VZPOST TEV SODOB E OPAZOVALNE MREŽE ZA OCENITEV RUD RSKE Š ODE izr.prof dr. Ranko T. Todorovic, mag. Tomaž Ambrožič NTF-Ocldelek za geotehnologijo in rudarstvo, Ljubljana cloc.dr. Bojan Stopar FGG-Oddelek za geodezijo, Ljubljana Prispelo za objavo: 1997-10-22 Pripravljeno za objavo: 1997-10-22 Izvleček Z opazovalno mrežo ugotavljamo premike in deformacije površja, ki je ogroženo z mdarskimi deli v jamah. Prikazane so testne meritve p1i uvajanju tehnologije GPS-ja v obstoječo terestrično mrežo v velenjskem premogovniku. Ključne besede: GPS-izmera, klasična izmera, opazovalna mreža, transf ormaczj a Abstract The aim of the observational geodetic network is to detect the movements and cleformations of the Earth's swface threatened by subtemmean mining. This article describes test measurements upon the introduction of GPS technology in the existing ten·estrial observational network at the Velenje coal mine. Keywords: GPS measurements, observational network, ten-estrial measurements, transformation 1 UVOD Opazovalna mreža je nedeljiva celota vseh znanstvenih, strokovnih in tehnoloških raziskovalnih, merskih, organizacijskih in drugih aktivnosti pri projektiranju, izmeri, obdelavi, tolmačenju, arhiviranju in posredovanju prostorskih in časovnih geometričnih in drugih podatkov in parametrov o oblikovanju površinske ugreznine nad rudarskimi jamskimi pridobivalnimi deli. Tvori prvo in objektivno izhodišče za proučevanje rušnih procesov v spodkopanih hribinah, povzroča pa jih rudarjenje. To predstavlja rudarsko škodo znotraj rudarskega merjenja in sorodnih rudarskih in geotchničnih specialnosti. Z merskimi točkami opazovalne mreže moramo dovolj gosto in enakomerno pokriti nestabilno površinsko ugreznino, izhodiščne točke mreže pa morajo biti vgrajene na stabilnem terenu zunaj vplivnega območja trenutno aktivnih in bodočih rudarskih del. Pravilno zasnovana in dolgoročno uporabna mreža je torej usodno povezana z opazovanim (raziskovalnim) objektom, njegovo preteklostjo, sedanjostjo in prihodnostjo. Geodetski vestnik 41 (1997) 4 2 POVRŠINSKA OPAZOVALNA 1nu,,c,n.,·n,_ a sliki 1 je prikazan pridobivalni prostor Rudnika lignita Velenje (sklenjena lomljena črta), ki pokriva celotno nahajališče premoga. Gospodarno pridobivanje geološko mladega nizkokaloričnega premoga je odvisno od uporabe visokoproduktivne (lastne velenjske) odkopne metode (brez zasipa), kar povzroča intenzivno degradacijo spodkopanih površin. O tem pričajo Škalsko, Velenjsko in Šoštanjsko (Družmirsko) jezero, ki so površinske ugreznine nad območji koncentriranega odkopavanja, napolnjene z vodo (potoki, padavine). Slika 1 Varno odkopavanje na teh območjih pa (splošna okoljevarstvena problematika, predvsem preprečevanje vplivov rudarjenja na industrijske, stanovanjske, komunikacijske in druge objekte na obrobju ugreznin) je možno le pri ustreznem poznavanju rušnih procesov. To omogoča načrtovano odkopavanje in napovedovanje njegovih posledic na površino, ustrezno ukrepanje ter optimalno skrb za okolje. Vse take prognozne metode pa temeljijo na sintezi opazovalnih podatkov o obstoječih ugrezninah. Prostorsko opazovalno mrežo tvorita tlorisna kotno-dolžinska in nivelmanska mreža. Slednja je zadovoljiva in je tu ne obravnavamo. Na sliki 1 je izrisano ogrodje tlorisne mreže, ki sicer obsega kakih 150 točk. Osnovna mreža povezuje predpostavljeno stabilne izhodiščne točke oziroma stranice severno in južno od rudniškega prostora. Neugodna geometrična zgradba mreže je posledica topografskih danosti. Obrobne točke so umaknjene iz nestabilne ravne kotline na stabilnejša obrobna območja. Slednja so gozdnata, kar onemogoča mersko povezavo med sosednjimi točkami, ampak je ta dosegljiva le prek osrednjega ugrezninskega predela. Rezultat so terminske izmere slabše natančnosti. Geodetski vestnik 41 (1997) 4 Potrebno natančnost, zanesljivost in gospodarnost terminskih izmer prostorske opazovalne mreže se da doseči z racionalno kombinacijo satelitskih GPS-jev in terestričnih dolžinskih, kotnih in nivelmanskih meritev. Potrebna sredstva za nabavo ustrezne instrumentalne opreme so sorazmerno velika in jih lahko opravičimo le z dolgoročno zasnovanim projektom mreže. Skladno s temi zahtevami so postavljene tri izhodiščne točke mreže 11A, 12A in 2S3A na geološko stabilnih vrhovih v zadostni oddaljenosti od sedanjega in bodočega (zahodnega) nestabilnega eksploatacijskega območja. V skladu z rudarsko zakonodajo imajo te tri točke položaj določen v državnem koordinatnem sistemu. Naslednji korak je bila izvedba GPS-izmere izbranih točk obstoječe opazovalne mreže in primerjava GPS-mreže s terestrično izmero delno iste mreže. 3 GPS-OPAZOVALNA MREŽA 97 GPS-pazovanja smo izvedli s šestimi GPS-sprejemniki; trije so tipa Trimble 4000 SSE in trije Trimble 4000 SSi. To so dvofrekvenčni geodetski GPS-sprejemniki z možnostjo sprejemanja C/A kode, faze nosilnega valovanja in s tehniko navzkrižne korelacije generiranja P kode. Sprejemniki so 9 kanalni, kar omogoča istočasen sprejem signala iz 9 satelitov na obeh frekvencah. GPS-izmera mreže je bila izvedena z relativno statično metodo izmere na skupno 14 točkah. Opazovali smo v 8 serijah s 6 sprejemniki in v dveh serijah s 3 sprejemniki. Serije so trajale po 3,5 ure z registracijo satelitskega signala nad višinskim kotom 15°, vsakih 15 sekund. Podatke opazovanj smo obdelali s programskim paketom GPSurvey. Za izhodiščno točko mreže GPS-ja smo izbrali točko 12A Ljubela. Tej točki in točkama 11A Jerič in 2S3A Skorno smo predhodno, z navezavo GPS-ja na geodinamične točke in točke EUREF-a e v tem delu Slovenije, določili koordinate v koordinatnem sistemu ITRF 94. Podatke opazovanj smo obdelali z uporabo natančnih efemerid CODE tirnic GPS satelitov. Skupaj je bilo obdelanih 44 linearno neodvisnih vektorjev, ki smo jih izravnali v mreži GPS-ja. Izravnani položaji točk mreže so določeni relativno na izhodiščno točko 12A. Ugotovili smo, da opazovanja ne vsebujejo grobih pogreškov. Rezultat izravnave GPS-opazovanj so izravnane geodetske koordinate (geodetska širina <.p, geodetska dolžina 'A in elipsoidna višinah) točk mreže, s podatkom o natančnosti položajev točk. Na sliki 2 je prikazana geometrija GPS-mreže in absolutne 95-odstotne elipse pogreškov. 4 OPAZOVALNA TERESTRIČNA MREŽA 97 ajprej nekaj besed o geometriji terestrične mreže. Ta je s stališča načrtovanja mreže precej slaba in izjemno neugodna za doseganje večje natančnosti določitve koordinat točk. Pogojena je z velikimi razsežnostmi vplivnega območja odkopavanja, ki je večinoma pokrito z jezeri, z reliefom, naselji in gozdom, ki preprečujejo medsebojno vidnost točk. Kolikor toliko lepo obliko ima t. i. osnovni trikotnik 2S3A-11A-12A. Točke so stabilizirane z betonskimi stebri na stabilnem terenu zunaj vplivnega območja odkopavanja. Zato bi lahko te točke definirale dolgoročni (stabilni) datum terestrične mreže. Ker smo želeli čim boljše izmeriti ta trikotnik, smo bili prisiljeni uporabiti poleg betonskih stebrov še pomožna stojišča. Poleg osnovnega trikotnika pa smo v terestrično izmero vključili še nekaj točk osnovne rudniške mreže, ki so prav tako stabilizirane z betonskimi stebri. Tako je Geodetski vestnik 41 (1997) 4 izmero sestavljalo 9 stebrov in 5 pomožnih točk. Izmerili smo 64 smeri in 61 dolžin. Pri meritvah smo uporabljali komparirani totalni postaji Lcica TDM5000 in TC2002 z vsem potrebnim dodatnim kompariranim instrumentarijem. Smeri smo opazovali najmanj v dveh girusih. Sredine smeri iz vseh girusov so šte v izravnavo. Ko smo merili dolžine, smo istočasno registrirali tudi meteorološke pogoje pri stojišču instrumenta in pri vizirani točki. To poudarjamo zato, ker gre več kot 40 odstotkov vizur čez jezera. Nad jezeri pa ne poznamo razmer, v katerih potuje žarek. Za svetlobno valovanje velja: dD = (-0,38 cip + 0,98 dt + 0,06 dtm ) "' 10·6 D kjer je: D dolžina [m], p - tlak [torr], t - suha temperatura [0 C] in trn - mokra temperatura [0 C]. MERILO MREŽE 1 511 1101m 1j1„1j11" MERILO ELIPS POGREŠKOV O 5mm Lu...uJ Slika 2 112A Vidimo, da nepoznavanje temperature na eno stopinjo Celzija natančno pomeni milimetrski pogrešek kilometrske dolžine. V naši mreži pa znašajo povprečne dolžine čez jezera med 3 in 5 km. Tako bi bilo upravičeno in potrebno poznati vsaj temperaturo na celotni poti potovanja žarka in ne samo na krajnih točkah. Po izvedbi vseh meteoroloških, geometričnih in projekcijskih redukcij smo izračunali dolžine na ničelni ravni v modulirani GK-projekciji, ki smo jih uporabili v izravnavi. Vsem smerem smo pred izravnavo dodelili uteži enake vred.nosti. Uteži za dolžine so bile obratnosorazmerne dolžinam. Mrežo smo izravnali kot prosto ([pvv]=min. in Geodetski vestnik 41 ( 1997) 4 [pvv]=min.), s programom GeM3, avtorja mag. Tomaža Ambrožiča. Mrežo smo izravnali na Besselovem elipsoidu. Rezultat izravnave so ocenjene koordinate točk mreže in 95-odstotne elipse pogreškov, ki jih prikazujemo na sliki 3. MERILO MREŽE 1 511 1iUm l111il111if MERILO ELIPS POGREŠKOV 1 1Dmm l...w..J...tJ Slika 3 5 PRIMERJAVA IN Izravnane koordinate točk GPS-mreže smo nazadnje primerjali z uradno veljavnimi koordinatami točk terestrične mreže. Primerjavo smo izvedli na osnovi 9 identičnih točk v obeh mrežah s prostorsko 7-parametrično transformacijo z upoštevanjem dejanske natančnosti posameznih koordinatnih komponent točk v obeh mrežah z računalniškim programom PROTRA, avtorja dr. Bojana Stoparja. Transformacija je izvedena v 3D-prostoru, kar pomeni, da smo morali pridobiti geometrijske 3D-koordinate točk terestrične mreže, ki jih lahko pridobimo samo z upoštevanjem ustreznih geoidnih višin. Geoidne višine smo izračunali s programom SLO, avtorja dr. Tomislava Bašiča, Geodetska fakulteta Zagreb, ki omogoča interpolacijo relativnega geoida na območju Slovenije. Rezultat transformacije so odstopanja na skupnih točkah mreže, ki jih lahko obravnavamo kot lokalno neskladnost obeh koordinatnih sistemov. Odstopanja na identičnih točkah obeh mrež so v preglednici l. Geodetski vestnik 41 (1997) 4 ·. ... Točka Odstopanja ·.· .. · ... .... )'[m] . •· .•..... X[mJ .. •. ..... .•.. ....... hŠmJ . ..... 00GB -0,0022 -0,0134 0,0295 oouz 0,0049 0,0079 -0,2170 011A -0,0057 -0,0022 -0,0887 012A 0,0000 -0,0217 -0,0075 013A 0,0056 -0,0059 -0,0030 026Z 0,0371 0,0099 0,1550 0S5A -0,0200 0,0458 0,0199 2S3A -0,0070 0,0435 0,0314 367A 0,0036 0,0035 0,0805 I'reJ?le1tm1:a 1 6 vzpostavitvijo opazovalne geodetske mreže v koordinatnem sistemu ITRF se ponuja možnost obravnave nestabilnega območja v okolici Rudnika lignita Velenje v visokonatančnem in stabilnem koordinatnem sistemu. Najenostavnejši način za vzpostavitev takega koordinatnega sistema predstavljajo GPS-opazovanja. Prehod s starega lokalnega koordinatnega sistema v novi koordinatni sistem pa je možen samo s transformacijo obstoječega sistema v novi sistem na osnovi identičnih točk, ki mora biti izveden, zaradi lokalne nestabilnosti točk z istočasno izmero v obeh sistemih. Predstavljeni izmeri v obeh sistemih in njuna medsebojna primerjava s transformacijo v lokalni koordinatni sistem predstavljata enega od prvih korakov do dejanske uvedbe stabilnega koordinatnega sistema na nestabilnem območju rudarjenja. Zahvala pomoč in uporabljene podatke se zahvaljujemo sodelavcem Jamomerske Rudnika lignita Velenje in Geodetski upravi Republike Slovenije. Literatura: Ambrožič, T., Navodila za uporabo programa GeMJ, ver3.2. Intema izdaja. Ljubljana, 1997 Caspmy, W F., Concepts of Network and Deformation Analysis. School of Surveying, The University of New Soitth Wales, Kensington, 1988 Hofmann-Wellenhof B., Lichtenegger H., Collins J., GPS Theory and Practice. Third, revised edition, Springer-Verlag, Wien, New York, 1994 Kratzsch, H., Mining Subsidence Engineering. Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 1983 Medved, M., Prispevek k poznavanju degradacije okolja pri jamskem pridobivanju debelih slojev premoga. Doktorska disertacija. Ljubljana, FNT Montanistika, 1994 Pelze1; H., (Edit.), Geodaetische Netze in Landes- und Ingenieurvermessung. Konrad Wittwe1; Stuttgart, 1980 Stopa,; B., Računalniški program za transformacijo tridimenzionalnih koordinatnih sistemov PROTRA. Intema izdaja. Ljubljana, 1997 · Geodetski vestnik 41 (1997) 4 Stopm; B., Sanacija astrogeodetske mreže Slovenije z GPS meritvami. Doktorska disertacija. Ljubljana, FAGG OGG, 1995 Wolf, H., Ausgleichungsrechnung nach der Metode der kleinsten Quadrate. Duemmler, Bonn, 1968 Recenzija: Dušan Miškovic profdr. Florjan Vodopivec Geodetski vestnik 41 (1997) 4 1 1 f i i f f 1 1 i i i f.