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

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

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

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).

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,

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.

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.

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.).

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.).

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