Successfully reported this slideshow.
We use your LinkedIn profile and activity data to personalize ads and to show you more relevant ads. You can change your ad preferences anytime.
Michał OSZASTOWSKI
KW SA Oddział KWK Brzeszcze
Przydatność utworzenia Numerycznego Modelu Terenu
(NMT) dla terenów objętyc...
fizycznej i umysłowej, a także czasu. W opozycji do klasycznych metod,
budowa cyfrowego modelu tej ulegającej ciągłym (po)...
uzyskanie całościowego i gotowego NMT oraz NMPT w granicach badanego
obszaru.
3. NMT utworzony dla oceny wpływów planowane...
narzędzia i użyteczności dostępnego oprogramowania do badania zjawisk
zachodzących w skali makro pod kątem eksploatacji gó...
III. Kopalnia wykonała w przedmiotowym rejonie pompownie wód
powierzchniowych, które na etapie projektu uwzględniały powię...
wykonanie zdjęć lotniczych oraz zakup opracowanych na ich podstawie
ortoftomapy, NMT oraz NMPT w granicach TG. Uzyskane ze...
Rys. 1. Symulacja powodziowa. NMT
uproszczony.
Rys. 2. Symulacja powodziowa. NMT w
oparciu o dane LiDAR.
Fig. 1. Simulatio...
Narzędzia umożliwiają dowolne kształtowanie powierzchni, pozwalają
np. na modelowanie powierzchni z uwzględnieniem prognoz...
Rys. 5. Obniżenia terenu wywołane eksploatacją.
Fig. 5. Terrain lowerings caused by underground exploatation.
Rys. 6. Prze...
Rys. 7. Przykładowe możliwości prezentacji wyniku.
Fig. 7. The example of various presentations of the result.
6. Podsumow...
Upcoming SlideShare
Loading in …5
×

Oszastowski przydatność utworzenia numerycznego modelu terenu (nmt) dla terenów objętych wpływem eksploatacji górniczej na przykładzie kwk brzeszcze

917 views

Published on

Streszczenie: W pracy przedstawiono różnorodność zastosowań Numerycznego Modelu Terenu (NMT) dla terenów objętych eksploatacją górniczą na podstawie działań podejmowanych na obszarze kopalni węgla kamiennego KWK Brzeszcze. Wskazano możliwości wymienionego narzędzia w zależności od sposobu pozyskania danych wysokościowych (pomiar terenowy vs skaning laserowy), jego wady, zalety i zależności.

Published in: Engineering
  • Be the first to comment

  • Be the first to like this

Oszastowski przydatność utworzenia numerycznego modelu terenu (nmt) dla terenów objętych wpływem eksploatacji górniczej na przykładzie kwk brzeszcze

  1. 1. Michał OSZASTOWSKI KW SA Oddział KWK Brzeszcze Przydatność utworzenia Numerycznego Modelu Terenu (NMT) dla terenów objętych wpływem eksploatacji górniczej na przykładzie KWK Brzeszcze Streszczenie: W pracy przedstawiono różnorodność zastosowań Numerycznego Modelu Terenu (NMT) dla terenów objętych eksploatacją górniczą na podstawie działań podejmowanych na obszarze kopalni węgla kamiennego KWK Brzeszcze. Wskazano możliwości wymienionego narzędzia w zależności od sposobu pozyskania danych wysokościowych (pomiar terenowy vs skaning laserowy), jego wady, zalety i zależności. Usefulness of creating a digital terrain model (DTM) for the areas under the influence of underground mining exploatation on the example of the KWK Brzeszcze coal mine Summary: The paper presents a variety of uses of digital terrain model (DTM) for the areas of mining activities on the basis of activities undertaken in the KWK Brzeszcze coal mine. There was also pointed that the mentioned tool give some possibilities depending on how you obtain the elevation data (site survey v. laser scanning), its disadventages, adventages and some dependecies. 1. Wprowadzenie Eksploatacja górnicza, szczególnie podziemna, ma olbrzymi wpływ na środowisko. Jednym z jej negatywnych skutków są przeobrażenia terenu, do których zaliczamy zmiany hydrogeologiczne i deformacje terenu oraz szkody górnicze. Przedsiębiorca górniczy powinien rejestrować i weryfikuje zmiany wywołane działalnością górniczą zachodzące na podległym mu obszarze, a w obliczu powstałych zniszczeń przywrócić stan poprzedni [1]. Istnieje szereg norm prawnych i przepisów regulujących zarówno warunki prowadzenia eksploatacji, jak również ponoszenia związanej z tym odpowiedzialności. Aby sprostać tym obowiązkom wynikającym z przepisów prawa koniecznym jest monitorowanie zmian zachodzących w terenie, co wymaga podjęcia określonych czynności, które do tej pory wymagały dużego nakładu pracy
  2. 2. fizycznej i umysłowej, a także czasu. W opozycji do klasycznych metod, budowa cyfrowego modelu tej ulegającej ciągłym (po)eksploatacyjnym zmianom rzeczywistości daje nieograniczone możliwości przewidywania i obserwacji przemian zachodzących na obszarze górniczym oraz ich konfrontacji ze stanem faktycznym. Nowoczesnym narzędziem, o którym mowa jest zbudowany w oparciu o skanowanie LiDAR i opracowaną na jego podstawie chmurę punktów Numeryczny Model Terenu (NMT) oraz jego pochodna, czyli Numeryczny Model Pokrycia Terenu (NMPT). Ze względu na stosunkowo niedługi okres stosowania wymienionych narzędzi przez kopalnie węgla kamiennego, w niniejszej pracy posłużono się przykładem zakładu górniczego KW SA Oddział KWK Brzeszcze. 2. Charakterystyka terenu górniczego KWK Brzeszcze Kopalnia węgla kamiennego Brzeszcze ma ponad stuletnią tradycję. Pod względem geograficznym leży w południowej części Górnośląskiego Zagłębia Węglowego, obejmując teren Kotliny Oświęcimskiej. Powierzchnia terenu górniczego (TG) kopalni Brzeszcze wynosi 33,2 km2 . Szereg zagrożeń naturalnych, w tym metanowe, wymuszają dekoncentrację wydobycia i rozrzucenie go po całym obszarze górniczym (OG). Teren charakteryzują dynamiczne zmiany morfologiczne, maksymalne obniżenia sięgają nawet 15 m. 65% OG KWK „Brzeszcze” to zabudowa miejska i osiedlowa, 25% pokrywają lasy państwowe, natomiast 10% stanowią stawy rybne i nieużytki. Główne obiekty przemysłowe, jakie się tutaj znajdują to m. in. szyby kopalni „Brzeszcze”, żwirownie, dwutorowe linie kolejowe, gazociągi, oczyszczalnia ścieków oraz składowisko odpadów. Rzeki Wisła i Soła wyznaczają zachodnią i wschodnią granicę TG Brzeszcze, w którego obrębie istnieje naturalna i sztuczna sieć cieków oraz zbiorników powierzchniowych pełniących różnorodne funkcje. Ciągła eksploatacja złóż węgla negatywnie wpływa na stosunki wodne terenu. Swoisty mikroklimat rejonu, który charakteryzuje duża wilgotność powietrza, obfite mgły i wysoka ilość opadów atmosferycznych, potęguje zagrożenia wodne [2]. Monitoring geodezyjny tak zróżnicowanego terenu, szczególnie w obliczu znacznych zagrożeń wodnych, planowania dalszej eksploatacji i konieczności ciągłego badania jej wpływów, zmusza do bieżącej i dokładnej aktualizacji danych. Dotychczasowe aktualizacje rzeźby terenu wykonywane były w oparciu o pomiary tradycyjne z częstotliwością wynikającą z przepisów prawa co najmniej raz na 3 lata i przy dodatkowym nakładzie pracy pozwoliły stworzyć znacznie uproszczony NMT. Obecnie pojawiła się możliwość korzystania z ortofotomapy terenu połączonej ze skaningiem laserowym, która w przeciwieństwie do wcześniej stosowanych metod pozwala na bezpośrednie
  3. 3. uzyskanie całościowego i gotowego NMT oraz NMPT w granicach badanego obszaru. 3. NMT utworzony dla oceny wpływów planowanej eksploatacji Numeryczny Model Terenu jest cyfrowym obrazem rzeźby terenu powstałym ze zbioru danych przestrzennych. Najczęściej wykorzystuje się go do tworzenia przekrojów terenowych, warstwic, wyznaczania wysokości, objętości, obszarów zalewowych i in. Ze względu na zagrożenia powodziowe (istniejące z uwagi na lokalizację w widłach rzek Wisły i Soły oraz cieki powierzchniowe wykorzystywane do zasilania licznych stawów związanych z gospodarką rybną) występujące na TG Brzeszcze w 2011 r. dla 1/5 tego terenu postanowiono stworzyć przykładowy i uproszczony NMT w celu zbadania wpływów obecnej i planowanej tam eksploatacji. W oparciu o posiadane przez KWK Brzeszcze materiały oraz dane zebrane podczas pomiarów terenowych powstał cyfrowy model terenu, a na jego podstawie symulacja postępującej fali powodziowej z uwzględnieniem przyszłej eksploatacji. Symulacja ta pozwoliła na konfrontację utworzonego modelu NMT z rzeczywistością, a ponieważ uzyskaną zgodność oceniono na dobrą, nawet pomimo braku informacji związanych z pokryciem terenu roślinnością i zabudową (NMPT), w rozdziale skupiono się na prezentacji przeprowadzonych badań i uwidocznieniu konieczności budowy NMT chociażby dla poszczególnych części terenów objętych eksploatacją górniczą. NMT utworzony w roku 2011 dla 1/5 TG bazował na 1720 punktach pomiarowych; 1144 punkty zgrupowano na podstawie istniejących już baz danych kopalni Brzeszcze, charakteryzowała je duża przypadkowość, wysoki stopień rozproszenia i brak regularności w pokryciu terenu. Dlatego w celu dokładnego oddania rzeczywistości oraz dodatkowej aktualizacji pomierzono najbardziej reprezentatywne punkty terenu w obrębie planowanej na najbliższy czas eksploatacji (ściana 812 pokład 352 partia wschodnia). Tak więc z uwagi na niespójność danych wyjściowych pomiar uzupełniający wykonano w technologii GPS-RT VRS, w wyniku czego informacje wysokościowe wzbogacono pomiarem w szczególnych dla tego terenu miejscach – wzdłuż cieków, rzek oraz zbiorników. Zaktualizowaniu poddano także pobliski teren zabudowy mieszkalnej oraz okoliczny pas drogi. Podczas pomiarów uzyskano w sumie 510 punktów wysokościowych. Dodatkowo do zebranych danych dodano 69 punktów brzegowych dla zbiorników wodnych – w oparciu o wykonany wcześniej wywiad terenowy wykonano ręczną digitalizację. W ten właśnie sposób utworzono NMT będący zarazem podstawą do dalszych analiz. Jego głównym celem było sprawdzenie przydatności tego
  4. 4. narzędzia i użyteczności dostępnego oprogramowania do badania zjawisk zachodzących w skali makro pod kątem eksploatacji górniczej. W obliczu ówczesnych zagrożeń wodnych oraz planowanej na omawianym terenie eksploatacji dalsze badania skupiono na symulacji postępującej powodzi, co w tym wypadku okazuje się być jednym z najlepiej zobrazowanych przykładów zastosowania NMT dla terenów eksploatacyjnych. Utworzony NMT wykorzystano do analizy w programie AutoCad z nakładką GEOLISP, w wyniku której poprzez progowe podnoszenie wysokości lustra wody od wartości +237,8 m n.p.m. (aktualna rzędna lustra wody Soła), kolejno do uzyskania wartości rzędnej powodziowej dla tego rejonu z roku 2010 +239,5 m n.p.m., kończąc na wartości hipotetycznej +240,0 m n.p.m. wygenerowano teren powodziowy. Równocześnie posiadany NMT wzbogacono o informacje o prognozowanych obniżeniach wywołanych eksploatacją ściany 812 i kolejno wykonano te same czynności. W przypadku obu symulacji zaobserwować można było faktyczny ruch wody powodziowej, wystąpienie „cofki” poprzez sieć istniejących zbiorników wodnych, zalanie pobliskiej żwirowni, aż po miejsca przerwania wału i wylania fali powodziowej na tereny mieszkalne. Symulacja fali powodziowej na modelu uwzględniającym wpływy eksploatacji, miała nieznacznie większy zasięg. Ponadto symulacja oparta o stan pierwotny terenu dokładnie odpowiadała faktycznej sytuacji powodziowej zaistniałej w 2010 roku – materiały fotograficzne, podania ludzi, miejscowych władz i służb ratunkowych oraz wizji lokalnych wskazują na wysoką poprawność przeprowadzonych analiz. Zakładając, iż teren w wyniku eksploatacji sc 812 zachowa się zgodnie z wcześniejszymi założeniami, wnioskować można, iż symulacja przyszłej powodzi również jest prawidłowa. Pomimo, iż przedstawione powyżej badania przeprowadzono na potrzeby KWK Brzeszcze pod kątem weryfikacji wzrostu potencjalnych zagrożeń planowanej eksploatacji i jej wpływu na otoczenie, których nie stwierdzono w stopniu znacznym, to wykonany NMT oraz jego analiza pozwoliły na znacznie szerszą interpretację uzyskanych wyników. W konsekwencji potwierdzono przede wszystkim powszechne zagrożenie powodziowe. Mnogość zastosowań utworzonego NMT najlepiej przedstawiają załączone do badań wnioski [3]: I. Projektowana eksploatacja swoim zasięgiem wpływów obejmie tereny rolne; bez wpływu na budynki kubaturowe. II. Projektowana eksploatacja tylko w nieznacznym stopniu zaburzy istniejący stan hydrologiczny. Możliwe jest nieznaczne przesunięcie krawędzi brzegowej lustra wody dla zawodnionych wyrobisk żwirowych (Staw Sazan) w kierunku północnym (w stronę upadu).
  5. 5. III. Kopalnia wykonała w przedmiotowym rejonie pompownie wód powierzchniowych, które na etapie projektu uwzględniały powiększenie projektowanej zlewni sc 812. IV. Projekt odwodnienia terenu dla rejonu eksploatacji sc 812 nie jest konieczny. V. Eksploatacja górnicza nie wpłynie negatywnie na istniejące zagrożenie powodziowe. VI. Eksploatacja sc 812 nie wywoła wpływu na koryto rzeki Soły. Wobec tego nie będzie potrzeby wykonania prac zabezpieczających. Kopalnia posiada niezbędne do prowadzenia eksploatacji uzgodnienia z RZGW – Kraków (właściciel koryta rzeki Soły). VII. W skutek eksploatacji mogą wystąpić drobne progi na odcinku ok. 400 m drogi powiatowej DP1868K. Powstałe szkody przedsiębiorca górniczy usunie z ugodą zawartą z poszkodowanym (ZDP – zarządca drogi powiatowej). VIII. W perspektywie zagrożenia powodziowego dla mieszkańców rejonu Wilczkowice – Rajsko istnieje potrzeba zmodernizowania sieci istniejącego zabezpieczenia przeciwpowodziowego dla zlewni rzeki Soły. IX. Opracowany NMT jest poprawny. Warto podkreślić, że dane wysokościowe uzyskiwane w roku 2011 i wcześniej na potrzeby aktualizacji mapy powierzchni do tworzenia cyklicznych Planów Ruchu kopalni Brzeszcze wymagały znaczącego nakładu sił bez względu na metodę pomiaru. W związku z pojawiającą się miejscami dużą rozbieżnością archiwalnych danych wysokościowych i potrzebą ich weryfikacji zespoły pomiarowe działu mierniczo-geologicznego (TMG) wielokrotnie zmuszone były dodatkowo udać się w teren i ponownie wykonać pomiary własne. Z uwagi na rozległość obszaru, o którym mowa (33,2 km2 ), nie było i nie ma fizycznej i technicznej możliwości uzyskania wiarygodnych i regularnych danych będących odwzorowaniem rzeczywistości. Pomiary rzeźby terenu i ich ciągłe aktualizacje po ujawnieniu się wpływów eksploatacji nawet na małych obszarach (jak omawiany wcześniej rejon sc 812) w kontekście nakładu ludzkiej pracy, czasu i kosztów mijają się z celem. Tym bardziej, że istnieje możliwość całościowego, bardzo dokładnego i szybkiego rejestrowania obrazu terenu. 4. NMT i NMPT utworzony w oparciu o dane z lotniczego skaningu laserowego W roku 2012 na potrzeby aktualizacji mapy terenu w zakresie sytuacyjno- wysokościowym dla nowego Planu Ruchu zdecydowano się na zlecenie firmie zewnętrznej wykonania nalotów metodą lotniczego skaningu laserowego,
  6. 6. wykonanie zdjęć lotniczych oraz zakup opracowanych na ich podstawie ortoftomapy, NMT oraz NMPT w granicach TG. Uzyskane ze skaningu lotniczego dane o gęstości skanowania nie mniejszej niż 8 punktów na m2 , wraz z rejestracją i zapisem sygnału intensywności odbicia (intensity), zapisano w formie sklasyfikowanej chmury punktów w układzie PUWG 2000/18 z podziałem na sekcje mapy w skali 1 : 5000. W wyniku interpolacji punktów danych źródłowych sklasyfikowanych jako grunt uzyskano NMT. W wyniku klasyfikacji jako pokrycie terenu oraz grunt tam, gdzie grunt jest odkryty, uzyskano NMPT. Dokładność wysokości uzyskano na poziomie błędu 0,1 m [4]. Materiały pozyskane drogą outsourcingu, podobnie jak materiały własne kopalni, spełniają wszelkie wymogi dla celów inżynierskich. Zasadnicza różnica tkwi w ilości i jakości otrzymanych informacji uzyskiwanych podczas jednokrotnego pomiaru. Przewaga obecnie posiadanych danych polega również na znacznie większej regularności i dokładności punktów pomiarowych, co do tej pory niestety nie było osiągalne. Zaletą narzędzia jest także zasięg jednorazowego pomiaru, w wyniku którego otrzymuje się całościowy obraz terenu łącznie z informacją o terenie pod roślinnością. Dodatkowo pojawiła się możliwość wzbogacenia danych o informacje o pokryciu terenu istniejącą zabudową i szatą roślinną, co zdecydowanie stanowi wartość dodaną. Dla lepszego nakreślenia różnic pomiędzy omawianymi do tej pory NMT (z 2011 i 2012 r.) i korzyści wynikających z posiadania całościowego i aktualnego NMPT przeprowadzono dodatkowe analizy. Wykorzystując NMT powstały w oparciu o dane pochodzące ze skaningu laserowego przy użyciu programu Global Mapper zasymulowano sytuację powodziową w pobliskim rejonie powielając kroki badawcze podjęte w 2011 roku (Rozdział 3.). Podjęte działania powtórzono na posiadanym NMPT. W wyniku porównań i analiz wywnioskowano, iż wyniki wszystkich symulacji są podobne, a więc i poprawne, jednakże symulacja przeprowadzona na NMPT wykazała znacznie większą dokładność niż pozostałe, wskazując sposób zalewania terenu z uwzględnieniem przeszkód w postaci wysokiej roślinności czy budynków. Na podstawie tej właśnie symulacji powstałej w oparciu o bieżący NMPT można również stwierdzić faktyczny wpływ eksploatacji sc 812 na teren, a ponieważ jeszcze się nie ujawnił, można zakładać, że granica ewentualnej powodzi częściowo przesunie się w kierunku południowym (Rys. 2.) w stosunku do symulacji z 2011 roku (Rys. 1.) Niewątpliwym plusem okazuje się tutaj również możliwość wizualizacji symulowanej fali powodziowej w rzucie 3D (Rys. 3.), co może posłużyć jako źródło informacji o miejscach, obiektach potencjalnie poszkodowanych, czy też jako element ułatwiający komunikację dla przykładu z osobami trzecimi, niezaznajomionymi z geodezyjnym językiem.
  7. 7. Rys. 1. Symulacja powodziowa. NMT uproszczony. Rys. 2. Symulacja powodziowa. NMT w oparciu o dane LiDAR. Fig. 1. Simulation of the flood. Simple DTM. Fig. 2. Simulation of the flood. DTM bazed on LiDAR data. Rys. 3. Symulacja powodziowa. NMT w oparciu o dane LiDAR. Widok 3D. Fig. 3. Simulation of the flood. DTM bazed on LiDAR data. 3D view. 5. Inne zastosowania NMT pozyskanego w oparciu o dane LiDAR Poza dotychczas omówionymi zastosowaniami NMT oraz NMPT uzyskanymi z lotniczego skaningu laserowego podtrzymując cykliczność otrzymywania danych w przyszłości można na bieżąco analizować zmiany sytuacyjno-wysokościowe na całym obszarze.
  8. 8. Narzędzia umożliwiają dowolne kształtowanie powierzchni, pozwalają np. na modelowanie powierzchni z uwzględnieniem prognozowanych wpływów eksploatacji. Na powierzchnie można nakładać dowolne projekty, pomiary i weryfikować je lub sprawdzać. W dowolnej chwili można wykonywać przekroje przez teren, profile cieków, pomiary powierzchni, projektować odwodnienia, spływy, generować siatkę powierzchni GRID o dowolnych rozmiarach i dla dowolnych obszarów (Rys. 4.), a także wiele innych. Rys. 4. Siatka powierzchni wygenerowana w formie GRID. Fig. 4. The surface generated in GRID. Dla przykładu: w oparciu o zróżnicowanie wysokości o wartość powyżej 0,5 m pomiędzy dwoma modelami wygenerowano przykładową analizę zmian rzeźby terenu powstałej wskutek eksploatacji ściany 128 w pokładzie 401 wraz z ujawnionymi wpływami od starszych eksploatacji (Rys. 5.). Następnie wykorzystując zarejestrowane obniżenie możemy w dowolnej chwili odseparować je od powierzchni i wykreślić profil podłużny przez teren, w wyniku czego rejestrujemy aktualny profil niecki obniżeniowej w dowolnym kierunku (Rys. 6.).
  9. 9. Rys. 5. Obniżenia terenu wywołane eksploatacją. Fig. 5. Terrain lowerings caused by underground exploatation. Rys. 6. Przekrój przez obniżenia terenu wywołane eksploatacją. Fig. 6. Section through the terrain lowerings caused by underground exploatation. Wszystkie dane NMT i NMPT można opracowywać i prezentować zarówno w oprogramowaniu komercyjnym jak i opensourceowym. Wyniki można prezentować w sposób klasyczny jak i w przestrzeni trójwymiarowej, na bieżąco odczytywać interesującą wartość, w dowolnej chwili można wejść i przybliżyć dany problem czy zagadnienie poprzez podgląd z dowolnej odległości, z dowolnej orbity w przestrzeni trójwymiarowej (Rys. 7.).
  10. 10. Rys. 7. Przykładowe możliwości prezentacji wyniku. Fig. 7. The example of various presentations of the result. 6. Podsumowanie NMT oraz NMPT utworzone w oparciu o dane pochodzące z lotniczego skaningu laserowego w połączeniu z dedykowanym oprogramowaniem służą jako bardzo przydatne narzędzie geodezyjne. Wymienione zastosowania stanowią próbę wykorzystania i wdrożenia nowej technologii oraz usprawnienia pracy działu TMG, a ich lista rośnie w miarę dalszego zgłębiania tematyki. LITERATURA 1. Prawo geologiczne i górnicze, Ustawa z dnia 9 czerwca 2011 r. Dz. U. nr 163, poz. 981 2. Mizera A. z zespołem: Projekt Zagospodarowania Złoża Węgla Kamiennego Kopalni „Brzeszcze”, „Carbon-Techmex”, Katowice, 1998 3. Oszastowski M.: Wpływ eksploatacji górniczej ściany nr 812 w Kopalni Węgla Kamiennego „Brzeszcze” na zmianę stosunków wodnych oraz bezpieczeństwo przeciwpowodziowe w rejonie Wilczkowic i Rajska, praca magisterska, Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Kraków 2011 4. KW SA Oddział KWK Brzeszcze: Operat techniczny. Wykonanie pomiarów wysokościowych powierzchni w granicach terenu górniczego Brzeszcze IV wraz z opracowaniem aktualnej nakładki wysokościowej dla mapy sytuacyjno-wysokościowej w skali 1 : 5000, ortofotomapy w układzie 2000/18 oraz analizy zmian sytuacyjnych i wysokościowych dla KW SA Oddział KWK Brzeszcze , Tarnów 2013 5. KW SA Oddział KWK Brzeszcze: Plan Ruchu 2011-2013

×