121 Spremljanje premikov in oblikovanja poligonalnih tal v Skedneni jami s terestrič nim laserskim skeniranjem Andrej Mihevc * ,Tilen Urbanč ič ** Povzetek Več letno spremljanje oblikovanja poligonalnih tal in pred več leti opravljena izmera vertikalnih pomikov nas je vodila do celovitejše obravnave omenjenih pojavov v Skedneni jami. Za potrebe več letnega spremljanja premikov smo si vzpostavili geodetsko mrežo oslonilnih toč k, ki so stabilizirane v stene jame. Iz izmer v obdobju devetih mesecev smo zaznali premike kamnov, med izmerama pred in v č asu zmrzovanja jamskih tal, pa tudi vertiklane premike pretežno ilovnatih tal. Določ ili smo jih kot razdaljo med oblakoma toč k dveh terminskih izmer. Največ ji zaznani premiki so tudi do 15 cm. Tehnologija terestrič nega laserskega skeniranja se izkaže kot primerna za spremljanje tovrstnih sprememb oblike jamskih tal. Ključ ne besede: jama, temperatura, poligonalna tla, terestrič no lasersko skeniranje Key words: cave, temperature, polygonal ground, terrestrial laser scanning Uvod Periglacialni pojavi, ki so znač ilni za več je geografske širine in več je nadmorske višine, nastanejo tam, kjer zaradi nizkih zimskih temperatur in pomanjkanja snežne odeje seže sezonsko zmrzovanje globoko v tla. Posledica so premikanje tal po vertikali in horizontali ter nastajanje znač ilnih oblik. Z njimi se pri nas sreč ujejo arheologi, ki pri izkopavanjih v jamah pogosto naletijo na deformirane plasti sedimentov (Brodar, 1983). Poveč ini jih pripisujejo hladnim obdobjem pleistocena. Pri prouč evanju jam ob severnem robu Planinskega polja je Gams (1963) raziskal in opisal tudi Skedneno jamo (Slika 1). V jami je med drugim opazil lepo razvita poligonalna tla. Ugotovil je, da so recentna, da so v jami nastala v sedanjih klimatskih pogojih in ne v pleistocenu. O podobnih oblikah v drugih jamah so poroč ali tudi Mihevc (2009), Zupan Hajna (2009), Obu et al. (2018). V nekaj jamah pa smo sezonske premike tal tudi merili. Na več nač inov smo označ ili kamne na tleh in nato merili razdaljo med njimi in fiksnimi toč kami na stenah. Tako so določ ili letne vertikalne premike med 10 in 20 cm v Skedneni jami, Ulici peč ini in v Potolč ki zijalki (Mihevc, 2001; 2016), nismo pa mogli izmeriti boč nih premikov. Terestrič no lasersko skeniranje (TLS) je metoda množič nega zajema prostorkih podatkov. V primerjavi s klasič no geodetso izmero, s TLS v zelo kratkem č asu določ imo koordinate velikemu številu naključ nih toč k, kjer pa je njihova natanč nost manjša. Uporaba metod množič nega zajema prostorkih podatkov v jamah omogoč a podrobne podatke o geometriji jame. Natanč no lahko določ imo obliko in velikost jame, izdelamo različ ne vzdolžne in preč ne profile, virtualne 3D modele ter vizualizacije (Gallay et al., 2015; Yakar et al., 2016). * Inštitut za raziskovanje Krasa ZRC SAZU, Titov trg 2, 6230 Postojna ** Univerza v Ljubljani, Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo, Jamova 2, 1000 Ljubljana 122 Za meritve smo izbrali Skedneno jamo, ki je zaradi lahke dostopnosti in izrazitih periglacialnih pojavov za ta namen zelo primerna. Oblake toč k TLS bomo uporabili za spremljanje sprememb oblike površja jamskih tal. Tovrstni podatki nam omogoč ajo celovit vpogled, identificiranje in določ itev velikosti deformacij oz. sprememb oblike tal. Slika 1 - Tloris in iztegnjeni profil Skednene jame (Gams, 1963) Skednena jama Skednena jama je 206 m dolga in 30 m globoka jama. Leži pod uravnanim vrtač astim površjem, ki je na višini okrog 485 m. Jama ima tri vhode. Najnižji je v dnu velike udorne doline, na višini okrog 451 m. Za vhodom se rov razširi v okrog 15 m široko dvorano (Slika 2). 123 Slika 2 - Vhodna dvorana z znač ilno uravnanimi ravnimi tlemi – skednjem Tla dvorane so ravna, kot na skednju, od tod tudi ime jame. Iz dvorane vodi glavi rov proti jugu. Jamska tla se spuste za kak meter, nato pa se rov blago, nato pa strmo vzpne do drugega, nekoliko manjšega vhoda. V tem delu jame je tudi tretji vhod, navpič no brezno, ki sega v jamo s površja. Sprva je rov širok okrog 10 m in je poveč ini do 5 m visok. Poleg tega glavnega rova ima jama še dva majhna stranska rova. Pomemben je rov, ki se pod stropom vhodne dvorane odcepi proti SV. Rov je do 1,5 m širok in do 1,8 m visok ter dolg le 10 m (Slika 1). Stene glavnega rova so živoskalne, le ponekod so nastali majhni beli in razpokani kapniki, ki kažejo na zimsko zmrzovanje in poletno odlaganje sige. Stene jame so v toplem delu leta vlažne, saj se na njih kondenzira vlaga, v hladni polovici leta pa več inoma suhe. V jami na štirih mestih kaplja prenikajoč a voda, pozimi na teh mestih nastanejo veliki ledeni kapniki (Slika 2). Več ji del jamskih tal tvorijo manjše skale in droban grušč pomešan s peskom in jamsko ilovico. V več jem delu jame, v dolžini več kot 100 m, so jamska tla gladka in izravnana v blago nagnjeno površino z naklonom 7-10º. V preč nem prerezu pa so jamska tla vodoravna (Slika 3). V teh uravnanih tleh so oblikovana poligonalna tla . 124 Slika 3 - Enakomerno in v vzdolžnem smislu blago nagnjena klanč ina v glavnem rovu Uravnana jamska tla kažejo recentne drobne krioturbatne strukture, poligonalna tla, kamnite pasove, po velikosti sortirane kamne, kupč ke gline in šopi ledenih kristalov. Te oblike so bolj izrazite v bližini dotoka kapljajoč e vode (Sliki 4 in 5). Povpreč na letna temperatura v bližnji Planini je 9,1 °C. Najhladnejši mesec je januar (– 1,6 °C) in najtoplejši julij (+ 18,5 °C). Podobne temperature smemo prič akovati tudi na površju nad jamo. Zaradi več vhodov je potek temperatur v jami pod moč nim vplivom zunanjega dogajanja. Pozimi v jamo z lahkoto prodira zunaji zrak, jama se moč no ohladi, tla zamrznejo, ledeni kapniki pa se v jami obdržijo pogosto do maja. V toplem delu leta topli zunanji zrak teže vdira v jamo. Temperaturo zraka v jami tedaj določ a temperatura obdajajoč e kamnine, ki je približno enaka povpreč ni zunaji temperaturi, to je okrog 8 °C. 125 Slika 4 - Poligonalna tla v bolj vodoravnih tleh v vhodni dvorani Slika 5 - Na nagnjenih tleh rova so poligoni zaradi polzenja tal razpotegnjeni 126 Trestrič no lasersko skeniranje Skednene jame Geodetska mreža Koordinatno izhodišč e vseh izmer TLS v Skedneni jami predstavlja lokalna geodetska mreža devetnajstih toč k. Mreža je zasnovana kot razširjena oblika zaključ enega poligona (Slika 6). Na površju je s klini trajno stabiliziranih 7 toč k. V jami so toč ke geodetske mreže stabilizirane v steni s sidrnimi vijaki, skupaj 13 toč k (Slika 7). Razporejene so tako, da v geometrijskem smislu zagotovljajo kakovostno georeferenciranje oblakov toč k v vsej jami in glede na predvidena mesta postavitev terestrič nega laserskega skenerja ter lego območ ij poligonalnih tal, ki jih imamo namen podrobneje obravnavati. Stabilizacija (v steno) in signalizacija (reflektivne nalepke) toč k v jami sta prilagojeni uporabi TLS. Slika 6 - Geodetska mreža Skednene jame Slika 7 - Toč ka geodetske mreže oz. oslonilna toč ka za TLS: levo sidrni vijak, desno okrogla reflektivna tarč a s premerom 5 cm 127 Geodetsko mrežo smo izmerili 11. 4. 2018. Uporabili smo tahimeter Leica Nova MS50 in precizne prizme Leica GPH1P. Proti vsem vidnim toč kam smo na vsakem stojišč u horizontalne smeri izmerili v petih girusih. Istoč ano smo v obeh krožnih legah v petih ponovitvah izmerili tudi zenitne razdalje in poševne dolžine. Za upoštevanje dejanskih pogojev v atmosferi, smo v č asu izmere na vseh stojišč ih izmerili meteorološke parametre. Ker je bila mreža merjena prvič , smo za izrač un koordinat toč k in njenih natanč nosti mrežo izravnali kot prosto. Terestrič no lasersko skeniranje Za izvedbo skeniranja smo uporabili skener Riegl VZ-400 (Slika 8). Med 11. 4. 2018 in 5. 1. 2019 smo izvedli 8 izmer (11. 4. 2018, 10. 5. 2018, 11. 6. 2018, 10. 7. 2018, 9. 8. 2018, 10. 9. 2018, 9. 11. 2018 in 5. 1. 2019). Pri skeniranju smo na vseh stojišč ih v vseh terminskih izmerah loč ljivost skeniranja nastavili na 1 cm/20 m v vertikalni in horizontalni smeri. Za registracijo oblakov toč k smo kot vezne toč ke, poleg toč k geodetske mreže, uporabili tudi reflektivne valje s premerom in višino 10 cm, okrogle reflektivne nalepke premera 5 cm in okrogle Leicine tarč e za skeniranje velikosti 6''. Registriran oblak toč k posamezne terminske izmere smo georeferencirali v lokalni koordinatni sistem jame preko toč k geodetske mreže. Slika 8 - Skener Riegl VZ-400 ter oslonilne in vezne toč ke (reflerivne nalepke, valjč ki, tarč a Leica 6'') Obdelave oblakov toč k smo opravili v programih RiSCAN PRO (filtriranje), Surfer 15 (izdelava digitalnih modelov višin in izrač un razlik) in CloudCompare (izrač un razdalj med oblaki toč k). 128 Rezultati Geodetska mreža V mreži, ki je bila izmerjena 11. 4. 2018, smo iz opazovanj izrač unali 54 sredin merjenih horizontalnih smeri in prav toliko sredin poševnih dolžin in zenitnh razdalj. Opazovanja proti vsem ostalih vidnim toč kam smo opravili na vseh sedmih stalno stabiliziranih toč kah na površju ter šestih nestabilziranih in na stativih prisilno centriranih toč kah v jami. Mrežo smo izravnali loč eno za ravninske koordinate in višine. Mrežo smo v obeh primerih izravnali kot prosto (Kuang, 1996). Povpreč ne natanč nosti koordinat toč k po izravnavi predstavljamo v Preglednici 1. Preglednica 1 - Natanč nosti koordinat toč k geodetske mreže [mm] [mm] [mm] Vse toč ke v mreži 1,1 1,0 1,2 13 toč k v jami 1,4 1,5 2,0 Natanč nosti koordinat toč k celotne mreže so odvisne tudi od opazovanj na nalepke, ki smo jih uporabili za signaliziranje toč k v stenah jame. Iz Preglednice 1 vidimo, da na povpreč ne natanč nosti posameznih koordinat toč k cele mreže koordinate stenskih toč k oz. opazovanja na te toč ke vplivajo med 0,3 in 0,8 mm. Obdelava oblakov toč k Za pridobitev kakovostnejših podatkov pri skeniranju in enostavnejši obdelavi oblakov toč k v vsaki izmeri smo izberali približno ista mesta postavitve skenerja. Položaje postavitev skenerja prikazujemo na Sliki 9. Slika 9 - Stojišč a skenerja pri skeniranju dne 10. 5. 2018. Prve korake obdelav oblakov toč k skeniranja z Rieglovim skenerjem smo naredili v programu RiSCAN PRO. Oblak toč k skeniranja iz posameznega stojišč a je v koordinatnem sistemu takrtne orientacije skenerja. Za registracijo oblakov toč k smo uporabili vezne toč ke. V povpreč ju smo imeli med dvema zapoerdnima stojišč ema več kot 8 veznih toč k. Za georeferenciranje združenega oblaka toč k smo uporabili oslonilne toč ke geodetske mreže (Sliki 6 in 9). Nefiltriran oblak toč k je pri skeniranju cele jame vseboval skoraj 350 000 000 toč k. Ker je skenirana površina v jami takšne oblike, da oblakov toč k z 129 obič ajnimi algoritmi ne moremo samodejno klasificirati, smo morali roč no izbrisati vse neželene toč ke ter toč ke klasificirati v talne in netalne. Oblake toč k smo za nadaljno obdelavo in izrač une razlik v obliki površja zaradi neenakomerne gostote filtrirali z Octree filtrom. Primerjavo oblakov toč k smo naredili na dva nač ina. Najprej s kreiranjem digitalnih modelov višin s programom Surfer. Na podoben nač in, vendar brez modeliranja ploskev, pa tudi s programom CloudCompare, smo premike določ ili z izrač unom razdalj med oblakoma toč k. Opravljene izmere so v letu 2018 potekale v č asu, ko je bila temperatura v jami stalno nad 0 °C. Glede na dejstvo, da na dviganje tal vplivajo ravno temperature pod ledišč em, sprememb oblike površja v č asu med aprilom in novembrom 2018 ni bilo, niti jih nismo prič akovali. Zaznali smo le številne premaknjene več je kamne, za kar razloge najdemo v obiskovalcih jame. Prve spremembe oblike površine smo zaradi zmrzovanja v tleh zaznali šele po obdelavi oblaka toč k skeniranja 5. 1. 2019. Ker glede na poznavanje tovrstnih procesov v tako kratkem obdobju ni prič akovati znatnega premika kamnov in drobnega materiala v horizontalnem smislu, smo spremembo oblike poligonalnih tal izrač unali le v višinskem smislu. Izrač unane razlike med oblakoma jamskih tal v dvorani pri več jem vhodu v jamo (Slika 9, kjer so toč ke 1-6) za izmeri 9. 11. 2018 in 5. 1. 2019 prikazujemo na Sliki 10. Z rdeč o barvo so prikazana vsa območ ja, kjer je razdalja med oblakoma več ja od 5 cm. Slika 10 - Prikaz razdalj med oblakoma toč k skeniranja z Riegl VZ-400 za dneva 9. 11. 2018 in 5. 1. 2019 Ugotovili smo, da so se na območ ju, ki je na Sliki 10 spodaj in kjer smo prič akovali največ je spremembe, območ ja drobnega ilovnatega materiala dvignila tudi do 12 cm. V povpreč ju so se različ na manjša območ ja dvignila za dobrih 5 cm. Več ji kamni, ki mejijo na območ ja ilovnatega materiala so ostali stabilni, manjši kamni pa so se premaknili za do 2 cm. Manjša območ ja rdeč e barve prikazujejo premaknjene kamne. Dve več ji lisi brez 130 toč k sta na območ jih, kjer je več ji dotok vode s stropa in pri skeniranju 5. 1. 2019 zaradi mokrih tal in ledenih sveč nismo dobili odbojev laserskega žarka. Zaključ ek Vzpostavljena geodetska mreža v Skedneni jami omogoč a kakovostno in dolgotrajno spremljanje spreminjanja oblike poligonalnih tal. Stabilnost toč k geodetske mreže imamo namen preveriti po enem letu od vzpostavitve. Nač in stabilizacije toč k v jami zagotavlja zanesljivo georeferenciranje oblakov toč k skeniranja z najrazlič nejšimi instrumenti. Tehnologija terestrič nega laserskega skeniranja je za prouč evanje jam ter identificiranje in določ itev velikosti sprememb oblike jamskih tal zelo uporabna. Naš namen je bil predvsem zaznavanje premikov jamskih tal zaradi zmrzovanja. Zaporedne meritve tal so pokazale največ je premike po vertikali do 15 cm. Bili so tam, kjer je v jamskih tleh več vode, to je v okolici kapljanj oziroma dotoka prenikle vode. Tu so se premiki tudi najprej zač eli. Dvigovanje tal je sč asoma zajelo celo jamo. Poleg tega so meritve pokazale tudi naključ ne premike nekaterih kamnov na tleh. To pa lahko pripišemo obiskovalcem, ki jih premikajo pri hoji po jami. Največ jo težavo pri obdelavi oblakov toč k predstavljajo toč ke v senci kamnov ter toč ke na stič išč u jamskih tal in sten, ki jih je potrebno roč no pregledati in neželene toč ke odstraniti. Na osnovi pridobljenih izkušenj bomo skrbno nač rtovali prihodnje izmere in poskusili določ iti maksimalne vrednosti sprememb. Oblika tal v Skedneni jami, splošne lastnosti poligonalnih tal in dolgoletno vizualno in metrič no spremljanje sprememb oblike tal nas vodijo k več letnemu spremljanju dogajanja v jami in morebitno določ itev premikanja materiala jamskih tal tudi v horizontalnem smislu. Literatura in viri Brodar, S., Brodar, M. (1983). Potoč ka zijalka: visokoalpska postaja aurignacienskih lovcev = Potoč ka zijalka : eine hochalpine Aurignacjägerstation, Dela, 24, 213. Gallay, M., Kanuk, J., Hochmuth, Z., Meneely, J.D., Hofierka, J., Sedlák, V. (2015). Large-scale and high-resolution 3-D cave mapping by terrestrial laser scanning: a case study of the Domica Cave. Slovakia, International Journal of Speleology, 44, 3: 277–291. Gams I. (1963). Logarč ek. Acta carsologica, 3: 7−84. Kuang, S., 1996. Geodetic Network Analysis and Optimal design, Ann Arbor Press, Inc., Chelsea, Michigan Mihevc, A. (2009). Cryoturbation of the sediments at the cave entrances : case studies from Skednena jama, Potoč ka zijalka and Bestažovca Cave. V: Steguweit, L., (ur.). Hugo Obermaier- Gesellschaft für Erforschung des Eiszeitalters und der Steinzeit, 51st Annual Meeting in Ljubljana, 14th-18th of April. [Erlangen]: Hugo Obermaier-Gesellschaft für Erforschung des Eiszeitalters und der Steinzeit, 26. Mihevc, A. (2001). Jamski fluvialni sedimenti v Snežni jami na Raduhi in v Potoč ki zijalki. Geološki zbornik 16 (Povzetki referatov). Ljubljana: Naravoslovnotehniška fakulteta, Oddelek za geologijo, 60−63. Obu, J., Košutnik, J., Overduin, P., Boike, J., Blatnik, M., Zwieback, S., Gostinč ar, P., Mihevc, A. (2018). Sorted patterned ground in a karst cave, Ledenica pod Hrušico, Slovenia. Permafrost and periglacial processes, Apr.-June 2018, 29, 2: 121−130. Zupan Hajna, N. (2007). Barka depression, a denuded shaft in the area of Snežnik Mountain, Southwest Slovenia. Journal of caves and karst studies: a publication of the National Speleological Society, 69, 2: 266−274. Yakar, M., Ulvi, A., Toprak, A.S. (2016). The Use of Laser Scanner in Caves, Encountered Problems and Solution Suggestion. Universal Journal of Geoscience 4, 4: 81−88.