Drony w nauczaniu geografii i geologii

0
1943

Bezzałogowe statki powietrzne, znane wszystkim jako drony, stają się ostatnio coraz bardziej popularne. Poza wykorzystaniem typowo rozrywkowym i rekreacyjnym, odgrywają bardzo ważną rolę w wielu dziedzinach nauki, w szczególności w naukach o ziemi. W tym artykule omówimy zastosowanie dronów w dydaktyce przedmiotów geograficznych i geologicznych, na różnych etapach edukacji, a także w badaniach naukowych.

Bezzałogowy statek powietrzny, fot. Ł. Gawor

Wypada zacząć od wyjaśnienia, co to właściwie jest dron. To bezzałogowy statek powietrzny pilotowany zdalnie lub wykonujący lot autonomicznie. Spotykane określenia drona to UAV – Unmanned Aerial Vehicle (bezzałogowy statek powietrzny), UAS – Unmanned Aerial System (bezzałogowy system powietrzny), RPAS – Remotely Piloted Aircraft System (zdalnie sterowane systemy lotnicze), BSL – Bezzałogowy Statek Latający, czy BSP – Bezzałogowy Statek Powietrzny.

Pilotowanie dronów w celach niekomercyjnych, w ściśle określonych warunkach (zachowanie odpowiedniej odległości od ludzi i budynków) nie wymaga specjalnych zezwoleń. Bez licencji można latać małymi dronami o wadze do 0,6 kg w miastach, w odległości większej niż 1 km od granic lotniska, do wysokości 30 m od ziemi lub do wysokości najwyższej przeszkody terenowej, jak drzewa czy obiekty budowlane w promieniu 100 m od operatora.

Licencji nie wymaga też sterowanie dużymi dronami o wadze do 25 kg: w niekontrolowanej przestrzeni powietrznej (klasa G), gdy loty mają charakter rekreacyjny (sportowy), lub gdy lot odbywa się w zasięgu wzroku operatora drona.

Wszystkie inne operacje wymagają świadectwa kwalifikacji operatorów dronów, uprawniającego do ich wykorzystywania w celach innych niż loty sportowe i rekreacyjne. Zatem jeżeli chcemy wykorzystywać drony w pracy dydaktycznej, musimy odbyć specjalny kurs, który kończy się egzaminem państwowym.

Konieczne jest również pozytywne zaliczenie tzw. badań lekarsko-lotniczych. Wszystko wiąże się z bezpieczeństwem – drony to przecież statki powietrzne, które przy nieumiejętnym pilotażu mogą stanowić poważne zagrożenie dla ruchu lotniczego. Przy zasięgu ok. 3 km (średniej klasy dron) można bez problemu latać w strefie zarezerwowanej dla samolotów lub śmigłowców.
Zastosowanie dronów jest bardzo szerokie.

W przypadku nauk o Ziemi

należy wspomnieć przede wszystkim o geodezji i teledetekcji. Podstawowym produktem zdalnego badania środowiska, wykorzystywanym między innymi w geologii i górnictwie, jest numeryczny model terenu NMT (DTM – Digital Terrain Model) i cyfrowy model wysokościowy CMW (DEM – Digital Elevation Model).

Numeryczny model terenu z drona służy na przykład do inwentaryzacji wyrobisk górniczych. Oprócz modeli wyrobisk, sporządza się modele dla wszelkiego rodzaju zwałowisk czy składowisk.

Niejednokrotnie okazuje się, że zastosowanie „bezzałogowców” to jedyna metoda pomiaru. Szczególnie w przypadku materiałów sypkich, łatwopalnych, toksycznych itp., gdzie wejście człowieka wiąże się z wysokim ryzykiem. Przykładem mogą być zwałowiska odpadów górniczych, w przypadku których istnieje ryzyko samozapłonu czy składowiska odpadów komunalnych.

Kolejna korzyść stosowania dronów górnictwie to poprawa warunków BHP na terenie zakładów górniczych. Metoda ta nie wymaga (lub zmniejsza do minimum) wejścia na teren wyrobiska (szczególnie na obszary niebezpieczne).

Wykorzystując zdjęcia, tworzy się równolegle ortofotomapy oraz teksturowane modele 3D. Mając natomiast do dyspozycji taki kartometryczny podkład na bieżąco monitoruje się stan wyrobisk i całej przyległej infrastruktury.

Bezzałogowe statki powietrzne są też coraz popularniejszym narzędziem stosowanym w fotogrametrii (dziedzinie nauki zajmującej się odtwarzaniem kształtów, rozmiarów i wzajemnego położenia obiektów w terenie za pomocą zdjęć – przyp. red.).

Służą do uzyskiwania tzw. niskopoziomowych zdjęć lotniczych (low level aerial photographs). Przed erą dronów konstruowano specjalne maszty, na których zawieszano aparaty i kamery (np. w badaniach geomorfologicznych czy glacjologicznych).

Można przyjąć, że gwałtowny rozwój bezzałogowych statków powietrznych zaczął się pod koniec pierwszej dekady XXI wieku. Przełom nastąpił wraz z pojawieniem się pierwszych zdalnie sterownych urządzeń latających, a wraz z nimi zastosowanie w naukach o Ziemi znalazła fotogrametria niskiego pułapu.

Udoskonalenie różnego rodzaju platform pozwoliło na zamontowanie kamer na ich pokładach i wykonywanie zdjęć całego obszaru z powietrza, analogicznie do fotogrametrii lotniczej. Od tego czasu drony na dobre zadomowiły się wszędzie tam, gdzie istnieje potrzeba obliczenia objętości na dużych obszarach.

Niskopoziomowe zdjęcie lotnicze wykonane podczas zajęć dydaktycznych w Zespole Szkół nr 1 w Tychach, fot. Ł. Gawor

Projektowanie misji

fotogrametrycznej przebiega etapami. Etap pierwszy obejmuje dobór drona, kamery, obiektywu, sensora (matrycy) oraz pokrycia podłużnego. Etap drugi obejmuje założenie osnowy fotogrametrycznej (fotopunktów) w terenie.

Kolejny etap obejmuje obróbkę zdjęć oraz danych z GPS i IMU (Inertial Measurement Unit) i składa się z kilku procesów: matchingu – automatycznego wyszukiwania punktów wiążących, aerotriangulacji i autokalibracji kamery – wyznaczania elementów orientacji zewnętrznej (EOZ) i wewnętrznej (EOW), budowania NMT – ściślej numerycznego modelu pokrycia terenu (NMPT).

Dla ciekawskich i dociekliwych: jak to możliwe, że z płaskich zdjęć otrzymujemy model 3D? Za wszystko odpowiada efekt stereoskopowy. Tak jak w filmach 3D, dzięki dwóm minimalnie przesuniętym obrazom tej samej rzeczy (widać to, kiedy ściągniemy okulary), mamy wrażenie jakby „wystawała” ona z ekranu, a my możemy ją „złapać”.

Programy do obróbki zdjęć „łapią wystające elementy i zapamiętują ich położenie”, a algorytm przetwarza wszystkie zdjęcia, tworząc numeryczny model terenu.

Uff… może starczy już tej teorii. Miało przecież być o wykorzystaniu dronów w dydaktyce…

Bezzałogowy statek powietrzny jest wdzięcznym obiektem, który można wykorzystać na wszelkich etapach pracy dydaktycznej. Autorzy niniejszego artykułu wykorzystują drony w dydaktyce przedmiotów geograficznych (lekcje geografii i przyrody w szkole gimnazjalnej i średniej – liceum ogólnokształcącym, technikum, a także na studiach podyplomowych) oraz geologicznych (uczelnia techniczna).

Zastosowanie drona w teledetekcji wpisuje się w treści dydaktyczne na przedmiocie geografia, związane z kartografią (niskopoziomowe zdjęcia lotnicze, ortofotomapa), geomorfologią (antropogeniczne formy terenu), a także z ochroną środowiska (monitoring zwałowisk pogórniczych) w dydaktyce przedmiotów środowiskowych w technikum ochrony środowiska. Zajęcia mają zarówno formę demonstracji, jak i późniejszej interpretacji np. form czwartorzędowych.

Bezzałogowce znajdują zastosowanie we wszelkich nietypowych zadaniach. Wykonana na podstawie zdjęcia z drona ortofotomapa może służyć

do oceny zmian środowiska naturalnego,

wpływu eksploatacji oraz do inspekcji maszyn i urządzeń. Teksturowane modele oraz same zdjęcia świetnie nadają się do oceny kondycji wież szybowych oraz wyciągów. Innym przykładem może być wyznaczanie poziomu wody wraz z odległością linii brzegowej od korony zapory.

Na płytkich, zamulonych zbiornikach, dodatkowo wypełnionych niebezpieczną cieczą, gdzie wejście ani wpłynięcie nie jest możliwe, pozyskany NMT oraz ortofotomapa z drona to jedyny sposób na pomiar. Precyzyjny model pozwala na dokładne prognozowanie wypełniania zbiornika, a w efekcie na podjęcie działań przed wystąpieniem zagrożenia.

Dr hab. inż. Marek Marcisz pilotuje drona w wyrobisku korytarzowym zabytkowej kopalni Guido, fot. Ł. Gawor

Kolejnym przykładem może być użycie drona do badania zmian na terenach objętych wpływem eksploatacji górniczej. W miejscach, gdzie osiadania gruntu przekraczają 10 cm, pozyskane modele pozwalają precyzyjnie modelować niecki osiadań. Ma to szczególne znaczenie na terenach zurbanizowanych, gdzie ważne jest bezpieczeństwo. Pozwala również zoptymalizować koszty związane z odszkodowaniami. Dron może być również zastosowany

do monitoringu zwałowisk pogórniczych,

zwłaszcza zagrożonych pożarami, a także wyznaczania precyzyjnych granic oraz powierzchni i kubatury tych obiektów.

Ciekawostką w zastosowaniu dronów w górnictwie może być pierwsza na Górnym Śląsku misja podziemna – loty testowe w zabytkowej kopalni Guido. 19 lutego 2018 r. autorzy tekstu – dr hab. inż. Marek Marcisz i dr Łukasz Gawor z Katedry Geologii Stosowanej Wydziału Górnictwa i Geologii Politechniki Śląskiej – testowali możliwości zastosowania drona DJI Phantom 4 Pro w podziemnych wyrobiskach górniczych na poziomie 320 m w Zabytkowej Kopalnia Węgla Kamiennego Guido.

Naukowcom ze strony kopalni towarzyszył dyrektor Bartłomiej Szewczyk. Pierwsze podejście do tej problematyki związane było m.in. z szeroko pojmowanym monitoringiem, rozpoznawaniem warunków geologiczno-górniczych oraz kartowaniem zarówno wyrobisk korytarzowych, jak i szybika, w tym z zastosowaniem kamery termowizyjnej.

Jak można się przekonać, zastosowanie bezzałogowych statków latających w geografii i geologii, a także górnictwie niesie wiele korzyści. Pod warunkiem jednak zachowania ściśle określonych zasad i wykorzystania właściwego sprzętu odpowiedniej klasy.

Kartowanie zwałowisk pogórniczych podczas zajęć terenowych w Technikum Ochrony Środowiska Zespołu Szkół nr 1 w Tychach, fot. Ł. Gawor

dr n. t. Łukasz GAWOR, Instytut Studiów Podyplomowych w Tychach, ZS nr 1 Tychy, Politechnika Śląska
dr hab. inż. Marek MARCISZ, Politechnika Śląsk

Leave a Reply