Institut für Raumbezogene Informations- und Messtechnik
Hochschule Mainz - University of Applied Sciences

Integrated Mining Impact Monitoring – i2Mon

Bewegungen von Berghängen sollen mit einem integrierten Monitoringsystem überwacht werden. Am i3mainz wird dazu die Prozessierung von Laserscanndaten entwickelt und validiert.
Motivation und Ziele: 

Das von der EU im Rahmen des Programms HORIZON 2020 RFCS (Research Fund Coal and Steel) geförderte Projekt Integrated Mining Impact Monitoring – i2MON hat das Ziel einen integrierten Überwachungsdienst zur Detektion, Bewertung und Prädiktion von Boden- und Hangbewegungen infolge von Bergbauaktivitäten zu entwickeln. Der Dienst bedient sich dabei sowohl klassischer punktuell arbeitender Sensorik, wie GNSS-Geräte, Tachymeter, Extensometer usw. sowie neuer, flächenhaft arbeitender, innovativer Überwachungswerkzeuge, wie z.B. terrestrische Laserscanner, Radarinterferometer, UAV-Photogrammetrie und Fernerkundung. Die Sensordaten finden Eingang in ein webbasiertes Auswertesystem, in dem geologisch- geomorphologische Modelle des Monitoring-Gebietes vorliegen. Alle Informationen werden gemeinsam ausgewertet und zur Bestimmung von Bewegungsmodellen herangezogen. Hiermit lassen sich die Bewegungsabläufe besser beschreiben, verstehen und zur Prädiktion benutzen, womit die Auswirkungen des Bergbaus vorhersehbar und etwaige negative Auswirkungen / Schäden minimiert werden können. Neben der Qualitätssteigerung und der Kostenminimierung des Monitorings steht mit dem zu entwickelnden Dienst der Bergbauindustrie ein effizientes, web-basiertes Bewertungs- und Entscheidungsinstrument zur Schadensminimierung zur Verfügung.

Gemeinsam mit der DMT GmbH übernimmt das i3mainz die Erprobung geeigneter terrestrischer Laserscanner sowie Entwicklung der Punktwolkenprozessierung. 

Aktivitäten: 

In der ersten Phase des Projektes wird der Stand der Forschung und Technik im Bereich der Deformationsanalyse mit Punktwolken untersucht. Dabei werden punktbasierte, punktwolkenbasierte, oberflächenbasierte, geometriebasierte und parameterbasierte Auswerteverfahren unterschieden. Anhand von Testmessungen und simulierten Rutschungen werde verschiedene Verfahren auf ihre Leistungsfähigkeit untersucht. Die nachfolgend beschriebenen Untersuchungen wurden im Rahmen einer Master-Projektarbeit von den Studierenden Denise Becker, Lukas Hart und Nils Kummert durchgeführt. 

Der im Projekt i2MON seitens der DMT GmbH angeschaffte Laserscanner RIEGL VZ-2000i wurde zunächst auf seine Leistungsfähigkeit im Kontext der spezifischen Fragestellungen für das Monitoring im Bergbau untersucht. Neben der Punktwolkenerzeugung wurden auch die Zusatzsensoren (GNSS, Neigungsmesser) und die Programmierschnittstellen sowie die Auswerte-Software in die Tests mit einbezogen. Als Ergebnis wurde ein allgemeines Messkonzept für einen Laserscanner mit sehr hoher Reichweite entwickelt. Hierbei wurde davon ausgegangen, dass beim Monitoring mit dem Laserscanner nur von einem Standpunkt aus beobachtet wird. Um dies umzusetzen, muss die Standpunktstabilität bei jeder Messung überprüft werden. Es wurde daher getestet, wie Reflektoren in sehr großer Entfernung gescannt werden können und ob der eingebaute Neigungssensor zur Detektion von kleinsten Standpunktänderungen eingesetzt werden kann.

Zur Simulation einer Hangrutschung wurde ein technisches Modell auf Basis von Kinect-Sand erstellt. Das Modell besteht aus einer Holzkiste mir Stützhölzern. In der Kiste befindet sich der Kinect-Sand, der teilweise noch von den Stützhölzern gehalten wird. Eine Hangrutschung wird simuliert, indem Stützhölzer entfernt werden und / oder die Neigung der Kiste verändert wird. Dadurch fängt der Sand langsam an zu rutschen. Die Messung mit dem Laserscanner erfolgt in mehreren Epochen. Damit die einzelnen Epochen miteinander verglichen werden können, müssen sie zunächst in ein einheitliches Koordinatensystem transformiert werden. Verglichen wurden die einzelnen Epochen mit punktwolkenbasierenden (Cloud to Cloud) und oberflächenbasierenden (Cloud to Mesh) Methoden.

Um Teilbereiche zwischen zwei Epochen zuzuordnen, wurde ein weiteres Verfahren untersucht, welches mit Hilfe von 3D-Feature- Deskriptoren arbeitet. Die Idee dabei ist, dass Oberflächenpunkte durch ihre lokale Nachbarschaft mit Hilfe von geometrischen Merkmalen beschrieben werden. Dadurch sollte es möglich sein, nach einer Hangrutschung genau sagen zu können, welche Bereiche sich wie bewegt haben. Es wurden einige bestehende Verfahren implementiert und untersucht.

Ergebnisse: 

Das Scannen von weit entfernten Reflektoren wurde erfolgreich untersucht und es konnte eine Genauigkeit erreicht werden, die zur Referenzierung ausreichend ist.

Die untersuchten Prozessierungsmethoden der Punktwolken zur Deformationsanalyse bei Hangrutschungen zeigten, dass mit der oberflächenbasierten Methode neben einer reinen Differenzaussage auch zwischen Abtrag und Auftrag unterschieden werden kann. Mit den untersuchten Deskriptoren konnten identische Bereiche nicht eindeutig beschrieben werden.

Eckdaten

Zeitraum:     01.07.2018 - 30.06.2022
  • – Nils Kummert, B.Sc.
  • – Lukas Hart, B.Sc.
  • – Denise Becker, B.Sc.
Kooperation:
  • – DMT GmbH & Co. KG
  • – EFTAS Fernerkundung Technologietransfer GmbH
  • – Instytutu Mechaniki Górotworu Polskiej Akademii Nauk
  • – Technische Universiteit Delft
  • – Technische Universität Bergakademie Freiberg
  • – Laserdata GmbH
  • – Lausitz Energie Bergbau AG
  • – AIRBUS Space and Defence GmbH
  • – Polska Grupa Górnicza S.A.
  • – HORIZON 2020 RFCS
Titelbild:
  • Testaufnahme auf dem Messdach der Hochschule. Foto: Nils Kummert, Lukas Hart, Denise Becker
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