Výzkum a dokumentace

Ochrana přírody 1/2019 — 20. 2. 2019 — Výzkum a dokumentace — Tištěná verze článku v pdf

Nová metoda mapování trvale zatopených prostor v NPP Chýnovská jeskyně

Autor: Jiří Šindelář, František Krejča

Chýnovský kras je menší krasové území, které se nachází na jihozápadním okraji Českomoravské vrchoviny, sv. od městyse Chýnova. Krasové jevy jsou zde vázány na polohy karbonátových hornin, jež jsou společně s amfibolity, erlany a kvarcity uloženy v okolních pararulách. Primární krasové procesy probíhají především v nepříliš mocné poloze čistého, hrubě zrnitého mramoru, která se nachází ve svrchní části karbonátového sledu.

Pracovní snímek z výpočtu. Řady bílých značek představují aktuální pozice
kamer při pořízení snímku, který byl z videozáznamu automaticky vybrán do výpočtu.
Dobře čitelné jsou dvě řady, které dokumentují pohyb potápěče s kamerami
ve stereopáru. Zdroj Správa Chýnovské jeskyně

Většina chodeb vzniká rozšiřováním tektonických poruch korozí a má puklinový až tunelovitý charakter. Systém „vzestupných sifonů“ probíhá v několika odvodňovacích úrovních, které jsou nepravidelně kříženy ukloněnými vertikálami. Sklon těchto propasťovitých chodeb je víceméně shodný s úklonem horninových vrstev, tedy cca 45o. Vody podzemního toku zde vytvářejí poměrně pravidelnou síť chodeb, která do značné míry kopíruje tektonickou situaci v lokalitě. Charakteristickým znakem místního krasu je specifická hydrografie, kde prokazatelně neexistuje žádné přímé spojení s povrchovými toky. Voda z nekrasových hornin se akumuluje v dobře propustném prostředí vápencové zóny, dominantním způsobem se podílí na vzniku jeskyně a na povrch se dostává až v tzv. Rutické vyvěračce vzdálené cca 1,3 km od počátku odtokového sifonu. Souvislost vod jeskyně s vývěrem byla ověřena stopovacími zkouškami v šedesátých letech minulého století. Absence dobře rozpustných karbonátů v nadloží má za následek omezenou tvorbu sintrových forem, na druhou stranu je pro jeskyni typická unikátní modelace stěn s celou řadou primárních korozních a erozních tvarů. Z vápenců jsou selektivní korozí doslova vypreparovány nejen polohy nekrasových hornin, ale i řada minerálních druhů často v krystalovaných formách. Přítomnost chemických i minerálních příměsí v mramorech se odráží ve výrazném zbarvení stěn jeskynních chodeb. V zatopených částech je tato pestrost zvýrazněna oranžovohnědou „gelovitou“ hmotou, která lokálně pokrývá stěny a tvoří i významnou složku sedimentů.

Nahoře – finální model chodby nazvané „Element“
v podobě tzv. mračna bodů.
Uprostřed – stínovaná varianta stejného úseku.
Dole – finální model opatřený barevnou texturou.
Zdroj Správa Chýnovské jeskyně

Něco málo z historie
První pokusy o potápění v zatopených prostorách Chýnovské jeskyně se odehrály již v šedesátých letech 20. století. Ve všech případech však došlo již při vstupu do vody k jejímu zakalení a množství sedimentů prakticky znemožnilo jakýkoliv další postup. Zahájení skutečného potápěčského průzkumu lze tedy spojovat spíše až s činností ZO ČSS Speleoaquanaut v lokalitě. V letech 1982–1989 bylo zorganizováno celkem devět akcí, během kterých se podařilo z Homolova jezírka objevit prakticky všechny dnes známé chodby tzv. Spodního patra. Další ponory z pozdější doby měly vesměs dokumentační charakter. Zatím poslední etapa potápěčských průzkumů byla zahájena v lednu 2017 a z hlediska četnosti akcí i pracovního nasazení je s předchozími aktivitami prakticky nesrovnatelná. Během roku proběhlo celkem deset ponorů, jejichž náplní bylo především ověření možnosti využití nové metody mapování zatopených prostor. Hlavní tíha celého projektu ležela opět na potápěčích pražského Speleoaquanautu. Nezbytné pomocné práce zejména při náročných transportech technického vybavení zajišťovali členové ČSS a zaměstnanci Správy Chýnovské jeskyně.

Homolovo jezírko, vstup do trvale zatopených částí Chýnovské jeskyně. Foto František Krejča

Při mapování trvale zatopených prostor
v 80. letech byla potápěči použita dodnes běžná metoda magnetického tahu. Ve složitých podmínkách byly operativně pořizovány orientační náčrty jednotlivých chodeb a po zaměření základního polygonu byla postupně zakreslena celá mapa Spodního patra. Průběh a rozsah nejhlubších, těžko dostupných partií a též méně významných odboček byl v některých případech navíc pouze odhadován. Tímto způsobem vznikla na konci 80. let mapa trvale zatopených prostor, která byla následně opět připojena ke stávajícím kartografickým podkladům. Vezmeme-li v úvahu, že pracovní podmínky pod hladinou jsou nesrovnatelně náročnější než měření v „suchých“ prostorách, můžeme s nadsázkou říci, že mapa Spodního patra vznikala podobně jako první mapy jeskyně ve druhé polovině 19. století. Zde je třeba připomenout i určité specifikum potápění v Chýnovské jeskyni. Voda, zpočátku absolutně čistá, se velmi rychle kalí, a to nejen vířením jemných sedimentů ze dna, ale i rozptylem již zmíněných „gelových“ materiálů na stěnách a stropech jeskyně. Možnost zastavit a provádět jakoukoliv činnost na místě je tak velmi omezená. Obnova původního stavu vzhledem k relativně nízkému průtoku a značným profilům chodeb je pak otázkou několika dnů až týdnů.

Pohled na část mapovaných prostor v pracovní verzi. Nahoře stínovaný model,
dole obarvené mračno bodů. Zdroj Správa Chýnovské jeskyně

Již při zběžném porovnání dosud existujících map „suchých“ a zatopených částí Chýnovské jeskyně byl na první pohled patrný mnohdy až extrémní rozdíl ve tvaru, průběhu i členitosti chodeb. Přitom je zcela evidentní, že charakter těchto prostor se nikterak neliší, což potvrzují dnes již dostupné kvalitní videozáznamy. Jak již bylo zmíněno v úvodu, chodby jeskyně téměř dokonale kopírují tektonickou situaci v lokalitě. K dispozici je tak jakási vzorová „matrice“ chýnovského systému, jež byla v minulosti již několikrát využita k objevům nových, dosud neznámých prostor. Předpoklad, že musí být platná i pro tzv. Spodní patro, nás přivedl až k myšlence revize původního mapování trvale zatopených prostor.

Půdorysný plán dosud zpracovaných úseků tzv. Spodního patra Chýnovské jeskyně. Černě původní půdorys z 80. let, modře půdorys vygenerovaný z digitálního modelu, který vznikl 3D skenováním zatopených prostor. Polohová chyba původní mapy ve dvacetimetrové hloubce činí neuvěřitelných 38 m. Zdroj Správa Chýnovské jeskyně

„Videogrammetrie“ – perspektivní metoda mapování trvale zatopených prostor
Již od začátku bylo zřejmé, že využití tradičních metod mapování by bylo nesmírně zdlouhavé a navíc bychom tak nedokázali eliminovat výše zmíněné problémy (značná členitost prostor, zakalení vody apod.). Bylo potřeba vytvořit úplně novou metodiku, která umožní relativně snadný a hlavně rychlý sběr dat v terénu, a to bez vysokých nároků na odborné geodetické znalosti osob, které mapovací práce provádějí.

Transport materiálu korytem podzemního toku pod Blátivou chodbou. Foto Josef Vandělík

Naše pozornost se tak obrátila k moderním metodám fotogrammetrie, to jest oboru, který umožňuje obrazovou informaci z fotografií transformovat na metrická data. Nové matematické postupy ve vícesnímkové fotogrammetrii již nějakou dobu umožňovaly odečíst ze snímků souřadnice X, Y a Z. Množství získaných dat však bylo vždy limitováno tím, co byl schopen ručně odečíst operátor. Nyní však matematici zdokonalili výpočetní algoritmy pro metodu zvanou SIFT (scale-invariant feature transform). Tyto algoritmy umějí rozpoznávat výrazné obrazové body při změně měřítka, šumu i osvětlení a jsou charakteristické tím, že nemění svou relativní pozici na jednotlivých snímcích. Jednoduše řečeno ― program dokáže automaticky orientovat jednotlivé fotografie a z nich odečíst mračno bodů, které se přinejmenším vyrovná výstupu z laserových 3D skenerů. Touto metodou jsme již úspěšně dokumentovali řadu památek u nás i v zahraničí, množství podzemních objektů a vytvořili i digitální kopie některých uměleckých děl a přírodních fenoménů. V letech 2016 a 2017 byla tato technologie ještě více zdokonalena, otestována a úspěšně aplikována při dokumentaci rozsáhlých a prostorově velmi členitých celků. Postupně tak vznikla zcela nová metodika pro převod objektů z reálného světa do virtuální reality. Cílem však nebylo pouze zkvalitnit výpočetní fázi, ale především zefektivnit i část terénní, a to bez negativního dopadu na kvalitu výsledného produktu. Při mapování větších a prostorově členitějších celků se fotografování ukázalo jako značně nepohodlné a zdlouhavé. Ve stísněných prostorách se pak často stávalo, že snímky nepokrývaly všechny potřebné části dokumentovaných objektů, nepodařilo se vždy udržet shodnou osu záběrů na stereopárech atd. Byli jsme proto nuceni opustit i klasické fotogrammetrické postupy a posunout hranice ještě o něco dále.

Instalace kontrolního polygonu. Pro dodržení maximální přesnosti byly v některých případech body stabilizovány na keramických dlaždicích s nerezovými oky. Foto Miloslav Dvořáček

Vznikne virtuální model zatopeného prostoru
Zcela logickým krokem bylo nahrazení fotografie videozáznamem. Vůbec poprvé jsme v ČR začali pro mapování a tvorbu virtuální reality využívat videogrammetrie. Tímto způsobem pak již není problém vytvořit poměrně rychle přesný model celého kostela, hradu, nebo dokonce celého města. A co k tomu potřebujeme? V první řadě kvalitní videozáznam zájmového objektu, dále jasně definovaný horizont a minimálně jeden rozměr. Přesně definovaná horizontála a délka umožňují výsledný digitální model správně orientovat v prostoru a určit jeho měřítko v metrické soustavě. Pokud máme místo definované délky k dispozici alespoň 3 body dobře rozpoznatelné na vstupním videozáznamu a známe jejich souřadnice, můžeme finální model georeferencovat do příslušného souřadnicového i výškového systému. Dnešní kamery umožňují velmi kvalitní záznam v rozlišení 4K, což při průměrné snímkovací rychlosti 24–30 snímků za vteřinu představuje více než dostatečné množství obrazových, a tedy i prostorových informací. „Skenování“ zatopených částí Chýnovské jeskyně provedla dvojice potápěčů, vybavených vždy dvěma kamerami ve stereopáru. Použití dvojice kamer se shodnou osou záběru umožnilo kombinovat různé matematické postupy při finální tvorbě mračna bodů, nebo chcete-li digitálního modelu zatopené jeskyně. Pro výpočet a tvorbu modelu je tak využito kombinace výpočtů stereofotogrammetrických a průsekových. Kombinace různých metod také umožnila spolehlivé kontrolní výpočty a exaktně doložitelnou chybu vzniklé dokumentace.

Jemné sedimenty na dně Hlavní chodby zvířené pohybem potápěče. Stěna v horní části snímku je pokrytá vrstvou oranžovohnědého „gelu“. Foto Miloslav Dvořáček

Videogrammetrické části dokumentace předcházelo osazení lomových bodů hlavního polygonu signalizačními znaky a také jeho kontrolní zaměření klasickou metodou magnetického tahu. Jasně signalizované body navíc posloužily ve výpočetní fázi projektu pro snadnější spojování dílčích skenů jednotlivých chodeb. Základní polygon byl převeden do souřadnicového systému S-JTSK a výškového systému Bpv. Pečlivým přeměřením tohoto polygonu jsme sledovali především jednoznačnou kontrolu výstupů nově testované metody v zatopených prostorách většího rozsahu. Půdorysné plány a řezy, vygenerované z výsledného modelu, vykazují se základním polygonem velmi dobrou shodu. Drobné nuance na dvou lomových bodech připisujeme spíše nedostatečně přesnému měření výšek hloubkoměrem. Kontrolními výpočty byla potvrzena celková maximální chyba vzniklého modelu do 20 cm.

Severní koridor Hlavní chodby. V pravé části snímku šňůry kontrolního polygonu
se signalizačními znaky. Foto Miloslav Dvořáček

Během dvou ponorů se podařilo dvojici potápěčů zmapovat více než 220 m členitých chodeb s převýšením 43 m. Práce na podrobném vyhodnocení a tvorbě maximálně přesného virtuálního modelu trvale zatopených prostor Chýnovské jeskyně i nadále pokračují.