Геологічні дослідження скелі Дірявець з використанням наземного лазерного сканування

Описание блог поста.

Andrii Malitskyi

2021-04-30 1 min read

Сучасні підходи до вивчення різноманітних історичних процесів та моніторингу навколишнього середовища вимагають особливих методів збору даних. Так, для проведення археологічних досліджень часто виникає задача фіксації поточного стану поверхні з високою детальністю та точністю. При цьому звертається увага на особливості залягання породи, колір, різноманітні субстанції, які є важливим показником певного історичного процесу. Використання стандартних вимірювальних засобів з метою створення векторного відображення елементів поверхні може не дати очікуваного результату. Тому на зміну традиційним геодезичним методам координатного забезпечення наукових та виробничих досліджень приходять нові технології, зокрема тривимірне наземне лазерне сканування у поєднанні з супутниковим позиціонуванням та засобами фотограмметрії. На основі цих технологій може бути отриманий великомасштабний топографічний план в необхідній системі координат, визначені азимути різноманітних напрямків і координати світил, можливе моделювання структурних елементів пам'ятника з метою виявлення його достовірного виду і вигляду палеоландшафтів [1].

При наявності цифрової моделі існує можливість проведення різних експериментів, необхідних для перевірки будь-яких гіпотез. Що важливо, ці дослідження проводяться в камеральних умовах в будь-який момент часу без відновлення знімальних робіт безпосередньо на об'єкті. Враховуючи, що геологічні дослідження вимагають точне та детальне відтворення усіх особливостей поверхні, вибір даного методу знімання є повністю обґрунтованим [3].

Наземне лазерне сканування (НЛС) на сьогодні є єдиним методом, який дозволяє з високою швидкістю (сотні тисяч точок в секунду) визначати координати значної кількості точок на поверхні об’єкта з точністю від кількох міліметрів до 4 см без значних спотворень поверхні. Ця технологія реалізується за допомогою спеціальних приладів – наземних лазерних сканерів, які вимірюють горизонтальні та вертикальні напрямки розповсюдження лазерного випромінювання і похилі відстані. Дані, одержані в результаті лазерного сканування, можуть складатися з мільярдів точок. Висока густота вимірів на поверхні досліджуваного об’єкту дає змогу повністю відтворити будь-який об’єкт у вигляді точкової 3D моделі. Завдяки роботі інтегрованої чи зовнішньої цифрової фотокамери лазерного сканера дані вимірювання суміщаються разом із фотознімком. Це забезпечує присвоєння кожній окремій точці (поодиночного виміру) певного кольору. Незважаючи на певні недоліки роботи з даними сканування – складність опрацювання даних 3D сканування, високі вимоги до технічних засобів опрацювання отриманих даних, досвід підтвердив, що всі описані особливості технології дозволяють 3D сканування ефективно використовувати у різних сферах діяльності [2].

З метою детальних геологічних досліджень та розвитку туристичного потенціалу історико-культурного заповідника «Стільське городище», у липні 2017 року проведено наземне лазерне сканування скелі Дірявець на території села Дуброва Миколаївського району Львівської області за координатами 49°30'53.8"N 24°04'37.1"E.На основі одержаної моделі буде започатковано цифрове представлення Стільського городища для створення віртуального туристичного середовища та проведення геологічних та археологічних досліджень за новими науковими стандартами.

Наземне лазерне сканування проводиться в два етапи – польові та камеральні роботи, які полягають у зборі та опрацюванні одержаних даних. Польовий етап полягає у зніманні скелі з різних боків таким чином, щоб буда захоплена уся поверхня скелі. Для цього створюють різні станції вимірювань шляхом переставлення приладу навколо та під скелею

При скануванні з кожної станції стояння приладу, місцю встановлення сканера присвоюються початкові нульові координати.

Геологічні дослідження полягали у описі основних структурних елементів - з яких складений об’єкт, макроскопічному визначенні порід, відбірорі взірців на подальші дослідження

При камеральному опрацюванні одержані точкові виміри повинні бути трансформовану у відповідну систему координат. Тобто,  кожному місцю стояння сканера присвоюються істинні координати в залежності від його розташування відносно об’єкту знімання. Цей процес називається реєстрацією. Для проведення реєстрації сканів використовувалися спеціальні кулі однакового розміру, які використовуються як опорні елементи. Стаціонарне розташування цих куль дозволяє зорієнтувати різні станції знімання відносно розставлених куль в одній системі координат.

Для детального оцифрування скелі було створено 16 станцій стояння приладу.

Першочерговим завданням камерального етапу роботи за даними лазерного сканування є точна реєстрація сканів в одній системі координат. В залежності від правильності орієнтування сканів один відносно одного, залежить кінцевий результат роботи.

Після побудови єдиної точкової моделі на основі 16 сканів можна проводити подальші роботи зі створення високоточної 3D моделі скелі. У випадку моделювання поверхні скелі проводиться повністю автоматична побудова полігональної сітки, яка будується по точках сканування. Єдиною умовою для точного моделювання 3D моделі цим способом є повне відображення поверхні у вигляді точок. В іншому випадку, при недостатній кількості вимірів у певних областях скелі, потрібно проводити ручне моделювання поверхні шляхом добудови каркасу полігональної сітки.

Ця модель є вхідними даними для побудови віртуального геологічного відслонення скелі Дірявець.

З виходом на арену наземного лазерного сканування та фотограмметрії, появляються нові поняття в геології – «віртуальне геологічне відслонення» та «вертикальна геологія». Використання віртуального геологічного відслонення дає змогу інтерпретувати та здійснювати вимірювання різноманітних геологічних елементів – орієнтації площинних та лінійних об’єктів, вимірювати товщини пластів, тріщин, розломи тощо. Завдяки використанню дистанційних методів появляється можливість досліджувати об’єкти, які є важко доступними, наприклад вертикальні стінки відслонень в гірських областях. Вимірювання, які здійснюються на віртуальних моделях значно збільшують точність досліджень. Ще однією вагомою причиною причиною використовувати віртуального геологічного  відслонення – це економія часу. Заміри традиційним підходом можуть тривати декілька днів, і навіть тижнів.

Вхідними даними є модель отримана в результаті лазерного сканування, описана вище. Для подальшого опрацювання нами використаний пакет програм Move розробником якої є фірма Midland Valley. Використання низки функціональних можливостей пакету дозволило побудувати каркасну модель відслонення. Для цього нами побудовані 3D лінії, що відображають положення поверхні та підошви пластів, положення розломів та ін.

Досліджуване відслонення знаходиться на південно-західній окраїні Східно-Європейської платформи. Стратиграфічно воно належить до миколаївських шарів опільської світи нижнього бадену [4].

Висота відслонення складає 6м, довжина 15м. Досліджуваний об’єкт складений пісковиками різної ступені цементації. Нижня частина утворена масивними пісковиками товщиною 1-2 м. Пісковики світло-сірого кольору, деколи з жовтуватим віддінком, дрібно- та середньозернисті. Залягагають пісковики горизонтально, або до близького горизонтального положення. Вище над міцними пісковиками залягає трьохметрова товща  слабо зцементованих пісковиків. В цих пісковиках чітко прослідковується шаруватість. Вздовж цих елементів шаруватості, були вирубані пази, призначення яких авторам невідомі. Справа від описаних масивних пісковиків спостерігаємо пачку тонкоплитчатих слабозцементованих пісковиків. Товщина пісковиків коливається від 10 до 25 см. Вони переважно тонкозернисті та залягають горизонтально. В деяких пластах спостерігається скісна шаруватість.

Вище над цими двома різними комплексами залягає пласт масивних пісковиків, що утворює своєрідне перекриття. Пісковики, що утворюють цей пласт добре зцементовані, середньозернисті. Цей масивний пласт, разом з найнижчим пластом утворюють невеликі виступи, що додають мальовничості об’єкту.

В досліджуваному відслоненні, виявлено тектонічне порушення, що перетинає всі пласти. За кінематичним типом це скид зі зміщенням 25 см.

Детальні дослідження дають змогу висловити припущення, що ніша, завдяки якій об’єкт отримав назву Дірявець виникла в результаті процесів ерозії різних за властивостями пісковиків,  з відмінними цементаційними властивостями. Свій вклад у виникнення ніші також вніс і розлом, що перетинає різні за ступенем цементації шари пісковиків.

Чи приклалась людина до утворення цієї ніші відповісти складно. Якщо так, то будова та структура об’єкта могли цьому «допомогти» завдяки властивостям, яким вони здобули протягом довгої історії свого розвитку.

Геологічні дослідження скелі Дірявець з використанням наземного лазерного сканування. Андрій Маліцький,  Ігор Бубняк. Стільське городище, випуск 1, 2017.