Wykorzystanie dronów w dydaktyce geografii i geologii


Bezzałogowe statki powietrzne znane wszystkim jako drony stają się ostatnio coraz bardziej popularne. Poza wykorzystaniem typowo rozrywkowym i rekreacyjnym, drony odgrywają bardzo ważną rolę w wielu dziedzinach nauki, w tym w szczególności w naukach o Ziemi. Celem niniejszego artykułu jest przybliżenie zasad operowania dronami oraz nowoczesnych zastosowań w badaniach naukowych, a także w dydaktyce przedmiotów geograficznych 
i geologicznych, na różnych etapach edukacji – od szkół ponadpodstawowych przez studia podyplomowe, aż po studia licencjackie i magisterskie.

Wypada zacząć od wyjaśnienia co to właściwie jest dron? Jest to statek powietrzny, który nie wymaga do lotu załogi obecnej na pokładzie oraz nie ma możliwości zabierania pasażerów, 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 (fot. 1).

Fot. 1. Bezzałogowy statek powietrzny (fot. Ł. Gawor).

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; 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 ukończyć 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 naukach 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 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.

Coraz popularniejszym narzędziem stosowanym w fotogrametrii są również bezzałogowe statki powietrzne. 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.

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, żeby nie zanudzić czytelnika. Miało przecież być 
o wykorzystaniu dronów w dydaktyce…

Bezzałogowy statek powietrzny jest wdzięcznym obiektem, który można wykorzystać na wszelkich etapach pracy dydaktycznej. Osobiście wraz z Współautorem wykorzystujemy drony w dydaktyce przedmiotów geograficznych (lekcje geografii i przyrody w szkole /jeszcze!/ gimnazjalnej i średniej – liceum ogólnokształcące i technikum; studia podyplomowe) 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 (fot. 2, fot. 3) jak i późniejszej interpretacji, przykładowo form czwartorzędowych (fot. 4.).

Fot. 2. Niskopoziomowe zdjęcie lotnicze wykonane podczas zajęć dydaktycznych w Zespole Szkół nr 1 w Tychach (fot. Ł. Gawor).

Fot. 3. Kartowanie zwałowisk po górnictwie węgla kamiennego podczas zajęć terenowych 
w Technikum Ochrony Środowiska Zespołu Szkół nr 1 w Tychach (fot. Ł. Gawor).

Fot. 4. Interpretacja zdjęć z drona – fragment wału moreny czołowej w rejonie Mikołowa-Mokre. Ćwiczenia terenowe dla słuchaczy geografii Instytutu Studiów Podyplomowych 
w Tychach (fot. Ł. Gawor).

Jakie jeszcze może być zastosowanie drona w badaniach naukowych i dydaktyce w szkole wyższej technicznej? Bezzałogowce znajdują zastosowanie we wszelkich nietypowych zadaniach. Wykonana na podstawie zdjęć 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.

Kolejnym przykładem może być użycie UAV 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. UAV może być również zastosowany do monitoringu zwałowisk pogórniczych, zwłaszcza zagrożonych pożarami oraz 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. Dronem zeszliśmy pod ziemię! 19 lutego br. 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 (fot. 5).

Fot. 5. Dr hab. inż. Marek Marcisz pilotuje drona w wyrobisku korytarzowym zabytkowej kopalni Guido (fot. Ł. Gawor).

Jak można się przekonać, zastosowanie bezzałogowych statków latających w geografii 
i geologii, a także górnictwie niesie wiele korzyści. Należy jednak pamiętać, że wszystko to jest dostępne przy zachowaniu ściśle określonych zasad z wykorzystaniem odpowiedniego sprzętu odpowiedniej klasy.

Łukasz Gawor, Marek Marcisz

dr Łukasz Gawor

Nadal możesz się zapisać! Nie czekaj, skontaktuj się! Do końca zostało już tylko 4 dni!