Отслеживание изменений топологии объектов добычи полезных ископаемых на прямоугольных и гексагональных решетках

Геологоразведочная отрасль – важнейшая составная часть минерально-сырьевого комплекса, обеспечивающая создание и воспроизводство сырьевой базы для успешной работы и перспективного развития добывающих отраслей. Управление геологическим изучением недр является составной частью управления недропользованием.

Общей целью геологоразведочных работ является научно обоснованное, планомерное и экономически эффективное обеспечение добывающей промышленности разведанными запасами полезных ископаемых, изучение способов их полной, комплексной и экономически рациональной выемки в процессе эксплуатации месторождений с учетом охраны окружающей среды. Геологическая служба, геологические организации также оказывают услуги по изучению недр при строительстве и эксплуатации подземных сооружений, для нужд сельского хозяйства. Инженерно-геологическое изучение отдельных районов, территорий также необходимо для подготовки подземного захоронения вредных веществ и отходов производства, сброса сточных вод и решения других вопросов.

Разведка месторождений полезных ископаемых [3, 5, 10, 12] относится к сложным и комплексным задачам, для эффективного решения которых специалисту требуется максимально возможный объем актуальной информации об исследуемом объекте или участке [11].

Геологическое картографирование, включающее изучение элементов ландшафта, различных образований, недр, можно считать фундаментом любой геологоразведочной программы. Этот процесс дает возможность получить информацию о физических процессах формирования и изменения земной коры. А с помощью данных дистанционного зондирования в сочетании с информацией из других источников исследователи получают доступ к такой важной информации, как, например, сведения о составе и видоизменении пород, литологии, топографии поверхности, геоморфологии [11].

В настоящее время многовариантная система видов и способов получения и отображения геологической информации, среди которой информация из космоса занимает одно из ведущих мест, открывает возможность дальнейшей оптимизации начальных стадий геологоразведочного процесса. Внедрение материалов аэрокосмических съемок в теорию и практику геологии привело к совершенствованию методов региональных геологических исследований, а также к повышению качества карт геологического содержания.

Цели и задачи

В России имеется потенциал для применения космических технологий [18] в геологоразведке [3, 5, 10, 12, 17]. Развитие технологий, используемых горнопромышленными предприятиями [26], и новых геологических методов [17], в том числе дистанционных, позволяет в корот-

2020;5(2):154-161

МИСиС

кие сроки и по максимально большим территориям дать оценку перспектив обнаружения месторождений. Разведка из космоса позволяет значительно оптимизировать процессы поиска полезных ископаемых. Применение методов ДЗЗ [6, 14] позволяет уменьшить стоимость геологоразведочных работ в результате проведения комплексных исследований обширных территорий, которые довольно часто недоступны для традиционных методов геологоразведки по тем или иным причинам [13]. Однако, несмотря на это, требуется государственная и инвестиционная поддержка (рис. 1).

На государственном уровне разрабатываются стратегии развития минерально-сырьевой базы Российской Федерации. Поставлена цель создания «условий для устойчивого обеспечения минеральным сырьем социально-экономического развития и поддержания достаточного уровня экономической и энергетической безопасности Российской Федерации» [23, 25]. В России на геологоразведку в бюджете 2016 г. было выделено в целом около 35 млрд руб. В 2018 г. на проведение геологоразведочных работ на углеводородное сырье было направлено 14,3 млрд руб. бюджетных средств, на твердые полезные ископаемые – 5,8 млрд руб.

2016 2017 2018 2019

а

б

Рис. 1. Финансирование работ по геологической разведке:

а – затраты федерального бюджета, млрд руб.; б – затраты из внебюджетных источников, млрд руб.

Fig. 1. Exploration funding:

a – federal budget funding, bln rubles; b – extrabudgetary funding, bln rubles.

2020;5(2):154-161

МИСиС

Рис. 2. Исходный снимок из открытых источников (Ставропольский край, Красногвардейский район)

Fig. 2. Original image from open sources (Stavropol Territory, Krasnogvardeisky district)

Данные дистанционного зондирования играют особую роль в прогнозировании горно-геологических условий. Сопоставление карт геодинамических зон (и зон древних разломов) с планами горных работ позволяет сделать вывод о приуроченности вывалов и других горно-геологических осложнений к вертикальной проекции локальных зон повышенной трещиноватости. Установлено, что около 90 % вывалов расположено в пределах таких зон, причем 70 % приурочено к их пересечениям (узлам).

На основе различного рода прогнозных решений может быть оценен не только экономический ущерб от изъятия территории месторождения из обращения, но и ожидаемая рентабельность его разработки.

Наиболее полное и рациональное использование данных ДЗЗ возможно лишь в комплексе с традиционными геологическими, геофизическими и геохимическими исследо- ваниями. В этом направлении необходима разработка четкого технологического процесса синтеза и обработки разнородной, но одинаково важной в геологическом и поисковом отношении информации.

Целью исследования является оценка возможности использования методики для отслеживания границ объектов на изображениях, получаемых с космических аппаратов, для обработки данных дистанционного зондирования в прогнозировании горно-геологических условий.

Методы и ход исследования

Рассмотрим практический пример реализации разработанного подхода. Для этой цели выберем доступные данные из открытых источников. На рис. 2 представлен пример снимка, обработанный при помощи предлагаемой методики [1].

Сохраненный снимок был загружен в специальные программы, в которых реализована методика [1, 20] (рис. 3).

2020;5(2):154-161

МИСиС

Рис. 3. Преобразованный к двухградационному (бинарному) виду исходный снимок, перенесенный на гексагональную сетку

Fig. 3. Original image converted to a two-gradation (binary) form, transferred to hexagonal grid

а)                                     б)

Рис. 4. Результаты отслеживания контура объекта: а – на прямоугольной сетке; б – на шестиугольной сетке

Fig. 4. Object contour tracking results: a – on rectangular grid; b – on hexagonal grid

Согласно предлагаемой методике [1, 20] отслеживаются контуры объектов с использованием цепного кода Фримена по связности 6 (для гексагонального растра [7, 19, 22]) или по связности 4 (для прямоугольного растра [1, 20, 21]). Далее определяются координаты x, y (на шестиугольной решетке определяется также координата z = x + y) для каждой точки, принадлежащей контуру, и выделяются точки начала обхода контуров, в качестве которых используются крайние. На Рис. 4 показаны полученные на прямоугольной и шестиугольной сетках результаты отслеживания контура объекта, запечатленного на тестовом изображении.

2020;5(2):154-161

МИСиС

Результаты

Топологические [4] характеристики протяженных (например, полигональных) объектов «могут быть представлены в виде графов покрытий и смежности. Граф покрытия гомоморфен контурной карте соответствующей местности. Ребра графа – границы районов, узлы – точки смыкания районов. Степень вершины такого графа – число районов, которые в ней смыкаются. Граф смежности — это как бы вывернутый на изнанку граф покрытия. В нем районы отображаются узлами (вершинами), а пара смыкающихся районов – ребрами» [2].

Рассмотренные в предыдущем разделе результаты позволяют использовать интел- лектуальный анализ данных ДЗЗ [16]. Результаты исследования также могут быть использованы совместно со специальными программными средствами (например, ArcGIS или [15]) для построения карт (в том числе и контурных) соответствующей территории и получения топологических моделей (рис. 5).

Топологические модели используют, когда решение задачи предполагает наличие информации о топологических отношениях. С помощью подобной модели можно достаточно полно описать моделируемую территорию, используя как топологические отношения, так и метрическую информацию.

Рис. 5. Использование контурных изображений и [15] для построения карт территории

Fig. 5. Applying contour images and [15] for creating a territory maps

Заключение

Простота предлагаемого метода позво ляет еще более полно и рационально ис пользовать данные, получаемые с космиче ских аппаратов. Удешевление геолого-съе мочных и поисковых работ (за счет частич ной замены дорогостоящих наземных поле вых исследований более дешевым каме ральным дешифрированием и более рацио нальной постановки разведочных и эксплуатационных работ), в свою очередь, вносит вклад в получение экономического эффекта от применения данных ДЗЗ. Многовариантность, возможность применения экспресс-информации и относительная дешевизна дистанционных методов обеспечивают эффективность их применения в соответствии с требованиями любого инвестора.

2020;5(2):154-161

2020;5(2):154-161

DOI: 10.1007/978-981-10-5604-8.