Szukała, Czernecki - Wizualizacja danych przestrzennych kartowania jaskiń oraz ich wykorzystania w badaniach topoklimatycznych 2010.pdf - Kartowanie jaskiń - swierzop1

W: GIS – woda w środowisku, Zb. Zwoliński (red.)

Bogucki Wydawnictwo Naukowe, Poznań, 2010: –

Partner wydawniczy – ESRI Polska

Piotr Szukała, Bartosz Czernecki

Wizualizacja danych przestrzennych

kartowania jaskiń oraz ich wykorzystania

w badaniach topoklimatycznych

Visualization of spatial cave surveying and it’s utilisation

in topoclimatic studies

Zarys treści: Systemy Informacji Geograficznej zaczynają odgrywać bardzo dużą rolę w kartowaniu

krasu podziemnego, co ma związek z przygotowaniem opracowań kartograficznych w pracach eksplora-

cyjnych lub ponownym sporządzaniem planów jaskiń. GIS stał się także bardzo pomocnym narzędziem

do wizualizacji kanałów krasowych połączonych z cyfrowym modelem wysokościowym. Podobne opra-

cowania kartograficzne są podstawą do dalszych analiz przestrzennych, takich jak m.in. rozpoznanie

kierunków eksploracji pomiędzy systemami krasowymi, określenie kierunków spływu wód grunto-

wych, obliczanie kubatury systemów krasowych, badań topoklimatycznych itd. Modelowanie kanałów

krasowych pozwala na dalsze analizy przestrzenne, jednakże wymaga to zastosowania specjalnego

oprogramowania do kartowania jaskiń oraz innych programów typu GIS i CAD. Dla ukazania praktycz-

nego wymiaru wizualizacji kartowania jaskiń wykorzystano przykład Jaskini Błotnej (Góry Kaczawskie)

dla potrzeb modelowania topoklimatycznego.

Słowa kluczowe: kartowanie jaskiń, modelowanie topoklimatyczne, Therion, Jaskinia Błotna, Góry

Kaczawskie

Abstract: Geographic Information System software is getting to be more powerful tool in the cave sur-

veying. It depends on developing new methods applied in GIS programs and re-measurement of already

existed caves. Modern cave surveying elaboration allows to connect model of karst system with 3D re-

lief model, which provides cave system’s visualization. This is a framework for further variable

geoprocessing like recognition of possible exploration directions between separate cave systems, an es-

timation of underground water flow direction or calculating a cubature of underground karst systems,

topoclimate research etc. Modeling of the underground canals allows further geoprocessing, however

requires combination of cave surveying software and other GIS programs. Spatial cave surveying was

used for topoclimatic elaboration of the Błotna Cave (the Kaczawskie Mts.).

Key words: cave surveying, topoclimatic modeling, Therion, the Błotna Cave, Kaczawskie Mountains

Wstęp

Modelowanie kanałów krasowych opiera się na pomiarach odległości, kąta inklina-

cji oraz azymutu wzdłuż ciągów pomiarowych, a także wymierzeniu szczegółów

topograficznych metodą domiarów prostokątnych lub pomiarów poligonowych.

140

Piotr Szukała, Bartosz Czernecki

Jeszcze do niedawna dokumentacja jaskiń polegała na sporządzaniu planów i prze-

krojów poprzecznych systemu próżni krasowych. Zastosowanie oprogramowania

GIS oraz jego połączenia z możliwościami oprogramowania CAD-owskiego po-

zwoliło na łatwiejsze i szybsze tworzenie dokumentacji i wizualizacji systemów ja-

skiń w trzech wymiarach, ukazując ich rozmieszczenie i układ w przestrzeni geo-

graficznej masywów krasowych.

Prawidłowe odzwierciedlenie rzeczywistego układu korytarzy przy wykorzysta-

niu dotychczasowych technik i urządzeń pomiarowych często powodowało błędy

w planach i przekrojach systemu krasowego, nawet mimo wykonania starannych

pomiarów terenowych. Jest to związane ze specyficznym układem tuneli kraso-

wych, które niejednokrotnie są rozmieszczone we wszystkich kierunkach, tworząc

studnie, kominy czy szczeliny o różnych kształtach. Dlatego też coraz większe za-

stosowanie znajdują skanery geodezyjne idealnie odzwierciedlające rozkład kory-

tarzy, umożliwiające jednocześnie dokonanie szczegółowego pomiaru kubatury

oraz rejestracji wartości tonalnych każdego pomiaru i ukazujące w efekcie obraz w

odcieniach szarości, co nadaje mu efekt plastyczności.

Podstawowym problemem w przypadku kartowania speleologicznego jest po-

prawne odwzorowanie morfologii próżni krasowych, co wymaga zastosowania

znaków umownych (Borówka i in. 1980, Kostrzewski, Zwoliński 1988, UIS 2010),

tak samo jak przy sporządzaniu map. Kartując jaskinie, należy zatem dokonać od-

powiedniej generalizacji, zachowując jak najwierniejsze odzwierciedlenie rzeczy-

wistości (Haüselmann 2009).

Celem artykułu jest ukazanie metodyki wizualizacji opracowań kartograficz-

nych jaskiń. Polega ono na połączeniu modeli trójwymiarowych kanałów kraso-

wych oraz cyfrowego modelu wysokościowego. Dodatkowo przedstawiono zasto-

sowania opracowań kartograficznych w celach analizy topoklimatycznej Jaskini

Błotnej.

Rodzaje oprogramowania do kartowania jaskiń

Istnieje wąska grupa programów komputerowych, które realizują założenia karto-

wania jaskiń, m.in.:

• COMPASS (http://www.fountainware.com/compass/),

• WALLS (http://www.utexas.edu/tmm/sponsored_sites/tss/Walls/tsswalls.htm),

• Tunnel (http://www.freesteel.co.uk/wiki/index.php/Tunnel),

• Speleoliti (http://speleoliti.speleo.net/index.html),

• Therion (http://therion.speleo.sk/),

• Auriga (http://www.speleo.qc.ca/auriga/).

Oprogramowania te są w większości przypadków darmowe oraz rozwijane w

oparciu o otwarty kod źródłowy, co powoduje, że są one tworzone przez entuzja-

stów, grotołazów, amatorów jaskiń, naukowców speleologów oraz przez szerokie

grono programistów-amatorów. Tego typu oprogramowanie ulega nieustannie

szybkiemu rozwojowi, głównie z powodu zmieniających się przyrządów pomiaro-

wych oraz nowych możliwości publikacji dokumentacji jaskiń.

Wizualizacja danych przestrzennych kartowania jaskiń...

141

Niektóre z popularnych programów do kartowania jaskiniowego zostały w

skrócie opisane w tabeli 1.

Pomijając aspekty pomiarów terenowych, należy stwierdzić, że ważnym ele-

mentem jest odpowiednie opracowanie danych pomiarowych. W celu sporządze-

nia najwierniejszego modelu kanałów krasowych zdecydowano się na wykorzysta-

nie oprogramowania Therion. Jest to pakiet oprogramowania w pełni

edytowalnego (kod źródłowy napisano w Pythonie, często używanym w aplika-

cjach GIS-owych), dostępnego na platformy Windows, Linux i Mac OS X, który za-

chowuje poprawność geodezyjną w rozrzucaniu odchyłek. Głównym atutem pro-

gramu jest jednak generowanie trójwymiarowego modelu korytarzy jaskiń z ich

obrysem przy zachowaniu wierności matematycznej z ciągami poligonowymi, a ta-

kże możliwość zmiany punktów referencyjnych w przypadku odkrycia nowych

ciągów (Budaj, Múdrak 2008). Therion działa na zasadzie współpracy osobnych

modułów, które odpowiadają za poszczególne czynności operacyjne, jednak nawet

główny moduł programu może działać w pełni „samodzielnie” i jest wystar-

czającym narzędziem do sporządzenia pełnej dokumentacji jaskiniowej oraz two-

rzenia szczegółowych modeli systemów krasowych (Budaj, Múdrak 2009).

Tabela 1. Zestawienie wybranych programów do kartowania jaskiń

Table 1. Comparison of chosen cave survey and mapping software

Nazwa programu Typ oprogramowania

Krótka charakterystyka

COMPASS

komercyjne

Oprogramowanie wykorzystywane do sporządzania pełnej

dokumentacji jaskiń, jednakże o ograniczonych

możliwościach edycji danych. Posiada wbudowaną bazę

danych dotyczącą deklinacji magnetycznej pod względem

współrzędnych oraz okresu pomiaru. Umożliwia eksport do

formatów: SVG, DXF, VRML, KML

Tunnel

WALLS

freeware

Darmowe i łatwe w obsłudze programy nadające się do

sporządzania planów i przekrojów. Podobnie jak COMPASS,

generują proste modele trójwymiarowe bazujące na

pomiarach typu LRUD (domiary prostokątne w każdym

punkcie pomiarowym w kierunkach góra, dół, lewo, prawo)

Therion

freeware

open source

Oprogramowanie darmowe z udostępnionymi kodami

źródłowymi. Posiada samodzielny układ edycji planów i

przekrojów, ponadto generuje wewnętrzny format LOX dla

szczegółowych i w pełni edytowalnych modeli 3D.

Dynamicznie rozrzuca odchyłki w ciągach pomiarowych, co

powoduje ciągłą poprawność geodezyjną nawet w

przypadku zmiany rozkładu odchyłek. Umożliwia eksport

danych (PDF, SVG, DXF, KML, LOX)

Speloeliti

Auriga

freeware

Programy prostsze w budowie, jednakże nie mające tylu

możliwości edycyjnych jak w przypadku powyższych

przykładów. Program Auriga jest przystosowany do

instalacji na przenośnym urządzeniu PDA, co umożliwia

współpracę z przyrządami pomiarowymi

Źródło: Oficjalne strony internetowe producentów.

142

Piotr Szukała, Bartosz Czernecki

Opracowanie danych do sporządzenia wizualizacji 3D

Jako przykład opisania metodyki sporządzania wizualizacji trójwymiarowych ja-

skiń wykorzystano górne partie jaskini Bańdzioch Kominiarski w Kominiarskim

Wierchu (Tatry Zachodnie). Jaskinia ta zajmuje 3. miejsce w rankingu najgłębszych

jaskiń Polski oraz 5. miejsce pod względem długości (Gradziński, Kicińska 2009).

Do sporządzenia modelu trójwymiarowego wykorzystano dane archiwalne (Kotar-

ba, Wiśniewski 1995). Zawierały one ciągi pomiarowe (długość, azymut oraz kąt

inklinacji) pomiędzy poszczególnymi punktami osnowy matematycznej oraz goto-

we plany jaskini. Przy opracowywaniu danych należało uwzględnić kąt deklinacji

magnetycznej dla poszczególnych lat oraz dla konkretnych współrzędnych.

Na rycinach od 1 do 4 zaprezentowano poszczególne etapy przygotowania da-

nych do sporządzenia przestrzennego modelowania kanałów krasowych:

1. Przedstawienie ciągów pomiarowych w postaci trójwymiarowej wizualizacji.

Wszystkie punkty zostały zgeorefencjonowane poprzez nadanie początkowi

układu współrzędnych geograficznych w układzie prostokątnych płaskich. Każ-

dy pomiar jest ze sobą połączony, a w przypadku połączenia się pętli ciągów, od-

chyłki zostały rozrzucone.

2. Opracowanie szczegółowego modelu korytarzy wykonano, digitalizując obrysy

korytarzy na planie jaskini. Przestrzenny wymiar kształtu korytarzy uzyskano,

nadając odpowiednim fragmentom zdigitalizowanego obszaru wartości wyso-

kości i głębokości w stosunku do ciągu pomiarowego. Taki model ma w prze-

kroju poprzecznym kształt romboidalny o pionowych ścianach i odpowiednich

skosach stropu i spągu korytarza.

3. Bardziej czytelny obraz można uzyskać poprzez połączenie modelu 3D rzeźby z

modelami przestrzennymi jaskini. Wizualizację w takiej postaci można analizo-

wać pod kątem rozmieszczeniakanałów krasowych na tle powierzchni terenu.

4. Nałożenie na cyfrowy model wysokościowy ortofotomapy znacznie zwiększa

komunikatywność i percepcję oglądanej wizualizacji, co ułatwia zorientowanie

w prezentowanym obszarze górnych partii jaskini Bańdzioch Kominiarski.

Dane są przedstawione w widoku ortogonalnym, stąd też możliwe jest nadanie

skali oraz parametrów lokalizacyjnych.

Wykorzystanie wizualizacji kanałów krasowych

w badaniach topoklimatycznych – studium przypadku:

Jaskinia Błotna

Dotychczasowe możliwości programów do kartowania jaskiniowego nie pozwalają

na trójwymiarowe wizualizowanie parametrów innych niż wysokość terenu w ob-

rębie korytarzy jaskini. W związku z tym w celu wykorzystania uzyskanych planów,

przekrojów czy też obróconej w dowolnej płaszczyźnie trójwymiarowej bryły obry-

su jaskini trzeba wyeksportować dane z Theriona do formatu .dxf lub .svg. Należy

jednak zwrócić szczególną uwagę na poprawność wykonanego importu ze względu

Wizualizacja danych przestrzennych kartowania jaskiń...

143

na wielowarstwowy zapis ciągów pomiarowych, obrysu oraz metadanych. Nieste-

ty, często zdarza się, że eksport danych z Theriona i ich bezpośrednie wykorzysta-

nie w aplikacjach zewnętrznych nie jest możliwe bez wcześniejszego poddania eks-

portowanego pliku dodatkowym procedurom asymilacji danych. Z pewnością

należy to uznać za jeden z największych mankamentów, którego dotychczas nie

udało się całkowicie rozwiązać deweloperom zajmującym się rozszerzeniami eks-

portu danych do najpopularniejszych aplikacji GIS (m.in.: QGIS, ArcGis).

Ryc. 1. Wizualizacja ciągów pomiarowych górnych partii jaskini Bańdzioch Kominiarski

Fig. 1. Traverse survey visualization of upper parts of the Bańdzioch Kominiarski cave

Szukała, Czernecki - Wizualizacja danych przestrzennych kartowania jaskiń oraz ich wykorzystania w badaniach topoklimatycznych 2010.pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: