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.

1. 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

2. 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

3. 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

4. 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).

5. 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,

6. 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.

7. 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.

8. 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.).

9. 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.).

10. 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