Monitorování deformace důlních jam.

Doc. Ing. Lačezar Ličev, CSc
Katedra informatiky
VŠB - Technická univerzita Ostrava
tř. 17. Listopadu
708 33 Ostrava - Poruba
E - mail: lacezar.licev@vsb.cz

Abstract

The paper acquaints us with the sphere of science photogrammetry, especially then with mining and digital photogrammetry. Using knowledge from this area of science a system FOTOM2001 was developed, which serves namely for measuring the profiles of vertical mining holes using photogrammetry, newly also for measuring the data in other areas (for example rentgenology). In the paper, the system is described along with its functions especially with respect to the newly added modules for measuring divergences of data and for comparing two measurements in a time delay.

Abstrakt

Příspěvek se zaměřuje na důlní a digitální fotogrammetrii. Pomocí znalostí těchto oborů byl vytvořen informační systém FOTOM2001, který slouží k proměřování profilů a monitorování deformaci svislých důlních jam. V tomto článku je tento systém popsán spolu se svými funkcemi a zvláště je brána zřetel na nově přidané moduly pro měření odchylek a porovnávání dvou měření v časovém odstupu.

Úvod

Článek se zabývá fotogrammetrickou diagnostikou deformací výztuže a výstroje svislých jam vybavených těžním zařízením. Technický stav těchto děl přímo ovlivňuje bezporuchový chod těžních zařízení, bezpečnost lidí a jistotu důlního provozu. Dokumentování skutečného stavu svislých jam je základní náplní předkládaného článku.

Měření důlních jam systémem FOTOM 2000

2D modelování profilů svislých

Je navrženo šest druhů zájmových objektů: samostatný bod, hrana, vrchol, kružnice, elipsa a polygon. Tyto objekty se definují v režimu editace bodů označením určitého počtu zájmových bodů a vyvoláním příkazu pro vytvoření objektu. Společným parametrem všech zájmových objektů je pozice jejich středu v rámci snímku. Při práci s měřickým snímkem lze nejčastěji využívat ty objekty, které mají vnitřní plochu (kružnice, elipsa a polygon). Tyto objekty jsou určeny světelnou stopou na snímku, mají svůj obsah, a proto je lze použít k výpočtu objemu apod.

Pokud je jáma zdeformována ohybem a my se na ní díváme z boku, můžeme dojít k různým výsledkům. V takovémto případě záleží, z jakého úhlu se díváme, proto bylo v systému realizováno tzv. relativní natočení objektů a tim i možnost volby úhlu pohledu, ze kterého se na daný zájmový objekt díváme.

Dalšími významnými ukazateli pro zjištění deformací důlního díla jsou vzdálenosti mezi středy zájmových objektů v jednotlivých profilech. Ty přinášejí další údaje o celkovém stavu důlního díla. Parametry jednotlivých zájmových objektů poskytují informace o změně geometrických vlastností samotných objektů, rovinné vzdálenosti mezi různými objekty poukazují na změnu vzájemné pozice (středů) těchto objektů v rovině profilu.

3D modelování profilů svislých důlních jam

K zobrazení trojrozměrné scény (3D) na monitoru počítače v počítačové grafice se užívá promítání. Promítáním rozumíme zobrazení vektoru (x',y',z') -> (x,y). Nejznámější druhy promítání jsou středové promítání, rovnoběžné promítání a kosoúhlé promítání (Žára J., 1992).

Podobně jako objektiv fotoaparátu dokáže zachytit jen určitý výřez okolního prostoru, také zde je realizována možnost výběru úseku trojrozměrného prostoru, ve kterém leží promítané objekty (Žára, 1992). Při rovnoběžném promítání definujeme tzv. zorný hranol, který obklopí potřebnou prostorovou oblast a při středového promítání se provádí pomocí zorného jehlanu.

Animace procesu měření profilů svislých důlních jam

Hlavním úkolem je pomocí animace prezentovat naměřené údaje, a to zcela jiným způsobem, než jsou výsledky měření zobrazovány v grafech.

Animace objektů

Jedná se o zobrazování nebo animaci zájmových objektů na nějakém pozadí, kterým je často samotný zdigitalizovaný měřický snímek. Takto můžeme názorně analyzovat či prezentovat měření sledováním polohy nebo geometrických vlastností zájmových objektů, prozrazující deformace a jiné.

Animace snímků

Pod pojmem animace snímků rozumíme zobrazování nebo animaci měřických snímků, ať už jsou transformovány, či nikoli. Pro větší názornost lze zobrazovat více zájmových objektů z různých profilů současně.

Měření odchylek důlních jam a syntéza dvou měření

Měření odchylek

Provádíme-li měření jámy pomocí fotogrammetrických metod, vedle přímých hodnot parametrů zájmových objektů nás zajímají také i odchylky těchto hodnot od pevně stanoveného zvoleného průměru nebo projektových hodnot. Například odchylka od průměrné hodnoty může odhalit v důlní jámě místa deformace.

Při výpočtu odchylek je důležité určit správně průměrnou hodnotu, ke které se odchylka vztahuje. První a nejjednodušší možností je volba aritmetického průměru naměřených hodnot. Dále můžeme označit soubor charakterizující dané měření pro nás vhodným způsobem jako projektový soubor a za průměrnou hodnotu použít hodnotu parametru z tohoto souboru.

Odchylky od vypočteného aritmetického průměru

Aritmetický průměr získáme dělením součtu hodnot parametrů v celé sérii snímků počtem snímků v sérii. Získáme tak střední hodnotu parametru, se kterou však většinou žádná z hodnot parametrů není shodná a vykazuje vůči ní odchylku. Tyto odchylky nabývají vždy jak kladných, tak i záporných hodnot. Jestliže použijeme aritmetický průměr pro výpočet odchylek, můžeme z jejich velikosti snadno zjistit například místa největších deformaci v jámě apod.

Odchylky od projektovaných hodnot

V tomto případě je místo průměrné hodnoty pro výpočet odchylek brána hodnota parametrů ze souboru charakterizujícího projektovaný stav. Tento soubor nazýváme projektový a hodnoty parametrů uložené v něm odpovídají hodnotam projektovím.

Při použití této metody je nutné přesné vytvořit projektový soubor tak, aby hodnoty v něm uložené určily skutečné hodnoty odchylek, ze kterých je možné zjistit změny stavu měřeného objektu apod.

Porovnání obou přístupů k měření odchylek

Chybou aritmetického průměru je skutečnost, že se jeho velikost pro různá měření může měnit a dále vypovídá pouze o aktuálním stavu jámy, nezjistíme z něj kde se parametry v poslední době nejvíce změnily, což nás často zajímá.

Jestliže potřebujeme zjistit aktuální stav měřeného objektu použijeme projektované hodnoty, a tím získáme přesný obraz aktuálního stavu a to pro celý měření interval.

Je nutné před započetím vyhodnocení odchylek zvážit, co přesně potřebujeme a vybrat průměrnou nebo projektovou hodnotu, se kterou docílíme potřebných výsledků.

Syntéza dvou měření

V některých případech nám ovšem ani odchylky od průměrných nebo projektových hodnot nestačí. Jestliže například potřebujeme zjistit změny hodnot parametrů zájmových objektů, které nastaly od minulého měření, a to v každém bodě měřícího intervalu. V tomto případě je vhodnější zobrazit parametry z aktuálního měření do jednoho grafu spolu s parametry z měření dřívějšího, oproti kterému chceme zjistit změny.

Architektura systému FOTOM2001

Systém FOTOM2001 vznikl doplněním systému FOTOM2000 o další funkci modul FOTOM1 a o další moduly FOTOM5, FOTOM6 a FOTOM7. Tyto nové moduly byly taktéž vypracovány na katedře informatiky FEI VŠB TU Ostrava. V popisu architektury systému FOTOM2001 se omezím na podrobnější popis pouze u nových modulů.

Modul FOTOM1 - označení zájmových bodů a objektů,

Modul FOTOM1 slouží ke zpracování snímků ve formátu BMP. Lze označit na snímcích zájmové body, zájmové objekty, dále výpočet vzdáleností, úhlů atd. Kromě toho modul funguje jako hlavní program, který se spustí po spuštění systému. V panelu nástrojů tohoto modulu jsou umístěny ikony pro spuštění ostatních pěti modulů aplikace.

Modul FOTOM2 - 2D modelovaní procesu měření,

V tomto modulu lze zobrazit hodnoty parametrů, vzdáleností a úhlů zájmových objektů na obrazovce ve formě grafů, tyto grafy vytisknout na tiskárně atd. Dále může prohlížet hodnoty z grafů v tabulkách a ty ukládat do souboru.

Modul FOTOM3 - 3D modelovaní procesu měření,

Tento modul slouží pro trojrozměrné zobrazení jámy v prostoru s možností další manipulace se zobrazeným modelem.

Modul FOTOM4 - animace procesu měření.

Modul slouží pro 2D animaci série snímků a objektů.

Modul FOTOM5 - měření hodnot odchylek

Modul FOTOM5 byl vytvořen pro zobrazení a další zpracování hodnot odchylek parametrů zájmových objektů od průměrných hodnot vhodně zvolených pro dané měření, viz obr. 1 a 2.

Obr. 1 Okno aplikace FOTOM5

Dále je vytvořeno dialogové okno pro výběr projektového souboru a tim umožnit práci jak s aritmetickým průměrem, ale i s projektovými hodnoty. Na začátku práce s modulem je vždy implicitně nastavena práce s aritmetickým průměrem.

Obr. 2 Sestava hodnot odchylek od projektované hodnoty

Modul FOTOM6 slouží pro porovnání dvou měření skládajících se ze série snímků provedených na stejném objektu, shodujících se počtem snímků, metodou měření, měřícím intervalem a posloupností vzájemně korespondujících snímků, viz. obr. 3 a 4. Při porovnávání snímkům jde v podstatě o porovnání hodnot parametrů v zájmových bodech a objektech.

Obr. 3 Okno aplikace FOTOM6

Obr. 4 Sestava hodnot při porovnávání dvou měření

Modul FOTOM7 slouží na rozpoznávání zájmových bodů a objektů na snímku; buď přímo na světelné stopě nebo pomoci neuronových sítí.

Závěr

Příspěvek se zabývá moderními metodami použitými při zpracování snímku v rámci měření objektů na snímku.

V příspěvku je popsáno 2D a 3D modelování procesu měření a řešení 2D počítačové animace procesu měření.

Vedle přímých hodnot parametrů zájmových objektů, které nám umožňuje měřit a modelovat systémem FOTOM 2000, nás zajímají také i odchylky těchto hodnot od vypočtených průměrů nebo od projektových hodnot parametrů. Například odchylka od průměrné hodnoty může odhalit místa deformace v důlní jámě apod. Nástroje umožňující měření a modelování těchto odchylek a porovnávaní dvou měření na tehož objektu jsou součásti verzí systému FOTOM 2001 a byly popsány v tomto článku.

Literatura

  1. Beneš B.: 1999. Počítačová grafika od 2D do 3D - 11. část, CHIP, ročník IX/1999, číslo 3, ISSN 1210-0684
  2. Dudek R a Pospíšil J.: 2001. Počítačové zpracování fotografie.Diplomový projekt VŠB-TU Ostrava.
  3. Kostuřík M. a Kubiczek M.: 2001. Počítačové zpracování fotografie.Diplomový projekt VŠB-TU Ostrava.
  4. Ličev L. a Holuša T.: 1998. Nové řešení důlní fotogrammetrie na PC, 2/1998, URGP Praha.
  5. Ličev L.: 1998. New approaches to mining photogrammetry using PC, 5 nacionalna konferencija Varna ´98, MGU Sofia.
  6. Ličev L. a Holuša T.: 1999. Fotogrammetrické měření důlních jam, Konference GIS '1999 VŠB-TU Ostrava, HGF.
  7. Ličev L.: 1999. Fotogrammetrie na PC, 4/1999, Acta montanistica slovaca, Košice.
  8. Ličev L.: 2000. Počítačové zpracování fotografie, Habilitační práce, HGF VŠB-TU Ostrava.
  9. Ličev L.: 2001. FOTOM 2000 a vizualizace procesu měření., Konference GIS '2001 VŠB-TU Ostrava, HGF.
  10. Ličev L.: 2001. Photogrammetric systems and visualization of measurement process, International conference - Modern Mangement of Mine Producing, Geology nd Enviroment Protection, SGEM 2001, 93-104,Varna, Bulgaria
  11. Sojka E.: 1999. Digitální zpracování obrazu, skripta VŠB - TUO, FEI.
  12. Žára J. a kolektiv: 1992. Počítačová grafika - principy algoritmy, První vydání, Praha, GRADA, 1992. ISBN 80-85623-00-5

Seznam obrázků

  1. Obr. 1 Okno aplikace FOTOM5
  2. Obr. 2 Sestava hodnot odchylek od projektované hodnoty
  3. Obr. 3 Okno aplikace FOTOM6
  4. Obr. 4 Sestava hodnot při porovnání dvou měření