Trudno znaleźć dzisiaj gałąź gospodarki, w której nie wykorzystuje się bezzałogowych statków powietrznych (BSP) – dronów. Znajdują one zastosowanie m.in. w budownictwie, rolnictwie, transporcie, ratownictwie, sporcie i reklamie, a ich wykorzystanie z roku na rok jest coraz powszechniejsze. Doskonale sprawdzają się także w badaniach naukowych, w tym coraz częściej w geologii. Realizując zadania państwowej służby geologicznej Państwowy Instytut Geologiczny - PIB wykorzystuje drony podczas kartowania geologicznego, dokumentowania geologiczno-inżynierskiego, monitorując ruchy masowe na osuwiskach i w strefie brzegowej Bałtyku oraz w inwentaryzacji wyrobisk eksploatacyjnych.
W dokumentowaniu geologiczno-inżynierskim istotną rolę odgrywają dane geodezyjne i kartograficzne w postaci map, które są wykorzystywane jako podkład lokalizacyjny w pracach geologicznych. Obecnie ogromny potencjał w tym zakresie wykazują drony, które w szybki sposób umożliwiają wykonywanie precyzyjnych pomiarów, z dokładnością do nawet kilku centymetrów. Ponadto wielką zaletą nalotów fotogrametrycznych z wykorzystaniem dronów jest ich stosunkowo niska cena i niewielkie ograniczenia – przy dobrych warunkach atmosferycznych (brak opadów i silnych wiatrów) drony docierają praktycznie wszędzie. W ciągu kilku minut dron, sterowany z poziomu telefonu komórkowego z dedykowaną aplikacją, jest w stanie pozyskać dane dla kilkuhektarowego terenu badań.
Ze zdjęć o pokryciu podłużnym i poprzecznym pozyskanych podczas nalotów za pomocą oprogramowania fotogrametrycznego można pozyskać chmurę punktów, numeryczny model terenu (NMT), numeryczny model pokrycia terenu (NMPT) oraz cyfrową ortofotomozaikę. Produkty te posiadają georeferencję i są kartometryczne, co znaczy, że można na nich dokonywać punktowych, liniowych lub powierzchniowych pomiarów i porównywać je z innymi danymi posiadającymi georeferencje w oprogramowaniach typu GIS i BIM.
Bezzałogowy statek powietrzny (BSP) na terenie badań
Poniżej przedstawiono możliwości wykorzystania nalotów dronów podczas czterech (z ośmiu etapów) dokumentowania geologiczno-inżynierskiego.
Zbieranie dostępnych informacji o terenie
Podczas wizji terenowej za pomocą BSP można wykonać dokumentację fotograficzną, która pozwoli na weryfikację aktualności kartograficznych materiałów archiwalnych. Jej celem jest m.in. sprawdzanie zgodności morfologii terenu (w tym form antropogenicznych, jak hałdy, wykopy), lokalizacja miejsc występowania procesów geodynamicznych (osuwiska, podmycia skarp), ocena aktualnego stopnia zagospodarowania terenu (budynki, drogi, itp.) oraz weryfikacja możliwości wykonania wstępnie planowanych punktów badawczych. Ponadto za pomocą nalotu fotogrametrycznego można uzyskać informacje o nowej infrastrukturze i nieudokumentowanych formach zagospodarowania terenu bez potrzeby wejścia na niekiedy niedostępny teren.
Porównanie aktualności ortofotomapy z Państwowego Zasobu Geodezyjnego i Kartograficznego ze zdjęciem terenu z BSP
Projektowanie badań
Pozyskane podczas wizji lokalnej aktualne i posiadające dobrą rozdzielczość ortofotomozaika i numeryczny model terenu usprawniają proces projektowania punktów i ciągów badawczych wzdłuż założonych linii przekrojów oraz pozwalają na weryfikację ich położenia pod kątem dostępności terenu dla sprzętu badawczego.
Wykonywanie badań
W trakcie kartowania geologiczno-inżynierskiego bezzałogowy statek powietrzny może służyć jako narzędzie do dokumentowania fotograficznego m.in. odsłonięć naturalnych i antropogenicznych, procesów geodynamicznych oraz niekorzystnych zjawisk geologicznych, terenów szkód górniczych i budowlanych oraz podtopień. Pozyskane dane po przetworzeniu mogą pomóc w identyfikacji form morfologicznych, których genezę trudno jest jednoznacznie określić w terenie.
Na tym etapie dokumentowania ortofotomozaika może służyć do projektowania marszrut oraz kartowania zasięgu wybranych form geologicznych, a numeryczny model terenu pomaga w identyfikacji i określeniu granic form morfologicznych. Może on być także źródłem informacji na temat przestrzennego zorientowania obszarów ze spadkami o niebezpiecznym kącie nachylenia, np. powyżej 10°.
Identyfikacja form morfologicznych z nalotu BSP
Przykładowa mapa spadków terenu wykonana z nalotu BSP
Przedstawianie wyników badań
W trakcie przedstawiania wyników badań produkty takie jak ortofotomozaika i numeryczny model terenu mogą posłużyć jako kartometryczny podkład pod mapy dokumentacyjne oraz mapy tematyczne – na przykład geomorfologiczne, obszarów zagrożonych podtopieniami, wyrobisk górniczych i in.
Za pomocą oprogramowania GIS lub BIM tworzenie map w oparciu o tego rodzaju podkłady staje się łatwiejsze i mniej pracochłonne.
Przykłady map z zastosowaniem produktów z BSP
W celu sprawdzenia, z jaką dokładnością można pozyskiwać dane przestrzenne (współrzędne geodezyjne płaskie oraz rzędne wysokościowe) z nalotów BSP na potrzeby dokumentowania geologiczno-inżynierskiego w warunkach ograniczonej widoczności geolodzy z PIG-PIB przeprowadzili eksperyment. Wykonali na wysokości 50 metrów na terenie około 9 hektarów nalotów bezzałogowym statkiem powietrznym z kamerą o rozdzielczości 4000x3000 pikseli. Z pozyskanych 138 zdjęć z pokryciem podłużnym i poprzecznym na poziomie 80% wygenerowali gęstą chmurę punktów, a następnie wykonali numeryczny model pokrycia terenu o rozdzielczości 8 cm/piksel oraz ortofotomozaikę o rozdzielczości 2 cm/piksel.
Analizę dokładności przeprowadzono w oparciu o punkty kontrolne - miejsca o ograniczonej widoczności - środki płyt betonowych zamieszczonych w prefabrykowanych kręgach studziennych. Porównano współrzędne pozyskane z pomiaru bezpośredniego GNSS-RTN z pomiarami na modelu powstałym z nalotu. Przeprowadzona analiza wskazuje, że na modelach utworzonych ze zdjęć pozyskanych z nalotów bezzałogowym statkiem powietrznym można wykonywać pomiary kartometryczne z dokładnością powyżej 0,1 m. Wyniki takie można uzyskać poprzez dobranie odpowiednich parametrów lotu (m.in. wysokości i prędkości lotu oraz procentowego pokrycia poprzecznego i podłużnego zdjęć), a także rozdzielczości kamery.
Zdjęcie punktu kontrolnego z nalotu BSP
Opracowanie: Redakcja na podstawie artykułu: A. Piechota, A. Sobótka- Zastosowanie bezzałogowych statków powietrznych w dokumentowaniu geologiczno-inżynierskim, Przegląd Geologiczny tom 69, 12/2021
Artykuł został przygotowany w ramach projektu pn. ”Współpraca krajowa w zakresie geologii i promocja działań państwowej służby geologicznej w latach 2021-2023” i sfinansowany ze środków Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej.
