XXVI. ASR '2001 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, April 26-27, 2001 Paper 43 Tvorba 3D modelu oblasti Hrušovského dolu MOJŽÍŠKOVÁ, Jana 1, ŠIŠKA, David 2 1 Ing., Institut ekonomiky a systémů řízení, VŠB TU Ostrava, tř. 17. listopadu 15, 708 33 Ostrava - Poruba, jana.mojziskova.hgf@vsb.cz, http://www.vsb.cz/~g93578/ofi.htm 2 Ing., david.siska.hgf@vsb.cz, http://www.vsb.cz/~sis009 Abstrakt: Příspěvek se zabývá tvorbou 3D modelu oblasti Hrušovského dolu (v ostravské aglomeraci) v prostředí MicroStationu. Tento model je a dále bude využíván jako informační prvek při řešení problematiky výstupu metanu na území města Ostravy. Cílem je zobrazit hlavní prvky oblasti významné pro řešení uvedené problematiky a navázat k nim se vztahující informace. Výstupy tohoto modelu jsou a dále budou využívány pro další řešitele v jiných aplikacích. Hlavní částí modelu je v současnosti drátová kostra štol a chodeb štolových pater spolu s jámami a vrty v dané oblasti. Dalším krokem je přidání ploch slojí a připojení databáze informací vztahujících se k uvedeným prvkům modelu. Klíčová slova: 3D model, MicroStation, Hrušovský důl 1 Úvod Těžba černého uhlí na Ostravsku má velmi dlouhou historii. Přestože vědecký důkaz o prvním využití černého uhlí člověkem pochází z období před více než 25000 lety z lokality Landek na území dnešní Ostravy, můžeme za skutečný objev uhlí na Ostravsku považovat až přesně lokalizovaný a úředně zaznamenaný nález, k němuž došlo před více než 200 lety (r.1763) v údolí Burňa ve Slezské (tehdejší Polské) Ostravě [11]. Tento objev znamenal pro tehdy poměrně malé město Ostravu a její okolí, jako pro nepříliš industrializovanou oblast někdejšího Rakouska-Uherska, nebývalý impuls k obrovskému rozvoji v nejrůznějších oblastech. Černé uhlí se na Ostravsku těžilo více než 200 let. Zásadním mezníkem byla změna společenských a politických podmínek po listopadu 1989, která přinesla prudký útlum hornictví na Ostravsku, což pro samotné město Ostravu znamenalo zpočátku útlum a posléze i úplné zastavení těžby (r.1994). Jedním z nedořešených důsledků útlumu těžby uhlí na Ostravsku je existence důlního plynu (metanu), jeho nekontrolovaný výstup na povrch a s tím spojená nebezpečí. Problematika výstupu metanu do důlních děl je známa od počátků jeho těžby, problémy s nekontrolovatelnými výstupy na povrch však začaly až po roce 1994 po ukončení těžby. Právě v důsledku tragické události z roku 1996 se situací začaly zabývat zúčastněné orgány. Jedním z důsledků bylo také schválení grantového úkolu GA ČR č. 105/98/KO45 s názvem Projekt realizace systému ochrany atmosféry před únikem metanu z uzavřených dolů v ostravské aglomeraci. Tento grantový úkol je řešen kolektivy tří subjektů, jimiž jsou ViP, s.r.o, Důlní průzkum a bezpečnost Paskov, a.s. a Institut ekonomiky a systémů řízení na Hornicko-geologické fakultě Vysoké školy báňské Technické univerzity Ostrava. Dále se touto problematikou zabývali pracovníci OKD, a.s. Dolu Odra o.z., VVUÚ Ostrava Radvanice a Ministerstvo životního prostředí ČR. - 1 -
K efektivnímu a spolehlivému řešení celého komplexu problémů je nutné poznání zákonitostí proudění důlních plynů v podzemí narušeném hornickou činností a úniku metanu na povrch. Toto je cílem řešitelů z VŠB TU Ostrava v rámci již výše uvedeného grantového úkolu. Pro účely seznámení se základními principy tvorby modelu byla navržena modelová oblast tzv. Hrušovského dolu s částečně reálnou, částečně navrženou situací. Cílem je naučit se území modelovat, metoda (způsob) modelování s použitím reálných dat. Tento model by měl pomoci porozumět situaci pod zemí, sloužit jako informační prvek při dalším studiu oblasti a zobrazit možné cesty plynu podzemím, které bude možno namodelovat v dalších používaných programech, např. FLUENTu, POWERSIMu či Graf-SIT. Možná bychom měli říci, proč jsme se rozhodli vytvořit geologický model oblasti Hrušova pomocí programu MicroStation. Programů pro tvorbu geologických modelů s následným využitím v důlních či povrchových podmínkách je poměrně velké množství. První část tvoří velké systémy, jakými jsou například program Vulcan od firmy Maptek nebo Minescape od firmy Mincom. Jsou to velmi kvalitní programy speciálně vytvořené pro práci s 3D objekty a k nim jsou doprogramovány další moduly, které se specializují na určitou činnost (např. pro zpracování geodetických dat, pro plán těžby, atd.). Úskalí velkých systémů spočívá v tom, že jsou hodně rozsáhlé, uživatelské rozhranní je velmi náročné a proto naučit se potřebné moduly k jejich plnému využití je i zdlouhavé z hlediska časového. Na druhé straně se v českém prostředí začaly vytvářet programy určené pro použití v konkrétním dole či organizaci a teprve na základě toho, že se programy ukázaly kvalitní, byly upravovány a měněny. V mnoha případech došlo k tomu, že se tyto programy začaly využívat i pro jiné účely, než byly určeny. Zde se jedná například o produkty firmy ATLAS, některé geodetické programy ( KOKEŠ ) nebo Geologický model od firmy KVAS. Z důvodu možnosti spolupráce s firmou KVAS a protože máme na škole k dispozici program MicroStation, rozhodli jsme se vytvořit model touto cestou. Jako základní prostředí pro tvorbu modelu byl tedy zvolen program MicroStation 95. Pro různé činnosti související s tvorbou modelu byly posléze používány také nadstavby nad MicroStation Groma, SiteWorks. 2 MicroStation MicroStation je profesionální CAD (Computer Aided Design) produkt pro inženýrské modelování v rovině i v prostoru v oblastech GIS, architektury, stavebnictví a strojírenství. Svoji produktivitu a snadnost používání zvyšuje tím, že nabízí specifické nástroje pro všechny zmíněné oblasti. Uživatelské rozhraní v MicroStationu je vytvořeno z roletových menu a přesunovatelných dialogových oken a palet, které mohou zůstávat trvale na monitoru a jsou aktivní i během provádění grafických funkcí. Výkres se může prohlížet a upravovat v několika nezávislých pohledech přičemž všechny pohledy jsou stále aktivní. Velkou výhodou je, že každý grafický prvek je ihned po svém zobrazení na monitoru uložen do výkresového souboru. Proto jsou data vždy uložena i při jakémkoli přerušení běhu MicroStationu. V MicroStationu existují nástroje pro kreslení v 2D i v 3D. Pro kreslení v 2D obsahuje základní funkce běžné i v jiných grafických systémech. Jedná se o mnoho různých způsobů konstruování bodů, přímek, křivek, kruhových oblouků, textu apod. Uzavřené prvky lze šrafovat nebo vzorovat předem navrženým vzorem (buňkou). Texty mohou být jedno i víceřádkové a můžete je umísťovat podél zakřiveného prvku a do vymezeného prostoru. Pro modelování v 3D MicroStation obsahuje všechny základní postupy pro konstrukci 3D objektů. Prostorové objekty je možné konstruovat přímým zadáváním 3D bodů, rotací 2D prvků kolem osy. Velkou výhodou je umístění textu nezávislého na pohledu, který nám nabízí čitelnost z jakékoli strany prvku. MicroStation také obsahuje nástroje pro generování řezů 3D objekty. - 2 -
MicroStation obsahuje nástroje pro vývoj aplikací přímo v jeho prostředí. Jedná se o programovací systém MDL (MicroStation Development Language) a je založen na jazyku C. Z jazyka je přístup ke všem funkcím MicroStationu a obsahuje komplexní prostředí pro vývoj aplikací v MDL, které zahrnuje kompilátory, linkery, grafické prostředí pro interaktivní návrh dialogových oken, editor ikon atd. MicroStation je určen pro operační systémy DOS, Windows95/NT, Silicon Graphics, HP a Macintosh a na všech platformách je uživatelské prostředí zcela stejné. Podle našich zkušeností lze MicroStation spustit i na operačním systému Windows 98, ale je zde nestabilní. 3 Plán tvorby modelu Základem byl výkres typu 3D, ve kterém byl model tvořen. Výhoda 3D modelu je ta, že lze s modelem otáčet a tím nahlížet z různých úhlů. Údaje modelu jsou v souřadnicovém systému JTSK. Tvorba modelu je uskutečňována v těchto krocích: 1. Chodby (štolová patra a další chodby vyznačené v mapě) 2. Vrty a jámy 3. Osový kříž, popisky os a jednotlivých prvků modelu 4. Poruchové pásmo 5. Vrstvy plochy slojí 6. Další doplňování modelu - razítko (jako u výkresu), povrch, výruby, připojení databáze, přenos dat z a do dalších aplikací (např. ArcView, Surfer a další) 4 Tvorba (drátového) modelu chodeb štolových pater Pomocí nadstavby Groma byl vytvořen základ modelu oblasti Hrušovského dolu. Program Groma je MDL aplikace určena ke geodetickým výpočtům. Lze v něm řešit všechny základní geodetické úlohy. Navíc obsahuje jednoduchou grafiku a možnost digitalizace rastrových dat. V našem případě jsme použili program Groma pro digitalizaci rastrových dat. Z dostupného mapového podkladu byly digitalizovány vyznačené chodby štolových pater. Podkladem byla mapa OKD DPB Paskov HRUŠOVSKÝ DŮL Lokalizace odrubů ve slojích č. 8, 9, 10 a ve sloji Františka v měřítku 1:1000 z 10.6.1999. Digitalizace chodeb z analogového mapového podkladu Obr. 1 - Transformační klíč pro usazení naskenované mapy - 3 -
Naskenovaný mapový podklad (mapu oblasti Hrušovského dolu) ve formátu BMP jsme načetli do nadstavby Groma. Zde bylo nutno provést usazení do souřadnic, čili určit na mapě několik bodů (minimálně tři), u nichž jsou známy souřadnice, ty zadat číselně a definovat jim odpovídající body v mapě (viz. Obr. 1). Na základě toho si program vytvořil transformační rovnici a podle ní pak následně pro body, které v naskenované mapě vybereme, vypočítá skutečné souřadnice. Poté je nutno myší vybírat všechny zlomové body linie, které chceme digitalizovat. Program Groma automaticky vygeneruje jejich souřadnice a uloží je do seznamu souřadnic.(viz. Obr. 2) Obr. 2 - Soubor se seznamem souřadnic v digitální podobě Přenos dat z nadstavby Groma do MicroStationu Pak je nutno tyto body (nejlépe po trasování každé linie zvlášť, aby nedošlo k chybám, které body patří ke které linii) přenést do programu MicroStation. Při přenosu bodů bylo použito nastavení v aplikaci Groma, kdy si zde (a jen zde) lze definovat, do které vrstvy v MicroStationu budou body přeneseny. Body každé linie (plus různá její větvení apod.) byla přenesena do samostatné vrstvy, aby nedošlo ke zbytečným chybám při spojování linií. Pro přibližnou představu počty těchto bodů se pro každou linii pohybovaly mezi 80-160, v závislosti na délce linie. Síť chodeb byla rozdělena pro digitalizaci do 15 linií. - 4 -
Obr. 3 - Program Groma s naskenovanou mapou, klíčem pro digitalizaci bodů a seznamem souřadnic Tvorba jednotlivých linií Tyto body digitalizovaných linií byly jeden po druhém manuálně spojeny proudovou křivkou. Případné slepé chodby a různá větvení je v některých případech nutno zadat jako úsečky. Tyto křivky pak byly spolu s úsečkami v případech, kde to bylo možné, spojeny, aby bylo usnadněno vybírání těchto linií pokud možno po co největších úsecích. Zároveň jednotlivé linie digitalizované z bodů byly pak uloženy každá do samostatné vrstvy, aby mohly později být tyto vrstvy zobrazeny samostatně dle požadavků. Není ovšem problémem tyto linie sloučit do jedné vrstvy v případě požadavků či nedostatku prázdných vrstev pro další data. Po dokončení tvorby linií byly vrstvy s body odstraněny. Takto byl vytvořen základ 3D modelu Hrušovského dolu ve formě drátového modelu chodeb štolových pater. 5 Vrty a jámy Na základě tabulky s údaji o lokalizaci vrtů uvedené v (1) a tabulky důlních děl (jam) uvedené v (2) byly do modelu přidány lokalizace těchto objektů. Toto bylo provedeno v MicroStationu bez nadstaveb a uvedené objekty byly zakomponovány jako linie v podobě úseček. Vycházeli jsme přitom ze známé polohy objektu, tedy souřadnic X, Y a Z, přičemž známe souřadnice X, Y objektu, výšku jeho ústí na povrch a hloubku, tedy všechny potřebné údaje. Tyto objekty jako úsečky byly zadávány absolutně jako počáteční a koncový bod úsečky pomocí modulu AccuDraw a vstupního okna pro přesné zadávání souřadnic vstupních bodů. U objektů, u nichž nebyla známa výška vyústění na povrch nebo hloubka, byl zvolen jako typ čára přerušovaná, aby byly snadno odlišitelné od ostatních, úplně zadaných jam/vrtů. - 5 -
Soubor vrtů i soubor jam byl umístěn každý do samostatné vrstvy z důvodu možnosti zvolit si zobrazení pouze vybraného typu prvků a kvůli zobrazení pouze vybraných zájmových témat, zejména však z důvodu přehlednosti modelu, neboť v modelu se již vyskytovalo značné množství prvků a zobrazení všech způsobovalo i přes barevné odlišení jednotlivých typů prvků velkou nepřehlednost modelu, zejména překrývání jednotlivých prvků. 6 Osový kříž, popisky os a jednotlivých prvků modelu Zejména z prezentačních důvodů a nutnosti používat izometrické schéma oblasti (které bylo možné díky 3D charakteru modelu snadno zobrazit a vytisknout) bylo přikročeno také k zobrazení souřadnicových os X, Y a Z modelu a jejich popisek. Rovněž tak z důvodu možnosti prezentace bylo nutné doplnit popisky k jednotlivým prvkům, tedy popsat chodby štolových pater, čísla vrtů a názvy důlních děl. Tvorba osového kříže Osový kříž byl vytvořen z úseček umístěných na požadované místo, aby vyhovoval lokalizaci ostatních prvků modelu. Úsečky byly opět vytvořeny z počátečních a koncových bodů zadaných pomocí modulu AccuDraw a přesného (absolutního) zadání polohy vstupních bodů. Pro tyto úsečky tvořící osový kříž byla zvolena tmavě šedá barva, která neruší příliš ani při černém (standardním) pozadí v prostředí MicroStation, ani při nastavení bílého pozadí pro případný tisk. Značky na osách byly vytvořeny opět pomocí nadstavby Groma, kde byly zadány souřadnice polohy těchto značek jako bodů tak, aby odpovídaly požadovaným polohám na osách a pak byly jako body opět přeneseny do MicroStationu, do stejné vrstvy jako úsečky tvořící osový kříž. Při přenosu byl nastaven v atributech jako požadavek, aby se přenášený bod zobrazil ne jako bod (tečka), ale jako křížek, čímž byla získána výraznější značka na ose (samotný bod jako tečka by nebyl prakticky viditelný, ani kdyby byl zobrazen jinou barvou). Pro značky byla zvolena fialová barva, která kontrastovala k barvě os, přitom však vizuálně nerušila ostatní prvky. Tvorba popisek os Při popisování os se objevil problém související s možností různých pohledů na model. I přes pevné nastavení polohy popisky a vztažení umístění popisky ke značce na ose nebyla tato zobrazována na požadovaném místě, což bylo nakonec vyřešeno kompromisně přidáním pomocných bodů na vhodnější místo a vztažení popisek k těmto pomocným bodům, které jsou umístěny v pomocné vrstvě, je tedy možno nastavit si nezobrazení těchto bodů, aby nerušily vzhled modelu, přestože jsou díky zvolené šedé barvě relativně nenápadné. 7 Tvorba popisek jednotlivých prvků modelu Podobné problémy jako s popiskami os se naštěstí při popisování jednotlivých prvků modelu neobjevily. Zde bylo možno u vrtů pouze bezprostředně po vytvoření objektu vrtu (úsečky) jej popsat vložením textu nezávislého na pohledu (aby byl vždy orientován čitelně k pozorovateli, bez ohledu na úhel pohledu) a popiska byla automaticky vztažena k tomuto vrtu a při nastavení požadovaného zarovnání a vybrání vhodné polohy správně umístěna. Totéž se týkalo popisek jam. Při popisování jednotlivých chodeb štolových pater bylo zvoleno popisování podél prvku, případně, bylo-li to možné, pod nebo nad prvkem, neboť při popisování podél prvku docházelo v důsledku zvlnění linie textu v některých případech k překryvu sousedních znaků, což bylo vyřešeno vkládáním mezer mezi znaky. Z důvodu větší přehlednosti byl zvolen pro popisky těchto chodeb malý font, aby tyto popisky nepřekrývaly většinu ostatních prvků. V případě požadavků (např. při tisku) na zvětšení velikosti fontu není toto problémem, lze to změnit snadno pomocí jednoho ze základních prvků menu MicroStationu. - 6 -
8 Poruchové pásmo Na základě ukončení důlních děl a vyrubaných prostor bylo jednoduchým spojením těchto míst liniemi (úsečkami, křivkou) pro jednotlivé sloje přibližně určeno ohraničení poruchových pásem. 9 Plochy slojí, řezy Program SiteWorks je další MDL aplikace, kterou začínáme využívat při tvorbě povrchu a profilů modelu. Siteworks poskytuje propracované možnosti založené na digitálním modelu terénu. K dispozici je mnoho příkazů pro export a import dat, jejich manipulaci, editování, zobrazování a generování profilů. SiteWorks používá k vygenerování povrchu body, z nichž vytvoří trojúhelníkovou síť. V modelu mohou být definovány čtyři druhy bodů. Random Nemají žádný vztah k ostatním bodům v terénu. Trojúhelníky vytvořené těmito body mají stejnou velikost a může jich být neomezený počet. Breaklines Používají se pro modelování záhybů na zemském povrchu. Interior boundaries Používají se pro definování prázdného prostoru v modelu, ve kterém neexistují žádná platná data. Exterior boundaries Jsou podobná jako Interior boundaries, ale používají se pro vnější ohraničení. V modelu může být definováno právě jedno vnější ohraničení. 10 Další směr tvorby modelu Dalším plánovaným doplněním modelu je povrch, a sice v podobě vrstevnic, případně natažení rastru se zástavbou na povrchu na tyto vrstevnice. MicroStation umožňuje vytvářet přímá napojení mezi grafickými prvky a databázovými záznamy. Na jeden grafický prvek může být napojeno více záznamů z různých databází. MicroStation obsahuje nástroje pro zakládání, úpravy a údržbu databázových informací a spolupracuje s databázemi dbase, FoxPro, Oracle, Informix a RIS a přes ODBC rozhraní. Právě ODBC rozhraní bude použito vzhledem k možnostem autorů a charakteru používání databáze. Toto propojení je nakresleno na obrázku Obr. 4. V současné době ověřujeme možnosti připojení databáze k jednotlivým grafickým prvkům. Je již vytvořena základní báze informací k jednotlivým prvkům. V prvním kroku jde o velmi jednoduchou bázi dat, která bude pokusně připojena, bude zjištěn vhodný postup a vyřešeny dílčí problémy, které se průběžně budou vyskytovat. Vzhledem k tomu, že k tomuto konkrétnímu problému prakticky není dostupná literatura, je vyřešení tohoto problému poněkud zdlouhavější díky nutnosti překonávat řadu nečekaných obtíží. Podařilo se již zajistit komunikaci mezi MicroStationem a databází, aktuálním problémem je nyní vyřešení propojení jednotlivých prvků s řádky databáze. Pokud se podaří databázové informace připojit k tomuto modelu, může být posléze navržena struktura a vybudována podrobnější databáze informací a postup aplikován pro lokalitu Jaklovecké štoly. Obr. 4 Propojení databáze s MicroStationem a export dat - 7 -
V současnosti posledním výhledovým bodem tvorby modelu je zjištění možností přenosu dat mezi modelem a jinými datovými formáty pro geografické informace, případně nalezení nejvhodnějšího formátu pro přenos dat. Zejména se jedná o data z aplikací Arc/Info, ArcView a Surfer, neboť v jejich formátech již existují některá data užitečná pro řešení problémů s metanem v oblasti Ostravska. Dále bychom chtěli směřovat k exportu dat do formátů využitelných pro další zpracování. Jednou z využitelných možností je export dat do virtuální reality prostřednictvím jazyka VRML, kde by bylo možno velmi realisticky proniknout do modelu a vytvořit si tak větší představu o dané problematice. 11 Závěr Tento model umožňuje zorientovat se v situaci na vybrané lokalitě, jakož i použití při modelování proudění metanu v podzemí. Jak již bylo zmíněno, cílem je připojit k tomuto modelu databázi obsahující informace k prvkům obsaženým v modelu, příp. rozšířenou databázi obsahující další informace o oblasti, čímž bude vytvořen komplexní soubor grafických i atributových informací o zájmové oblasti. Toto bylo cílem tvorby modelu. Tento model je první skutečně 3D model zabývající se problematikou Hrušovského dolu. Oblast Hrušovského dolu byla vybrána jako vhodná pro ověření možností vytvoření 3D modelu pro řešení problematiky metanu. Tato tvorba 3D modelu byla dosud prospěšná jako informační prvek pro vznik matematických modelů při řešení proudění plynů v dole. Uvedené výsledky byly dosaženy v rámci grantového úkolu GA ČR č. 105/98/KO45. - 8 -
Obr. 5 Celkový pohled na 3D model (izo pohled) - 9 -
Literatura TRUNEČEK, T., ŠENOVSKÝ, P. Řešení proudění plynů v lokalitě Hrušovský důl v ostravsko-karvinském revíru s využitím teorie sítí. Projekt realizace systému ochrany atmosféry před únikem metanu z uzavřených dolů v ostravské aglomeraci (grantový úkol GA ČR č.105/98/ko45). Dílčí zpráva za rok 2000. Ostrava : VŠB Ostrava, říjen 2000. NOVÁČEK, P. Odplyňovací systém v oblasti bývalého Hrušovského dolu. Studie pro OKD, DPB Paskov v rámci grant. úkolu GA ČR č. 105/98/KO45. Frýdek-Místek, září 2000. ŠLEGR, J. MicroStation 95. Referenční příručka uživatele. Praha : Computer Press 1998. - 10 -