Zastosowanie naziemnej fotogrametrii cyfrowej do aktualizacji mapy numerycznej w odkrywkowych zakładach górniczych

Do podstawowych zadań służby mierniczej w górnictwie odkrywkowym należy częste i szybkie dostarczanie informacji o geometrii wkopu i zwałowiska, będącej podstawą do sterowania oraz zapewnienia bezpiecznej pracy maszyn podstawowych.

Metodą pozwalającą na szybkie i bezpieczne wykonanie okresowych inwentaryzacji eksploatowanych wyrobisk górniczych jest fotogrametria bliskiego zasięgu, która wykorzystywana jest w PGE KWB Bełchatów S.A. od połowy lat 70. ubiegłego wieku.

Na podstawie wykonanych pomiarów fotogrametrycznych w postaci wektorów skarp i punktów rozproszonych dokonuje się obliczenia numerycznego modelu terenu, który jest wykorzystywany do:

• uzupełniania mapy numerycznej,
• analizy geometrii wyrobisk,
• obliczania objętości zdjętego nadkładu i wydobytego węgla,
• weryfikacji danych geologicznych, w tym: kartowanie zjawisk i procesów geologicznych w robotach górniczych, analizy osiadań gruntów usypanych na zwałowisku, analizy odwodnienia i zasięgu leja depresyjnego,
• projektowania robót górniczych.

Stosowana do tej pory w PGE KWB Bełchatów S.A. fotogrametria analityczna, oparta na rozwiązaniach analogowych (Rys. 1), w obecnych czasach nie spełnia już swojego zadania. Mając na uwadze czynniki ekonomiczne, postęp technologiczny oraz konieczność unowocześniania metod pracy w miernictwie górniczym, podjęto więc działania mające na celu wprowadzenie nowoczesnych metod pomiarowych w celu aktualizacji cyfrowego modelu wyrobiska.

Rys. 1. Pomiar zdjęć na autografie analitycznym Stecometer C firmy Zeiss oraz poniżej rejestracja zdjęć fototeodolitem Photheo 19/1318
(fot. A. Gawin, W. Iwańców).

Wybór metody prowadzenia inwentaryzacji stanu robót górniczych w PGE KWB Bełchatów S.A.

Przygotowując się do wprowadzenia nowej technologii inwentaryzacji wyrobiska, w roku 2005 przeprowadzono analizę dostępnych wówczas metod pomiaru, oprogramowania i sprzętu geodezyjnego gwarantujących odpowiednią dokładność opracowań geodezyjnych na potrzeby kopalni. Duże uzależnienie momentu wykonania zdjęć (lub skanów) od pogody i terminowości pomiarów oraz wysoki koszt wykonania nalotu spowodowały, że fotogrametria lotnicza i lotniczy skaning laserowy zostały już w pierwszym etapie rozważań odrzucone jako metody mogące zastąpić dotychczasowy sposób obmiaru wyrobiska. Mniejsze uzależnienie od warunków pogodowych oraz możliwość wykonania pomiarów we własnym zakresie sprawiły, iż wyodrębniono następujące metody pomiaru:

• techniki satelitarne GPS,
• metody naziemnego skaningu laserowego,
• metody wykorzystujące tachimetr skanujący,
• cyfrowa fotogrametria naziemna.

Wyżej wymienione metody analizowano pod kątem czterech podstawowych parametrów: wiarygodności pomiaru, wydajności pracy, ekonomii oraz funkcjonalności w terenie.

Można stwierdzić, iż niezależnie od wybranej metody pomiar geodezyjny prowadzony w wyrobisku odkrywkowym w znacznej mierze uzależniony jest od korzystnych warunków pogodowych.

Zaletą pomiaru fotogrametrycznego jest zarejestrowanie stanu wyrobiska na dany dzień, co jest istotne przy rozliczaniu wydobycia węgla i nadkładu. Metoda ta pozwala również na bezpieczny pomiar miejsc niedostępnych (osuwiska, półki na skarpach, miejsca zawodnione, skarpy o wysokości 20-30 m), a cały ciężar pomiaru przenoszony jest na prace kameralne, dające się łatwo zautomatyzować. Pomiary bezpośrednie są bardziej czasochłonne i wymagają zaangażowania większej liczby pracowników, co może powodować ograniczenia w bieżącej obsłudze ruchu zakładu górniczego.

Dla wszystkich rozpatrywanych metod, oprócz pomiarów wykorzystujących technikę RTK-GPS, w celu zmniejszenia czasu potrzebnego na wykonanie pomiarów w terenie, ważnym zagadnieniem jest ustalenie optymalnych stanowisk pomiaru geodezyjnego. Z uwagi na geometrię wyrobiska, a także równoległy postęp frontów eksploatacyjnych ze wschodu na zachód, stanowiska powinny być rozmieszczane na skarpach stałych, a pomiary wykonywane są pod niedużym kątem do nowo wykonanych skarp roboczych. Głębia takiego pomiaru może wynosić od 200 m do ok. 1,5 km. Taki sposób pomiaru był i jest nadal stosowany z powodzeniem w dotychczasowej metodzie aktualizacji wyrobiska z wykorzystaniem fotogrametrii naziemnej. Trudności mogą się jednak pojawić w przypadku skanera naziemnego i tachimetru skanującego. Problem dotyczy zarówno zasięgu skanowania oraz uzyskania odpowiedniej dokładności pomiaru. Według informacji zamieszczanych przez producentów, tachimetry skanujące zapewniają pomiar odległości bez użycia lustra z dokładnością ok. 3-5 mm nawet do 1.200-6.000 m. Z przeprowadzonych przez pracowników Działu Mierniczego pomiarów próbnych wynika jednak, iż dla wyrobiska i zwałowiska górniczego wartości te są zawyżone W przypadku pomiaru odległości dalmierzem wykonanych bezlustrowym otrzymano następujące wyniki:

• zasięg dalmierza w przypadku pomiarów do krawędzi skarp poziomów nadkładowych i zwałowych, gdzie powierzchnia odbicia jest stosunkowo jasna, wyniósł maksymalnie 700 m,
• zasięg dalmierza w przypadku pomiarów do krawędzi skarp poziomów węglowych, gdzie panuje zapylenie i powierzchnia odbicia jest ciemna, wyniósł maksymalnie 400 m.

Inną ważną kwestią w procesie aktualizacji mapy numerycznej jest czas potrzebny do opracowania aktualnego modelu wyrobiska na podstawie wykonanych pomiarów. Chmura punktów otrzymana ze skanera naziemnego, czy dane w postaci pikiet zarejestrowane przez RTK-GPS, zawierają nieuporządkowaną informację, natomiast zobrazowanie fotogrametryczne w postaci zdjęć charakteryzuje brak informacji topologicznej. Wymagają one zatem specjalistycznego przetwarzania dostępnymi narzędziami w celu uzyskania informacji użytecznej dla końcowego opracowania modelu przestrzennego wyrobiska. W związku z tym należało sprawdzić, która z metod pozwala na szybkie i sprawne opracowanie pozyskanych danych.

Podczas prowadzenia analiz nad wyborem odpowiedniej metody aktualizacji wyrobiska należało również odpowiedzieć na pytanie, jaki ma być produkt finalny i o jakich celów ma służyć. Podstawowym produktem otrzymywanym na podstawie pomiarów geodezyjnych jest dokumentacja kartograficzna w postaci map podstawowych wyrobiska i map zwałowiska górniczego w skali 1:2.000 oraz map przeglądowych wyrobiska i zwałowiska górniczego w skali 1:5.000. Obecnie przy pomiarze zmian za okres jednego miesiąca rejestrowanych jest w wyrobisku ok. 3.500 pikiet, co przy średniej odległości między pikietami 20 m (dla opracowań w skali 1:2.000) daje ok. 70 km łańcuchów w postaci linii skarp. W przypadku zastosowania w wyrobisku górniczym "Pola Bełchatów" skanera naziemnego otrzymano by bardzo gęste modele punktowe (zawierające miliony punktów) pokrywające powierzchnię wyrobiska, które wymagałyby specjalistycznego przetwarzania, polegającego miedzy innymi na odfiltrowaniu danych i wyodrębnieniu określonych obiektów jakimi są skarpy. W tym przypadku można zaryzykować stwierdzenie, iż to co jest zaletą skanera byłoby jego wadą - tj. generowanie zbyt wielkiej liczby danych, a co za tym idzie wydłużenie czasu potrzebnego do opracowania mapy numerycznej wyrobiska.

Podsumowując, w roku 2005 badano możliwość wprowadzenia fotogrametrii cyfrowej, skaningu laserowego, technik satelitarnych GPS i tachimetrii, jako metod pozwalających na aktualizację cyfrowego modelu wyrobiska górniczego. Z przeprowadzonych badań wynikało, iż dla tak dużego obiektu jakim jest wyrobisko górnicze "Pola Bełchatów" wraz z zwałowiskiem wewnętrznym nadkładu, najmniej czasochłonną metodą pod względem pomiaru w terenie i opracowania wyników pomiaru pozostaje nadal fotogrametria. Biorąc pod uwagę powyższe rozważania Dział Mierniczy PGE KWB Bełchatów S.A. podjął decyzję o wdrożeniu nowej technologii pomiaru opartej na cyfrowej fotogrametrii naziemnej.

Opis systemu naziemnej fotogrametrii cyfrowej

Naziemna fotogrametria cyfrowa opiera się na wykorzystaniu obrazów cyfrowych oraz cyfrowych fotogrametrycznych stacji roboczych w celu pozyskania danych niezbędnych do tworzenia i aktualizacji map wektorowych, numerycznego modelu terenu, ortofotomap cyfrowych i trójwymiarowych modeli przestrzennych. Obrazy cyfrowe mogą być pozyskane w trybie pośredniej lub bezpośredniej rejestracji. Sposób pośredni polega na skanowaniu zdjęć analogowych - wykonanych przeważnie kamerami metrycznymi lub semimetrycznymi. Rejestrację bezpośrednią wykonuje się za pomocą kamer cyfrowych. Biorąc pod uwagę duże koszty związane z zakupem skanera fotogrametrycznego Dział Mierniczy PGE KWB Bełchatów S.A. podjął decyzję o zakupie 2 cyfrowych kamer metrycznych AIC Modular LS firmy Rollei. Dokonano również modernizacji pracowni fotogrametrycznej, wyposażając ją w specjalistyczne trzy cyfrowe stacje robocze firmy Dephos wykorzystujące oprogramowanie uwzględniające specyfikę pomiarów geodezyjnych prowadzonych w PGE KWB Bełchatów S.A.

Docelowy system fotogrametrii cyfrowej zastosowany w PGE KWB Bełchatów S.A. składa się z dwóch podstawowych części (Rys. 2):

• kamery metrycznej,
• urządzenia pomiarowego wraz z oprogramowaniem - cyfrowej stacji fotogrametrycznej.

Rys. 2. System fotogrametrii naziemnej:
- powyżej: a/ cyfrowa stacja fotogrametryczna Dephos,
-poniżej: b/ kamera metryczna AIC Modular LS P45 firmy Rollei .
(fot. Anna Gawin)

Kamera metryczna

Kamera Rollei AIC Modular LS P45 (Rys. 2b) jest urządzeniem specjalistycznym przeznaczonym do wykonywania wysokorozdzielczych lotniczych i naziemnych zdjęć obiektów przemysłowych. Jest to średnioformatowa kamera metryczna wyposażona w matrycę CCD o rozdzielczości 39 megapikseli.

Ze względu na specyficzne przeznaczenie korpus aparatu chroniony jest szczelną aluminiową obudową, odporną na wilgoć, wodę, kurz oraz ekstremalne temperatury. Urządzenie wyposażono w specjalną przystawkę umożliwiającą mocowanie do statywu geodezyjnego oraz zapewniającą obrót kamery w kierunku poziomym i pionowym (Rys. 3). Wykonanie zdjęcia następuje na dwa sposoby: przy pomocy specjalnego kontrolera Rollei Elektronic Schuter oraz poprzez połączenie kamery z komputerem.

Rys. 3. Wykonanie zdjęć naziemnych kamerą Rollei AIC Modular - "Pole Bełchatów".
(fot. Anna Gawin)

Urządzenie pomiarowe wraz z oprogramowaniem

Technologia przewiduje do opracowania zdjęć wykorzystanie cyfrowej stacji fotogrametrycznej Dephos, wyposażonej w samodzielne oprogramowanie pracujące w środowisku Windows. W skład zestawu cyfrowej stacji fotogrametrycznej wchodzi komputer PC, karta graficzna klasy Hi-End, okulary ciekłokrystaliczne i precyzyjny manipulator optyczny (Rys. 2). Specjalistyczne oprogramowanie stacji cyfrowej stanowi środowisko graficzne, w którym uruchamiane są funkcje i aplikacje umożliwiające rysowanie i edycję elementów. Program pracuje w trybie 3D i 2D. Zasadniczy pomiar odbywa się w trybie 3D, tzn. w trybie fotogrametrycznego autografu cyfrowego. Pozwala to tworzyć rysunek wektorowy w przestrzeni trójwymiarowej z użyciem fotogrametrycznego modelu stereoskopowego. Program umożliwia również podgląd widoku 2D, gdzie wyświetlane są skarpy stanu wyjściowego oraz nowo zamierzone łańcuchy w postaci górnych i dolnych krawędzi skarp, a także punktów rozproszonych.

Poniżej przedstawiono widok ekranu przedstawiający opracowywane zdjęcie naziemne wraz z podłączoną mapą "on-line" (Rys. 4). Linie w kolorze czerwonym i zielonym pokazują kształt skarp stanu sprzed miesiąca, linia w kolorze żółtym - nowo pomierzoną górną krawędź skarpy.

Rys.4. Widok ekranu monitora przedstawiający opracowywane zdjęcie naziemne wraz z podłączoną mapą "on-line".

Schemat technologiczny aktualizacji mapy numerycznej z zastosowaniem fotogrametrii cyfrowej

W oparciu o wieloletnie doświadczenia, a także mając na uwadze uwarunkowania wprowadzanego systemu, opracowano technologię aktualizacji powierzchni wyrobiska górniczego i zwałowiska wewnętrznego z wykorzystaniem fotogrametrii cyfrowej. Proces tworzenia modelu cyfrowego można podzielić na pięć etapów:

• prace przygotowawcze, które obejmują wykonanie projektu stanowisk fotogrametrycznych oraz lokalizację punktów osnowy fotogrametrycznej,
• prace terenowe obejmujące pomiar osnowy fotogrametrycznej oraz wykonanie zdjęć naziemnych kamerą AIC Modular LS,
• opracowanie zdjęć na cyfrowej stacji fotogrametrycznej Dephos,
• tworzenie modelu cyfrowego w systemie MineScape,
• aktualizacja mapy numerycznej w systemie MicroStation.

Poprzez połączenia sieciowe mapa numeryczna jest niemal natychmiast po aktualizacji dostępna dla wszystkich zainteresowanych służb. Można z niej korzystać w formie zapisu cyfrowego, jak również dokonywać wydruków. Przeglądową mapę numeryczną wyrobisk górniczych archiwizuje się, kopiując wszystkie pliki dgn z danego miesiąca na płyty DVD.

Podsumowanie

Wdrożenie nowej techniki pomiaru wykorzystującej naziemną fotogrametrię cyfrową nastąpiło w 2008 roku. Obecnie w oparciu o nową technologię prowadzona jest inwentaryzacja wyrobiska górniczego oraz zwałowiska wewnętrznego "Pola Bełchatów", a docelowo planuje się jej stosowanie w wyrobisku górniczym "Pola Szczerców".

Oprócz zalet wynikających z zastosowania nowoczesnych rozwiązań technicznych wprowadzenie nowej technologii dało następujące korzyści:

1. Wyeliminowanie szkodliwych i uciążliwych warunków pracy (kontakt ze szkodliwymi substancjami podczas obróbki fotochemicznej szklanych klisz fotogrametrycznych, poprawa warunków pomiarów w terenie).
2. Wyeliminowanie czynników zewnętrznych (zakup klisz fotogrametrycznych od jednego dostawcy) oraz możliwych awarii autografu analitycznego (sprzęt całkowicie zamortyzowany, do którego brak jest części zamiennych oraz serwisu).
3. Poprawa jakości otrzymywanego produktu, jakim jest mapa numeryczna oraz szybkości jej opracowania, a także możliwość jednoczesnej pracy na kilku stacjach roboczych.
4. Opracowana technologia pozwala sporządzać dokumentację kartograficzną w odkrywkowych zakładach górniczych w postaci mapy numerycznej wyrobisk górniczych i zwałowisk wewnętrznych.
5. Korzyści ekonomiczne.

Analizując koszty poniesione na wdrożenie systemu (2 kamery cyfrowe oraz 3 fotogrametryczne stacje robocze wraz z oprogramowaniem) oraz uzyskane korzyści ekonomiczne można stwierdzić, iż:

• w przypadku nagłego zaprzestania aktualizacji map górniczych metodą fotogrametrii analitycznej (awaria autografu analitycznego, zaprzestanie produkcji klisz fotogrametrycznych) na rzecz pomiarów klasycznych, koszt przejścia na technologię cyfrową zwróciłby się w ciągu roku,
• porównując koszty związane z wykorzystaniem metody fotogrametrii analitycznej i cyfrowej, koszt przejścia na nową technologię zwróci się po pięciu latach.

Na podstawie zgromadzonych doświadczeń można stwierdzić, iż zastosowanie nowoczesnych metod geodezyjnych, takich jak fotogrametria cyfrowa, do inwentaryzacji wyrobiska w odkrywkowych zakładach górniczych wpływa pozytywnie na podniesienie dokładności pomiarów, zmniejszenie ilości czasu potrzebnego do ich wykonania oraz sporządzenia mapy numerycznej. Należy jednak pamiętać, iż przedstawiony model podejścia w opracowaniu fotogrametrycznym stanu robót górniczych związany jest ze specyfiką omawianej kopalni, jej wielkości i metody prowadzenia eksploatacji złoża. W przypadku aktualizacji mapy numerycznej dla innych odkrywkowych zakładów górniczych należy dobrać odpowiednią metodę inwentaryzacji fotogrametrycznej adekwatną do panujących tam warunków.

Anna Gawin
Dział Mierniczy
PGE KWB Bełchatów S.A.

Literatura

• Gawin A. "Ocena możliwości zastosowania fotogrametrii cyfrowej do inwentaryzacji stanu robót górniczych w KWB Bełchatów", Archiwum Fotogrametrii, Kartografii i Teledetekcji Vol.14, Warszawa 2004.
• Linsenbarth A.: "Fotogrametria naziemna i specjalna", PPWK, Warszawa 1974.
• Wojnowska Z. - praca na uprawnienia Mierniczego Górniczego: "Aktualizacja modelu cyfrowego wyrobiska odkrywkowego z zastosowaniem fotogrametrii naziemnej", Bełchatów 2001.