Możliwości wykorzystania nowoczesnych metod monitorowania terenu górniczego w LGOM

WARSZTATY 2003 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie Mat. Symp. str. 127 142 Edward POPIOŁEK Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków Możliwości wykorzystania nowoczesnych metod monitorowania terenu górniczego w LGOM Streszczenie W pracy zaprezentowano nowe przyrządy i technologie pomiarowe oraz informatyczne, które z powodzeniem mogą być wykorzystywane w monitoringu zmian elementów środowiska wywołanych przez proces eksploatacji złóż kopalin użytecznych. W szczególności opisano satelitarną technologię GPS, instrumenty geodezyjne, interferometrię radarową InSAR. Przedstawiono możliwości teledetekcji lotniczej i satelitarnej, a także opisano możliwości wykorzystania systemów informacji przestrzennej. Problemy zostały naświetlone w nawiązaniu do warunków Legnicko Głogowskiego Okręgu Miedziowego. 1. Wprowadzenie Mimo poważnych zmian gospodarczych w ostatnich kilkunastu latach polskie górnictwo jest w dalszym ciągu znaczącą gałęzią przemysłu. Sposobem podziemnym wydobywamy m.in. około 100 mln ton węgla kamiennego, około 30 mln ton rudy miedzi oraz kilka milionów ton rud cynkowo-ołowiowych. Metodą odkrywkową pozyskujemy m.in. ponad 50 mln ton węgla brunatnego oraz kilkaset milionów ton tzw. surowców pospolitych (surowce skalne, piaski, żwiry, gliny). Aktualne prognozy nie wskazują, że w najbliższych latach nastąpią istotniejsze zmiany w naszym górnictwie, nawet przy uwzględnieniu bliskiego już naszego wstąpienia do Unii Europejskiej. Nadal znaczna część powierzchni kraju i kilka milionów ludzi będzie w zasięgu ujemnego oddziaływania procesu wydobywania złóż kopalin użytecznych. Ilość gmin, na których terenie występują ujemne skutki eksploatacji górniczej jest znaczna i przekracza liczbę 70. W LGOM skutki eksploatacji odczuwa kilkadziesiąt tysięcy ludzi zamieszkujących obszar ponad 1000 km 2. Przedstawiona powyżej sytuacja wskazuje na ważność problematyki stałego monitoringu środowiska w rejonach objętych wpływami górniczymi. Przez monitoring należy rozumieć nie tylko pozyskiwanie informacji o zmianach, ale również ich porównywanie z dopuszczalnymi przez normy i przepisy prawa lub powszechnie przyjmowane zasady, a także uruchamianie odpowiednich działań zapobiegawczych i profilaktycznych. Obowiązek monitorowania zmian w środowisku wywołanych przez górnictwo wynika z podstawowych aktów prawnych regulujących ten sektor działalności gospodarczej. Podstawowym jest tu Prawo Górnicze i Geologiczne, obowiązują również Ustawa o Ochronie 127

E. POPIOŁEK Możliwości wykorzystania nowoczesnych metod monitorowania terenu... Środowiska i Ustawa o Zagospodarowaniu Przestrzennym. Obowiązek monitoringu zmian w środowisku wynika również z Ustawy o Gospodarce Odpadami. W szczególny sposób do monitoringu zmian w środowisku zobowiązane są zakłady górnicze a kontrolę, oprócz Inspekcji Ochrony Środowiska sprawują Okręgowe Urzędy Górnicze. Rozwój elektroniki, technik komputerowych i informatycznych oraz sposobów zdalnego pozyskiwania danych spowodował powstanie wielu nowych przyrządów pomiarowych, nowych technologii pozyskiwania informacji a także ich dystrybucji dla użytkowników, z wykorzystaniem coraz szerzej stosowanych systemów informatycznych. Między innymi przedstawione zostaną następujące metody i przyrządy pomiarowe: technologia satelitarna GPS oraz geodezyjne instrumenty elektroniczne do monitorowania przemieszczeń i deformacji powierzchni terenu, satelitarna interferometria radarowa do monitorowania zmian pionowych terenu, laserowe trójwymiarowe skanowanie obiektów. Przedstawione zostaną również możliwości wykorzystania teledetekcji satelitarnej i lotniczej oraz systemów informatycznych w przedmiotowej tematyce. Całość prezentowanej problematyki odniesiona zostanie do wpływów górniczych, których skutki najbardziej odczuwalne są w LGOM. 2. Satelitarna technologia GPS i geodezyjne instrumenty elektroniczne Udostępnienie, stworzonej do celów militarnych satelitarnej techniki pomiarowej GPS, do zastosowań cywilnych stworzyło nowe możliwości w zakresie określania bezwzględnych przemieszczeń przestrzennych punktów powierzchni terenu, znajdujących się w zasięgu wpływów podziemnej eksploatacji górniczej. Satelitarna technika pomiarowa GPS pozwala na precyzyjne określenie wszystkich trzech składowych wektora przemieszczeń, będących wynikiem eksploatacji górniczej w dowolnie wybranym okresie czasu. Jednocześnie, rozwój elektronicznych instrumentów pomiarowych i związane z tym zwiększenie dokładności prowadzonych pomiarów, dają możliwość kompleksowych pomiarów punktów linii obserwacyjnych (tachimetria elektroniczna), w tym również wyznaczanie wektorów przemieszczeń badanych punktów z niemożliwą do uzyskania klasycznymi metodami dokładnością. 2.1. Technologia GPS Globalny System Pozycyjny (Global Positioning System) został stworzony i jest nadal używany przez Departament Obrony Stanów Zjednoczonych w celu możliwości precyzyjnego określenia pozycji zarówno w dzień jak i w nocy, niezależnie od warunków atmosferycznych oraz w dowolnym punkcie globu ziemskiego. System ten natychmiast zyskał duże zainteresowanie ze strony ludzi zajmujących się nawigacją i geodezją. Wyróżnia się trzy zasadnicze części sytemu GPS, zwane w literaturze segmentami, wśród których wyróżniamy: segment kosmiczny, złożony z 24 satelitów umieszczonych na sześciu orbitach, niemal kołowych, o nachyleniu 55 względem równika, po trzy lub cztery satelity na każdej orbicie, na wysokości około 20200 km. Czas obiegu każdego z satelitów wokół Ziemi wynosi 12 godzin, zaś czas pozostawania satelity nad horyzontem jest w przybliżeniu równy 5 godzin. W ten sposób zapewniono na całej powierzchni Ziemi możliwość 128

WARSZTATY 2003 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie obserwacji co najmniej czterech satelitów GPS, niezbędnych do poprawnego określenia pozycji, segment kontroli, odpowiedzialny za śledzenie satelitów, prowadzenie kontroli czasu, obliczanie efemeryd i wielkości poprawkowych oraz przekazywanie wyników do pamięci satelitów. Segment ten składa się z jednej stacji podstawowej mieszczącej się w Colorado Springs (USA) oraz czterech stacji śledzących zlokalizowanych na Wyspach Wniebowstąpienia, Hawajach, wyspie Diego Garcia i na atolu Kwajalein, segment użytkowników, w zależności od celu i posiadanej aparatury użytkownicy systemu mogą wyznaczyć natychmiastowo swoją pozycję w układzie CTS (nawigacja) lub też pozostając dłużej na punktach obserwacji (obserwując statycznie) otrzymują a posteriori dokładniejszą pozycję (np. pomiary geodezyjne). Rys. 2.1. Schemat systemu GPS Fig. 2.1. The scheme of GPS system Każdy z satelitów emituje dwa typy kodów: wojskowy i cywilny, a ponadto retransmituje informacje efemerydalne, czyli dotyczące położenia satelity w przestrzeni, jak również informacje identyfikacyjne satelity i systemu. Podstawową cechą systemu GPS jest bardzo precyzyjny pomiar czasu. Satelity GPS są wyposażone w zegary atomowe, które do pomiaru 129

E. POPIOŁEK Możliwości wykorzystania nowoczesnych metod monitorowania terenu... czasu wykorzystują wibracje atomów, wytwarzając wysokostabilną częstotliwość około 10 MHz. Jest to podstawowa częstotliwość systemu. Pierwsza częstotliwość nośna L 1 powstaje przez pomnożenie częstotliwości podstawowej przez 154. Pomnożenie częstotliwości podstawowej przez 120 daje drugą częstotliwość nośną L 2. Emitowane przez satelitę częstotliwości L 1 i L 2 są z zakresu mikrofal o długości około 19 i 24 centymetrów. Z zasad fizyki wiadomo, że fale o takiej częstotliwości nie ulegają ani ugięciu ani absorpcji w atmosferze, rozchodząc się prostoliniowo. Satelity GPS emitują dwa typy kodu binarnego, a mianowicie: kod C/A (Coars Acquisition Powszechnie Dostępny) i kod P. Kod C/A przenoszony jest na częstotliwości L 1 poprzez jej modulację i jest aktualnie również dostępny dla wszystkich użytkowników systemu GPS. Dodatkowo każdy z satelitów retransmituje na obydwu częstotliwościach informacje efemerydalne i informacje o satelicie i systemie GPS. Pomiar pozycji w metodzie satelitarnej GPS rozwiązywany jest jako przestrzenne wcięcie liniowe wstecz do punktów o znanych współrzędnych (satelitów). Pomiar odległości odbywa się podobnie jak w dalmierzach elektromagnetycznych, z tą różnicą, że w dalmierzach pomiar następuje poprzez pomiar interwału czasu przebiegu fali elektromagnetycznej od dalmierza do lustra i z powrotem, natomiast w systemie GPS pomiar odległości obejmuje tylko połowę procesu odbiór fali wysłanej przez satelitę. Druga połowa jest zastąpiona poprzez bardzo precyzyjną synchronizację zegarów w obu punktach pomierzonego odcinka: zegara atomowego na satelicie i zegara kwarcowego w odbiorniku. Satelita i odbiornik generują w tych samych momentach czasu takie same sygnały. Jednak sygnał z satelity musi przebyć pewną drogę, dlatego też nie pokrywa się on z sygnałem generowanym przez odbiornik i jest przesunięty względem niego. Wielkość tego przesunięcia jest dokładnie czasem, jakiego potrzebuje fala na przebycie drogi między satelitą a anteną odbiornika GPS. Odległość między satelitą a odbiornikiem jest wyznaczana z prostej zależności: D v t (2.1) gdzie: D odległość odbiornika i satelity, v prędkość rozchodzenia się fal, t różnica czasu między sygnałem generowanym przez satelitę i odbiornik. Zasadniczą cechą odbiorników satelitarnych GPS jest ich zdolność do odbioru i gromadzenia wszystkich informacji jakie są przekazywane przez satelity systemu GPS. Współczesne odbiorniki GPS są najczęściej urządzeniami wielokanałowymi, mogącymi pracować w niekorzystnych warunkach atmosferycznych i układach satelitów. Są to automaty pomiarowe umożliwiające precyzyjny pomiar współrzędnych przestrzennych punktu pomiarowego. Wspomnieć należy o porozumieniu krajów Unii Europejskiej, podpisanym w marcu 2003 r. w sprawie budowy europejskiego systemu nawigacji satelitarnej GALILEO. Będzie to konkurencyjny w stosunku do GPS system o wyższej dokładności i bardziej wszechstronnych zastosowaniach. 2.2. Tachimetria elektroniczna Rozwój elektroniki i systemów informatycznych pozwolił na połączenie teodolitu, dalmierza elektrooptycznego i rejestratora danych, co umożliwiło powstanie nowej generacji przyrządów geodezyjnych, pozwalających w sposób automatyczny pozyskiwać dane 130

WARSZTATY 2003 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie pomiarowe (kąt, odległość) oraz dane wyjściowe a następnie ich przetwarzanie na współrzędne x, y, z punktów obserwowanych metodą biegunową. Procesy pomiaru kąta i odległości łącznie z rozwiązywaniem wieloznaczności, interpolacją, sumowaniem odczytów zgrubnych i dokładnych, wyznaczaniem i wprowadzaniem poprawek kompensacyjnych, wyświetlaniem, transmisją i retransmisją danych pomiarowych sterowane są z centralnego mikroprocesora (mikrokomputera), który kontroluje również prawidłowość funkcjonowania przyrządów. Rezultaty elektronicznych pomiarów kątów i odległości są wyświetlane na wyświetlaczu. Mogą one być także rejestrowane, łącznie z wartościami wprowadzanymi przez klawiaturę i wynikami obliczeń wykonywanych w samym tachimetrze. Rejestracja odbywa się w zewnętrznych rejestratorach, na wymiennych taśmach magnetycznych i w pamięciach półprzewodnikowych. Dane te mogą być także przekazywane bezpośrednio z tachimetru do komputera lub urządzenia peryferyjnego w celu dalszego przetwarzania lub przechowywania. Do wykonywania wszystkich czynności na tachimetrach elektronicznych wymagane jest oprogramowanie (software) dostarczane wraz z instrumentem przez producenta. Oprogramowanie to można podzielić na: oprogramowanie systemowe, które tworzy zespół programów służących do sterowania pracą całego przyrządu oraz wspomagające użytkownika w trakcie procesów przetwarzania i programowania (np. pomiar kątów i odległości, kompensacja wpływu nachylenia osi instrumentu i błędu indeksu, obliczanie odległości poziomej, obliczanie współrzędnych x, y, z); programy specjalne przeznaczone do wykonywania wielu złożonych zadań geodezyjnych. Zwykle programy te są bardzo elastyczne, dzięki czemu użytkownik może je łatwo modyfikować, przystosowując do własnych celów. Przy pełnej automatyzacji procesów pomiarowych, obliczeniowych i kontrolnych oraz dzięki automatycznej rejestracji wyników pomiaru i przetwarzania danych, obsługa nowoczesnych tachimetrów elektronicznych jest zasadniczo prosta i szybka. 2.3. Możliwości łącznego wykorzystania technologii GPS i tachimetrii elektronicznej Możliwości pozyskiwania informacji o przemieszczeniach i deformacjach powierzchni terenu i obiektów przy łącznym stosowaniu technologii GPS i tachimetrii elektronicznej lub teodolitu elektronicznego typu total station są wyraźnie większe od dotychczas stosowanych metod klasycznych. Optymalnym rozwiązaniem z uwagi na koszty, czas pomiaru i dokładność jest połączenie pomiarów satelitarnych GPS i precyzyjnej tachimetrii elektronicznej (Wójcik 1997) przy czym punkty wyznaczone za pomocą odbiorników GPS służą jako punkty nawiązania dla pomiarów tachimetrycznych. Po połączeniu obydwu metod uzyskujemy pełną informację o położeniu przestrzennym punktów obserwacyjnych a wyrównanie ciągów sytuacyjnych do punktów bazowych GPS daje dość dobre wyniki pod względem dokładnościowym. 3. Satelitarna interferometria laserowa Spośród wielu technik zdalnego pozyskiwania informacji o powierzchni terenu i jego zmianach najbardziej interesująca i przydatna dla warunków LGOM może okazać się satelitarna interferometria radarowa nazywana metodą InSAR. Jest ona techniką służącą 131

E. POPIOŁEK Możliwości wykorzystania nowoczesnych metod monitorowania terenu... pozyskiwaniu informacji o pionowych zmianach powierzchni Ziemi w określonym okresie czasu. Metoda ta wykorzystuje zdjęcia SAR (Synthetic Aparature Radar radar bocznego wybierania z anteną syntetyczną) uzyskiwane podczas powtarzalnych przelotów satelity nad tym samym obszarem powierzchni Ziemi. Wykonywanie radarogramów przez satelitę polega na rejestracji, przy użyciu anteny SAR, odbitej od powierzchni terenu fali radarowej (rys. 3.1). Rys. 3.1. Zasada prowadzenia radarowego skanowania terenu przy użyciu anteny SAR Fig. 3.1. The pattern of carrying out radar scanning of the area, using the SAR aerial W trakcie rejestracji zapisywane są informacje o intensywności odbicia fali radarowej (inaczej stopnia pochłaniania fali) oraz o jej fazie w momencie dotarcia do odbiornika. W dziedzinie ochrony terenów górniczych istotną własnością radarogramów jest właśnie informacja o różnicach faz fal odbitych w różnym czasie od tego samego obszaru. Posiadając dwa takie radarogramy można określić wartości faz, o jakie różnią się ich sygnały, otrzymując w efekcie interferogram. Interferogram stanowi zatem obraz różnic faz poszczególnych pikseli 132

WARSZTATY 2003 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie dwu obrazów SAR. Różnice fazy przedstawia się standardowo za pomocą odpowiedniej skali barw, gdzie pełna sekwencja kolorów odpowiada zmianie fazy sygnału radarowego o 360 o. Obserwowana na interferogramie zmiana fazy o pełny cykl (360 o ) odpowiada połowie długości fali sygnału radarowego. W przypadku satelitów ERS-1 i ERS-2 długość fali wykorzystywanej przez urządzenie SAR wynosi 5,6 cm, czyli pełna sekwencja prążków interferometrycznych (zmiana fazy o 360 o ) przedstawia przemieszczenie powierzchni terenu o 2,8 cm w kierunku do satelity. Ponieważ jednak skanowanie odbywa się pod kątem 23 o, toteż przy redukcji zmian wysokości do normalnej w obszarze wykonanego radarogramu, kolejne paski interferencyjne występują w miejscach różnicy obniżeń terenu wynoszących około 2,5 cm. Wielkość przylegających do siebie na interferogramie pojedynczych pikseli (dla danych ERS SAR) odpowiada w terenie powierzchni około 25 x 25 m, natomiast prążek interferencyjny swoją szerokością może obejmować kilka pikseli. Rastrowy charakter danych sprawia, iż nie ma konieczności ich interpolacji, jak w przypadku pomiarów naziemnych. Ponadto, dla satelitów ERS, okres pomiędzy kolejnymi skanowaniami tego samego obszaru wynosi 35 dni, co umożliwia precyzyjne śledzenie procesu osiadania jednorazowo dla kilku tysięcy km 2 powierzchni (standardowy obraz ERS SAR ma wymiary 100 x 100 km). Ze względu na sekwencyjny charakter skanowania radarowego, które inicjowane jest na sygnał przekazywany z ośrodka SAR (po czym wyniki na bieżąco wysyłane są do stacji naziemnych), interesujące użytkownika radarogramy należy wcześniej zamawiać w tych ośrodkach. Zasadniczo do opracowania interferogramu nadają się obrazy radarowe wykonane w takich samych (lub bardzo zbliżonych) warunkach fizycznych środowiska. Pozycja satelity w momentach wykonywania kolejnych, odpowiadających sobie radarogramów, nie powinna się również różnić więcej niż 1 km. Otrzymywany obraz interferometryczny umożliwia przede wszystkim obserwację zmian wysokościowych powierzchni terenu. Początkowo zdjęcia te wykorzystywano do obserwacji ruchów skorupy ziemskiej, powodowanych ruchem płyt kontynentalnych czy trzęsieniami ziemi. Bardzo szybko jednak wykazano dużą przydatność tych obrazów do monitorowania zmian powierzchni terenu, m.in. poddawanego wpływom eksploatacji górniczej. Pierwsze badania tego typu w Polsce, potwierdzające wysoką wiarygodność uzyskanych danych, przeprowadzono w 1997 r. na terenie Górnośląskiego Okręgu Przemysłowego (Perski 1998, 1999). Do parametrów dających się bezpośrednio odczytać z rozkładu prążków interferometrycznych zaliczyć można chwilową krzywiznę skłonu niecki (na podstawie szerokości prążków), rzeczywisty, chwilowy obszar wpływów eksploatacji (na podstawie wielkości obszaru występowania prążków), szerokość i kształt aktywnego skłonu niecki obniżeniowej (w oparciu o szerokość i kształt prążków interferometrycznych). W przypadku eksploatacji otworowej koncentryczne prążki interferometryczne w bezpośredni sposób ujawniają obniżający się obszar powierzchni oraz pozwalają określić wartość tego obniżenia w ściśle określonym okresie czasu. Stosowanie interferometrii radarowej należy uznać za celowe w przypadkach, gdy zmiany wysokości następują w długich okresach czasu. Badania prowadzone przez Katedrę Ochrony Terenów Górniczych AGH wykazały szerokie możliwości wykorzystania tej metody na terenie LGOM (Popiołek 2002/1, 2002/2). Przykładowo intefrerogram przedstawiony na rysunku 3.2. wykazuje widoczne niecki obniżeniowe, zaobserwowane w okresach pomiędzy wybranymi przelotami satelity (rys 3.1). Porównanie niecek uzyskanych metodą InSAR i niecek rzeczywistych wykazuje bardzo dobrą zgodność (rys. 3.3). 133

E. POPIOŁEK Możliwości wykorzystania nowoczesnych metod monitorowania terenu... Rys. 3.2. Przykład interferogramu przyrostów obniżeń terenu zarejestrowanych w LGOM Fig. 3.2. The example of the interferogram of the increases of the area subsidence, registered in LGOM Omawiana metoda pozwoli również na uzyskiwanie wyników (trudno osiągalnych klasycznym pomiarem), na podstawie których prowadzić będzie można z powodzeniem monitoring zachowania się przedpola dużych stawów osadowych w LGOM, czy różnego rodzaju składowisk nadkładu, gdzie na skutek nacisku składowanych mas na podłoże, mogą występować wypiętrzenia. Metodą interferometrii radarowej można będzie wykrywać zagrożenia związane z utworzeniem się ewentualnego zapadliska. Przy użyciu satelitarnej interferometrii radarowej z powodzeniem można określać zasięg wpływów eksploatacji w dowolnych okresach czasowych między wykonywaniem kolejnych zdjęć, przyjmując wartość obniżenia 2,5 cm za granicę tych wpływów. Szeroka gama zastosowań radarogramów (w dużym zakresie również poza górnictwem) była przyczyną podjęcia przez Europejską Agencję Kosmiczną ESA (European Space Agency) decyzji o dalszej kontynuacji programu obserwacji radarowych naszego globu. Między innymi na początku maja 2002 r. wystrzelono na orbitę nowego satelitę z najnowszą aparaturą do skanowania radarowego Ziemi. Są to realne działania zmierzające do ulepszenia metody oraz eliminacji dotychczasowych jej ograniczeń. Z powyższych rozważań wynika, iż możliwości opisanej technologii nie zostały jeszcze wyczerpane a dotychczasowe efekty wskazują na dalsze możliwości praktycznego wykorzystania satelitarnej interferometrii radarowej w wielu dziedzinach życia i nauki, w tym również w ochronie środowiska na terenach górniczych. 134

WARSZTATY 2003 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie Rys. 3.3. Porównanie niecek uzyskanych metodą InSAR i niecek rzeczywistych dla rejonu LGOM Fig. 3.3. The comparison of troughs found by InSAR method and actual troughs for the LGOM region 135

E. POPIOŁEK Możliwości wykorzystania nowoczesnych metod monitorowania terenu... 4. Laserowe trójwymiarowe skanowanie obiektów Jest to jedna z najnowszych technologii pozyskiwania informacji o metrycznym przestrzennym położeniu obiektów i urządzeń o skomplikowanym kształcie a także monitorowania ich zmian. Pomiar polega na ciągłym skanowaniu powierzchni obiektów poprzez określenie współrzędnych biegunowych punktów, przetwarzanych na współrzędne prostokątne oraz na ich rejestracji w pamięci zewnętrznej. Skanowanie odbywa się z dużą szybkością (od kilkudziesięciu do kilkuset punktów na sekundę). Zasięg pomiaru sięga 150 m, a dokładność określenia współrzędnych przestrzennych wynosi od 2 do 5 mm. Aktualnie w Polsce dostępne są przyrządy Cyrax 2500 firmy Leica ze Szwajcarii oraz CALLIDUS firmy Trimble (Niemcy). Pierwsze próby wykorzystania skanera CALLIDUS w LGOM do inwentaryzacji wyrobisk górniczych wypadły zachęcająco. Rys. 4.1. Skaner Laserowy Cyrax 2500 Fig. 4.1. Laser Scanner Cyrax 2500 136

WARSZTATY 2003 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie Rysunek 4.1. przedstawia skaner laserowy CYRAX 2500 wykorzystywany szeroko w świecie, w tym kilkunastokrotnie w Polsce. Możliwości zastosowania laserowego trójwymiarowego skanera Cyrax są bardzo szerokie. Z interesującej nas tematyki monitoringu rejonów górniczych można wskazać na następujące zastosowania: badanie kształtu obiektów poddawanych wpływom górniczym i ich zmian, określanie aktualnego kształtu konstrukcji obiektów (kominy, zapory, urządzenia techniczne) oraz ocena zgodności ze stanem pierwotnym (projektowym), ocena stanu bezpieczeństwa obiektów w nawiązaniu do norm i analiz wytrzymałościowych, sporządzenie map warstwowych, przekrojów, obliczanie objętości i innych wielkości możliwych do uzyskania z modelu numerycznego. Drugim przyrządem stosowanym w Polsce jest skaner laserowy firmy CALLIDUS promowany przez znaną firmę geodezyjna Trimble (rys. 4.2). Rys. 4.2. Skaner Laserowy CALLIDUS Fig. 4.2. Laser Scanner CALLIDUS W tym przyrządzie testowanym w LGOM, orientację przestrzenną poszczególnych skanów, stanowiących fragmenty mierzonego obiektu, uzyskuje się poprzez nawiązanie pozycji głowicy skanera do punktów o znanych współrzędnych za pomocą tachimetrów elektronicznych. Pełny obrót głowicy pozwala uzyskać współrzędne biegunowe z prędkością 76 odczytów na sekundę, 137

E. POPIOŁEK Możliwości wykorzystania nowoczesnych metod monitorowania terenu... przy pojemności 1 000 000 punktów na jeden skan. O stopniu zagęszczenia punktów decyduje odległość od skanera do obiektu skanowanego, przy odległości 30 m odległość pomiędzy sąsiednimi punktami wynosi około 4 cm. Z CALLIDUSem związane jest specjalistyczne oprogramowanie 3D Exstractor do automatycznego przekształcania chmury punktów w geometryczne modele powierzchni z wykorzystaniem odpowiednich narzędzi matematycznych. Zaletą programu jest jego kompatybilność z podstawowymi programami graficznymi AutoCAD-em i Microstation. Na rysunku 4.3 przedstawiono przykład opracowania skanu wyrobiska górniczego z testowania przyrządu w warunkach LGOM. Rys. 4.3. Przykład opracowania skanu wyrobiska górniczego ze skanera CALLIDUS w warunkach LGOM Fig. 4.3. The example of the scan of the mining excavation, made by CALLIDUS scanner in the conditions of LGOM Należy podkreślić, że przedstawiona technologia przestrzennego skanowania laserowego jest na etapie rozwoju i niewątpliwie pojawią się dalsze możliwości jej zastosowań. Trwają intensywne prace w kierunku podniesienia dokładności metody, miniaturyzacji przyrządów i obniżenia ich ceny, która aktualnie wynosi w granicach 70 100 tys. USD. 5. Możliwości wykorzystania systemów informatycznych Ilość pozyskiwanych informacji w procesie monitornigu terenu górniczego i środowiska jest coraz większa. Niezbędne i w pełni uzasadnione jest skorzystanie z możliwości współczesnych systemów informatycznych. Od początku lat dziewięćdziesiątych w różnych ośrodkach naukowych opracowano szereg rozwiązań aplikacyjnych w odniesieniu do elementów monitoringu. Między innymi opracowano bazy danych o pomiarach deformacji, o polach 138

WARSZTATY 2003 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie eksploatacji dokonanej i projektowanej, o obiektach budowlanych i inżynierskich i ich uszkodzeniach. Bazy te współpracują z programami prognozującymi wpływy górnicze. Pierwszym pełnym rozwiązaniem systemu do monitoringu zmian w środowisku na terenach górniczych jest System Informacji Przestrzennej Ochrona Terenu Górniczego (SIP- OTG) opracowany w Katedrze Ochrony Terenów Górniczych AGH w Krakowie. System, którego głównym autorem jest dr inż. A. Krawczyk powstał w nawiązaniu do tworzonych w Polsce Systemów Informacji Przestrzennej (SIP) przy zastosowaniu najnowszych rozwiązań wykorzystywanych w systemach informacji przestrzennej (Krawczyk 2001). Podstawowym zadaniem systemu SIP-OTG jest zarządzanie danymi o terenie, jego zabudowie i zagospodarowaniu, o środowisku naturalnym oraz eksploatacji górniczej. Przez zarządzanie danymi rozumie się takie operacje jak: pozyskiwanie, przetwarzanie, analizowanie i prezentowanie danych. Podstawowe cele systemu dotyczą wykorzystania zgromadzonych w systemie informacji o aktualnych i przewidywanych wpływach górniczych dla ocen stanu zagrożenia obiektów i wybranych elementów środowiska pozwalających na dokonanie wyboru optymalnych warunków eksploatacji złoża. Poniżej, na rysunku 5.1 przedstawiono w postaci schematu cztery podstawowe obiekty, które obrazują różnorodność zagadnień występujących w trakcie eksploatacji górniczej. Dla komputerowej realizacji Systemu przyjęto zasadę, że System będzie się składał z kilku podsystemów powiązanych ze sobą informacją przestrzenną, jaką są współrzędne przestrzenne punktów, np. na rysunku 5.2 przedstawiono schemat pojęciowy układu podsystemów tworzących SIT-OTG, natomiast rysunek 5.3 to ogólny schemat przepływu informacji w opracowanym systemie. Rys. 5.1. Schemat tematyczny systemu informacji o terenie górniczym SIP-OTG Fig. 5.1. A thematic scheme of the inform system on the mining area SIP-OTG 139

E. POPIOŁEK Możliwości wykorzystania nowoczesnych metod monitorowania terenu... Rys. 5.2. Uproszczony schemat pojęciowy SIP-OTG Fig. 5.2. A simplified concept scheme of SIP-OTG Rys. 5.3. Schemat funkcjonalny projektowanego systemu Fig. 5.3. A functional scheme of the designed system Fizyczna realizacja systemu następuje poprzez stworzenie centralnej bazy danych systemu, do której podłączone są rozproszone bazy danych poszczególnych podsystemów. Centralna baza danych (Systemowa) stanowi przede wszystkim źródło informacji o użytkownikach systemu, dostępnych mapach systemu i innych zgromadzonych danych. Katalogi, w których 140

WARSZTATY 2003 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie znajdują się bazy poszczególnych podsystemów, stanowią podstawę do stworzenia miejsca ( site ) przechowywania pozostałych informacji związanych z przetwarzaniem danych w ramach danego podsystemu. Podkreślić należy fakt, że zarówno centralna baza danych jak i podsystemowe bazy danych korzystają wzajemnie ze swoich danych. Przedstawiony powyżej System, opracowany obecnie dla warunków Legnicko-Głogowskiego Okręgu Miedziowego może być adaptowany do innych rejonów górniczych a także dla gmin górniczych. Aktualnie w LGOM tworzony jest system informatyczny obejmujący również problematykę ochrony terenu górniczego. 6. Wielospektralna teledetekcja satelitarna i lotnicza Rozwój teledetekcji, stymulowany przez potrzeby militarne i środowisko doprowadziły do powstania nowych możliwości monitoringu powierzchni terenu na obszarach oddziaływań górniczych. Opracowano szereg spektrometrów i spektroradiometrów pozwalających utworzyć wielospektralne, a nawet hiperspektralne obrazy powierzchni terenu. Przyrządy montowane są na satelitach, przy czym głównie są to satelity służące do ciągłego monitoringu naszej planety. Coraz więcej spektrometrów montowanych jest w samolotach, specjalnie przystosowanych do tego celu. Tworzone są agencje lotnicze, jak np. DLR-German Aerospace Center, realizujące specjalistyczne zamówienia związane z projektami badawczymi finansowanymi m. in. przez Unię Europejską. Cykliczność pozyskiwania obrazów przy niezmiennym zakresie przestrzennym pozwala na określenie zmian wielu elementów terenu i jego zagospodarowania (np. wilgotność gleb, zawodnienia, osuszenia, szata roślinna, stopień wegetacji). Wadą tych metod są wysokie koszty aparatury i pozyskiwania obrazów, szczególnie lotniczych i często skomplikowany proces ich opracowywania. 7. Uwagi końcowe Przedstawione w niniejszym referacie metody monitoringu nie obejmują wszystkich zmian, które są następstwem działalności górniczej. Wiele rozwiązań, o których nie wspomniano, jest adaptowanych z szerokiego spektrum badań zmian w środowisku. Inne metody, np. w zakresie wstrząsów górniczych, pochodzącą z tzw. dużej sejsmiki. Wszystkie jednak metody są rozwijane i unowocześniane jako wynik ogólnego rozwoju elektroniki, systemów przekazu informacji, wzajemnego wykorzystywania nowych rozwiązań z różnych dziedzin. Przede wszystkim jednak nowoczesność metod objawia się w sposobie przekazywania, przetwarzania i prezentacji pozyskiwanych wyników. Uzyskuje się w ten sposób szybkie i wiarygodne informacje, pozwalające na optymalne decyzje w zarządzaniu środowiskiem na terenach górniczych. Literatura [1] Perski Z. 1999: Osiadania terenu GZW pod wpływem eksploatacji podziemnej określone za pomocą satelitarnej interferometrii radarowej (InSAR). Przegląd Geologiczny, vol. 47, nr 2. [2] Pielok J. 2001: Ocena możliwości wykorzystania nowoczesnych metod pomiarowo interpretacyjnych w celu monitoringu geokinematyki terenu górniczego. VI Dni Miernictwa Górniczego i Ochrony Terenów Górniczych, Ustroń. 141

E. POPIOŁEK Możliwości wykorzystania nowoczesnych metod monitorowania terenu... [3] Popiołek E. 2002/1: Nowoczesne metody monitoringu zmian w środowisku powodowanych oddziaływaniem eksploatacji górniczej złóż kopalin. Konferencja Ochrona środowiska w rejonach pogórniczych, Szczyrk 2002. [4] Popiołek E. 2002/1: Zastosowanie interferometrii radarowej do wielkopowierzchniowych pomiarów odkształceń pionowych terenów górniczych LGOM w celu ograniczenia klasycznych pomiarów deformacji. Praca niepublikowana, listopad 2002. [5] Krawczyk A. 2002: Modelowanie przestrzenne zmian elementów środowiska na terenach górniczych. Praca doktorska, Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Geodezji Górniczej i Inżynierii Środowiska, Kraków. [6] Wójcik A. 1997: Opis pola przemieszczeń i deformacji wywołanych eksploatacją górniczą w oparciu o pomiary elektronicznym tachimetrem precyzyjnym i technologią satelitarną GPS z terenu kopalni Jaworzno. Praca magisterska (niepublikowana). Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Geodezji Górniczej i Inżynierii Środowiska, Kraków. The Possibilities of the application of modern methods for the monitoring in the Legnica-Głogów Copper Mining Area (LGOM) In this paper, new instruments, measurement technologies and computer techniques were presented. They can be successfully applied in the monitoring of the changes in the elements of environment, caused by the process of the exploitation of mining resources. In particular the following was described: GPS technology, surveying instruments and InSAR radar interferometry. The possibilities of aviation and satellite remote sensing as well as the applications of Space Information Systems were also described. The problems were presented regarding the conditions of the Legnica-Głogów Copper Mining Area (LGOM). Przekazano: 19 marca 2003 r. 142