шахт з великими архівами паперових даних. Перетворення цих паперових карт у цифровий, бажано тривимірний формат, є складним але необхідним завданням, щоб зробити цю інформацію доступною для сучасних технологій проєктування, планування та супроводження гірничих робіт.

Типовий робочий процес перетворення креслень в тривимірну модель включає наступні етапи:

• Сканування, покращення та очищення відсканованого зображення
• Координатна прив'язка
• Векторизація (або оцифрування)
• Тривимірне моделювання
• Інтеграція тривимірних підземних виробок у загальну модель родовища

Сканування

Сучасні широкоформатні сканери дозволяють оцифровувати відскановані копії карт на моніторі комп'ютера. При скануванні дуже важливим є оптимальне співвідношення роздільної здатності та розміру файлу. Роздільна здатність має бути достатньою, щоб чітко показати найменші значущі об’єкти, але не занадто високою, що призводить до створення великих за розміром файлів і уповільнює подальшу роботу. Стандартною роздільною здатністю вважається 300dpi, але іноді вона потребує збільшення в залежності від детальності і якості паперової карти. 

Краще використовувати формати файлів, які не призводять до втрати якості зображення: без стиснення, такі як TIFF або BMP, або зі стисненням, як PNG. При застосуванні, наприклад, JPEG треба бути уважними щодо втрати якості.

Якщо карта чиста і містить одноколірні контурні об’єкти, ідеально підійде чорно-біле (1 біт) або відтінки сірого (8 біт) сканування. Але якщо карта містить кольорові лінії або зафарбовані полігони, то знадобиться повнокольорове (24-бітове) сканування з використанням RGB або SMYK колірних моделей. 

Для покращення та очищення зображень зазвичай використовуються програми для обробки фотографій, які мають спеціальні автоматичні та ручні інструменти з корекції та редагування.

Координатна прив’язка    

Для координатної прив’язки растрового зображення потрібно задати контрольні точки з відомими координатами та вказати систему координат. Основні принципи роботи із системами координат описані тут. 

Точки координатної прив’язки (контрольні точки) бажано розміщувати якомога ближче до периметру зображення, а їхня кількість залежить від якості зображення, ступеню його спотворення або деформації. 

Відносно нова, добре збережена і якісно відсканована карта може потребувати невеликої кількості контрольних точок. Якщо карта постраждала від часу або зображення спотворене при скануванні, знадобиться більше контрольних точок.

Векторизація (або оцифрування)

Для перетворення паперового зображення на тривимірну модель, потрібні об’єкти мають бути оцифровані або векторизовані. У випадку підземних гірничих виробок такими об’єктами є контури або осьові лінії гірничих виробок.

Найчастіше оцифрування (векторизація) виконується в плані із автоматичним присвоєнням координат X та Y. Але усі двовимірні дані мають бути перетворені на тривимірні, перш ніж їх можна буде використовувати для створення каркасів підземних виробок.

Існує кілька способів присвоєння висотних відміток:

• призначення всім об’єктам горизонту однакової координати Z,
• призначення висотних відміток у процесі оцифрування, за наявності відповідних даних,
• проеціювання оцифрованих об’єктів на ЦМП (цифрову модель поверхні) відповідного горизонту.

3-D моделювання підземних виробок

Процес створення тривимірної моделі підземної гірничої виробки залежить в першу чергу від наявних вихідних даних, таких як контури бокових стінок, осьові лінії або перетинів. Micromine Beyond має широкий вибір інструментів для проєктування підземних гірничих виробок, що дозволяють перетворювати лінії на каркаси, а саме:

• “Каркас з осьової лінії” - побудова каркасу підземної виробки на основі осьової лінії та фігури профілю. 
• “Каркас з бокових стінок” - побудова каркасу підземної виробки на основі полігональної лінії бокових стінок та фігури профілю.
• “Осьова лінія з бокових стінок” - створення осьової лінії виробки, представленої лініями бокових стінок або солідом
• “Зміщення осьової лінії і бокових стінок” - Розрахунок зміщення вліво та вправо від заданої осьової лінії та бокових стінок
• “Каркас з підошви і покрівлі”- створення соліду з точок або ліній бокових стінок підошви та покрівлі 
• “Каркас підошви” - створення каркасу підошви з ліній або точок

1. З бокових стінок

У випадку, коли історичні паперові плани горизонтів містять лінії бокових стінок підземних виробок, то їх можна використати для побудови тривимірних виробок, вказавши також параметри фігури профілю, такі як ширина, висота, радіус округлення та ін.

2. З осьових ліній

Для більш коректного відображення підземних виробок у вигляді каркасів, центральні лінії можна додатково підготувати, використовуючи інструменти згладжування, спрощення та/або регуляризації точок. Обираючи інструменти та їхні параметри потрібно зважати на те, що в результаті кожен сегмент лінії буде перетворено на відповідний сегмент виробки. За потреби осьові лінії можуть бути згенеровані з бокових стінок.

На основі осьової лінії можна створити каркас гірничої виробки за вказаними параметрами фігури профілю, такими як ширина (X) ,висота (Y), верх (В) / низ (Н), зміщення по осі X, зміщення по осі Y, радіус верхнього кута / нижнього кута.

3. З перетинів

Історичні дані можуть бути представлені більш точними маршейдерськими побудовами, наприклад перетинами з фігурами профілів вздовж виробки. У такому випадку, лінії перетинів можуть бути оцифровані (або побудовані) і використані для  побудови каркасу гірничої виробки за допомогою стандартних інструментів каркасного моделювання.

Тривимірні моделі існуючих гірничих виробок можуть використовуватись для подальшого гірничого проєктування та планування. Візуалізація просторового розміщення виробок дозволяє точно оцінити доступність рудних тіл, логістику та проєктувати нові виробки з урахуванням геометрії наявних.

Поєднання  з геологорозвідувальними даними (свердловинами та борозневими пробами) дозволяє більш точно відтворити геометрію рудних тіл. У деяких випадках співставлення підземних виробок та блокової моделі родовища дозволяє визначати обсяги попереднього видобутку та залишкових запасів.

Моделі можуть бути проекспортувані у різні формати (наприклад, .DXF, .OBJ, .DWG та ін.) для роботи в середовищі CAD або GIS, для обміну між спеціалістами та відділами. Такі дані можуть також використовуватись у звітній та технічній документації, зокрема для гірничо-технічних проєктів, оцінки запасів, складанні графіків гірничих робіт тощо.