i

Aktuální číslo:

2021/4

Téma měsíce:

Město

Laserový paprsek a hlubiny zemské

 |  5. 4. 2021
 |  Vesmír 100, 258, 2021/4
komerční prezentace

Přesný prostorový model složitě tvarovaných a rozsáhlých podzemních prostor, jakými jsou například historická důlní díla, potřebujeme nejen pro mapování, ale např. pro časové sledování případných změn v řádu milimetrů. To by bez laserového skenování a následného počítačového zpracování nebylo možné (viz Vesmír 94, 692, 2015/12). Tyto informace jsou důležité např. pro posouzení, zda lze historická důlní díla bezpečně zpřístupnit.

Hornictví v Horním Městě

Samotný název obce vypovídá o tom, že její dějiny jsou úzce spjaty s hornickou činností. Hornoměstský rudní revír je svou velikostí třetí největší na Moravě a ve Slezsku, přičemž nejvýznamnějším a zároveň největším byl zlatohorský rudní revír, který byl následován revírem hornobenešovským. První zmínky o dolování zde máme z roku 1490, tehdy se zde těžilo stříbro. Těžba Pb-Zn rud (trvala pouhých pět let) zde byla ukončena 30. září 1970. Od r. 2012 se zde revitalizovalo a resocializovalo centrum po těžební činnosti. V rámci zajištění starých dobývek byla vyražena tři nová důlní díla (úpadnice Eva, komín Karel a úpadnice na Staré patro), byla vyzmáhána1) historicky velmi cenná dědičná štola sv. Antonína Paduánského. Ze zajištěných dobývek pod centrem obce nakonec vykrystalizovala část, kterou budou moci navštívit lidé z řad laické i odborné veřejnosti.

Během těchto zajímavých prací byla vyhotovena i nová mapová dokumentace historických dobývek. Chybělo však trojrozměrné zdokumentování prostoru dobývek, které se nacházejí v hloubce od 12 do 60 m pod povrchem. Právě 3D model, resp. 3D pohled, může potvrdit, případně vyloučit souvislost povrchových projevů se skenovanou, digitalizovanou částí.

Vlastní skenování

Skenování započalo v r. 2018 ještě v průběhu sanačních prací. Tato etapa si kladla za cíl vyzkoušet 3D laserový skener v tomto typu podzemí a prostředí, kde skenování značně limituje profil a průřez důlních děl. Kvůli váze použitého přístroje a zejména kvůli minimální pracovní výšce se však podzemí nenaskenovalo celé.

Další skenování se uskutečnila koncem roku 2019. Zapůjčený modernější skener by svým výkonem, váhou a rozměry umožnil zachytit podzemí celé a bez omezení, avšak z časových důvodů nebyla skenována přechodová komora mezi 1. a 2. patrem dolu.

V roce 2020 jsme v Horním Městě skenovali potřetí, tentokrát již pomocí vlastního 3D laserového skeneru Faro Focus S 350. Tento model může detekovat objekt až ve vzdálenosti 350 metrů (přístroj použitý při předchozím skenování pouze 70 metrů), nicméně takto vzdálený objekt bude méně detailní, a tedy i méně přesný.

Vlastní skenování bylo rozděleno do tří etap. První etapa se zaměřila na prostory 1. a 2. patra dolu (Staré patro a Petrův obzor), obr. 1. Ve druhé etapě jsme se zaměřili na zachycení povrchu, aby bylo možné vyhotovit průmět důlní situace s povrchovou situací, obr. 2. Třetí etapa, ač časově nejkratší, byla z hlediska skenování nejnáročnější, neboť bylo nutné naskenovat komoru mezi 1. a 2. patrem o úklonu až 60°, obr. 3. Při skenování přechodové komory jsme nepoužili vlícovací body, protože jejich umístění v důlním díle bylo prakticky nemožné. Vlastní registrace bodů byla prováděna „na plochy“, v tomto případě jimi byly výztužní prvky důlního díla a kompozitový žebřík. Skenovací čas se v jednotlivých případech lišil na základě zvoleného rozlišení, přičemž v 3. etapě jsme museli přistoupit ke kompromisu, abychom kvůli pohybu po žebřících skenování zkrátili na nezbytně nutnou dobu.

Princip
3D laserového skenování

Laserové skenování je plně automatizovaná neselektivní metoda sběru dat, pomocí které získáme mračno bodů, u nichž jsou určeny prostorové souřadnice X, Y a Z. Lze u nich určit také hodnotu intenzity odrazu laserového paprsku či barvu skenovaného předmětu, která může být určena integrovanou digitální kamerou [2]. 3D laserové skenery obecně fungují obdobně jako radar: paprsek ze zdroje záření je rozmítán na body rastru v řádcích či sloupcích, pro každý měřený bod jsou automaticky zaznamenány horizontální a vertikální úhel a šikmá vzdálenost.

V praxi je 3D laserové skenování v důlním prostředí v ČR aplikováno jen ve vybraných případech a jde stále o okrajovou záležitost. Nicméně pro pracovníky Ústavu geoniky AV ČR, v. v. i., je to naopak nástroj v tomto prostředí hojně využívaný k zachycení reálného průběhu důlního díla, k detekci časoprostorových změn (změna výšky, šířky, opady ze stropů), případně slouží jako nástroj pro jiné úlohy a aplikace, kde je nutné pracovat s reálnou, nezkreslenou geometrií a tvarem důlního díla. Skenovány byly chodby zařazené do 3. stupně nebezpečí důlních otřesů, chodby v rámci nejhlubší aplikace dobývací metody chodba–pilíř (Room and Pillar) na světě na Dole ČSM v hloubce 800 m pod povrchem [4], nebo bylo skenováno v nejhlubším místě v ČR vůbec, na 24. patře Dolu Rožná I v hloubce 1200 m pod zemí [1]. Překážkou není ani typ těžené suroviny, pracovníci Ústavu geoniky AV ČR mají za sebou mnoho kampaní jak na uhlí (Důl Lazy, Důl ČSM), rudách (Zlaté Hory, štola Josef aj.), nerudách (Modrá štola), tak i uranu (Důl Rožná I, PVP Bukov).

Po letech strávených s přístrojem Leica ScanStation C10 je nyní v maximální možné míře využíván nový přístroj Faro Focus S 350, který dokáže zachytit až 1 milion prostorových bodů za sekundu. V rámci softwarového zabezpečení je využíván software Trimble Realworks, Leica Cyclone, CloudCompare, Maptek i-Site Studio, 3DReshaper aj.

Přestože bylo podzemí v Horním Městě zachyceno již třikrát, pouze skenování z roku 2020 bude sloužit jako referenční pro budoucí úlohy a aplikace. Sanační a rekonstrukční práce v podzemí byly ukončeny v létě roku 2020, a lze tedy předpokládat, že zachycené prostředí se nebude dalšími úpravami měnit (obr. 4). V plánu je i nadále pokračovat ve skenování, neboť srovnáním jednotlivých mračen bodů je možné odhalit jevy a procesy, které v dole nastávají. Těmi nejvýznamnějšími fenomény jsou pohyb základky a opad kamenů ze stropu. Oba jevy by byly zcela nepřípustné pro plánovaný návštěvnický provoz, který má být zahájen v létě r. 2021.

Trojrozměrné laserové skenování zde sehrává významnou kontrolní funkci, podobně jako tomu bylo v minulých letech např. na Dole ČSM {4}. Trojrozměrné skenování štoly sv. Antonína Paduánského započalo v roce 2020. To se jeví jako náročný a dlouhodobý úkol, neboť štola samotná trpí častým výskytem důlních vod, které zdárné skenování štoly v úhrnné délce bezmála 660 metrů omezují nebo mu zcela brání. Je však možné zachytit průběh důlního díla klasickými metodami, kdy je riziko poškození či utopení skeneru zcela minimální, resp. nulové. Nicméně vlastní skenování tohoto díla, které je prozatím neúplné, probíhá ve stejných intencích jako skenování komory mezi 1. a 2. patrem, tedy bez vlícovacích bodů s krokem 5 metrů mezi stanovisky. Profil důlního díla je značně variabilní, v nejužším a nejnižším místě hovoříme o výšce 120 cm a šířce 60 cm, kdy je tento profil ještě snížen o pochozí překlad z dřevěných prken.

Závěr

V rámci Moravskoslezského kraje je rudní podzemí Horního Města první a dosud jediné, které budou moci lidé navštívit. Jelikož se pod celou obcí několik staletí těžilo, byly projevy důlní činnosti mnohdy velmi patrné, počínaje popraskanými stěnami domů a propady povrchu konče. Právě tato skutečnost a blízkost důlních děl k povrchu vedly k tomu, že i zde bylo provedeno 3D laserové skenování důlních prostor a odvozeny kritické hloubky vůči povrchu. V částech, které nebyly zasaženy zmáhacími pracemi, lze díky opakovanému měření říci, že v průběhu tří let nedošlo k žádným změnám – nebyly zaznamenány ani opady stropu či pohyby boku díla. Průměrná chyba skenování v důlním prostředí byla v délce (vzdálenosti) 2,1 mm, v horizontální rovině 1,63 mm a ve vertikální rovině 1,03 mm.2) Digitalizace podzemí je každopádně užitečná jak z hlediska bezpečnosti a rozhodovacích procesů, tak pro vytvoření celkového 3D modelu podzemí v Horním Městě.

Vznik textu byl podpořen Strategií Akademie věd AV21 v rámci výzkumného programu Přírodní hrozby a v rámci projektu Regionální spolupráce Akademie věd s Moravskoslezským krajem.

Literatura

[1] Kukutsch R., Kajzar V.: Možnosti využití technologie 3D laserového skenování v báňské praxi. Uhlí, rudy, geologický průzkum 65, 3–6, 2017/2, ISSN 1210-7697.

[2] Kuda F., Kajzar V., Divíšek J., Kukutsch R.: Aplikace pozemního laserového skenování v geovědních disciplínách. Ústav geoniky Akademie věd České republiky, v. v. i., 53 s., Brno 2014.

[3] Brejcha M., Brůna V., Marek Z., Větrovská B.: Metodika digitalizace, 3D dokumentace a 3D vizualizace jednotlivých typů památek. Univerzita Jana Evangelisty Purkyně, 60 s., Ústí n. Labem 2015.

[4] Kukutsch R., Kajzar V., Waclawik P., Němčík J.: Application of the Terrestrial 3D Laser Scanning in Room and Pillar Trial at CSM Mine. 10th Asian Rock Mechanics Symposium – The ISRM International Symposium for 2018. Singapur: ISRM Singapur, 2018. ISBN 978-981-11-9003-2.

Poznámky

1) Zmáhač – dělník, který odstraňuje zával; vyzmáhat – odstranit zával.

2) Zajímavostí je růst chyby při překonávání důlních děl s výrazným úklonem, resp. výškovým rozdílem mezi počátečním a konečným bodem skenování. V případě prvního patra byl skener umístěn v úpadnici o úklonu 25°, v případě přechodové komory mezi 1. a 2. patrem byl úklon až 60°. Přestože 2. patro není zcela horizontální, je de facto rozděleno na patro a mezipatro, výškový rozdíl cca 3 m nebyl řešen mezipozicí, skener byl na pozici 0 m a poté až +3 m. Přestože se ve výsledku jedná o zcela zanedbatelné hodnoty (v důlním prostředí jsou změny v jednotkách mm nepozorovatelné), jedná se o fenomén, který byl už opakovaně několikrát potvrzen.

Ke stažení

OBORY A KLÍČOVÁ SLOVA: Technické vědy

O autorovi

Radovan Kukutsch

Ing. Radovan Kukutsch, Ph.D., (*1980) vystudoval Hornicko-geologickou fakultu Vysoké školy báňské v Ostravě. Po absolvování doktorského studia v oboru hornictví nastoupil v roce 2007 do Ústavu geoniky AV ČR, v němž se zabývá výzkumnými tématy v oblasti hornictví a problematikou pohornické činnosti. Zároveň v těchto tématech rozvíjí spolupráci s partnerskými organizacemi v Austrálii a Číně.

Doporučujeme

Spočítat to covidu

Spočítat to covidu

Martin Šmíd  |  5. 4. 2021
Představte si, že jste starosta středně velkého města a že ve vašem městě propukne epidemie. Musíte rozhodnout, co proti ní udělat. Na jedné...
Turbo-venkovy

Turbo-venkovy

Radan Haluzík  |  5. 4. 2021
Jak bude při současném tempu globalizace vypadat zapadlý venkov naší planety v budoucnosti, řekněme za čtvrt století? Ony vesničky ztracené vysoko...
Bublina českých dějin

Bublina českých dějin

 |  5. 4. 2021
„V otázkách tak důležitých může býti a jest zajisté stanovisko různé. Avšak domníváme se, že myšlenky právě projevené už pro svou přímosť a...

Předplatným pomůžete zajistit budoucnost Vesmíru

Tištěná i elektronická
verze časopisu
Digitální archiv
od roku 1994
Speciální nabídka
pro školy a studenty

 

Objednat předplatné