OPRACOWANIE KONCEPCJI BADANIA PRZEMIESZCZEŃ OSUWISK NA PODSTAWIE GEODANYCH

Transkrypt

1 OPRACOWANIE KONCEPCJI BADANIA PRZEMIESZCZEŃ OSUWISK NA PODSTAWIE GEODANYCH Małgorzata Woroszkiewicz Zakład Teledetekcji i Fotogrametrii, Wydział Inżynierii Lądowej i Geodezji, Wojskowa Akademia Techniczna SŁOWA KLUCZOWE: fotogrametria bliskiego zasięgu, naziemny skaning laserowy, numeryczny model terenu, przemieszczenia, osuwiska STRESZCZENIE: Do nowoczesnych metod pomiarowych umożliwiających określenie dynamiki oraz wyznaczenie przemieszczeń osuwisk należy zaliczyć lotniczy i naziemny skaning laserowy. Techniki te pozwalają uzyskać dane w postaci przestrzennego zbioru punktów, które stanowią podstawę do wygenerowania numerycznego modelu terenu. Na podstawie danych pozyskanych w różnych okresach czasu możliwe jest wygenerowanie różnicowego modelu terenu, umożliwiającego obliczenie objętości transportowanych mas ziemnych na danym obszarze po uprzednim wyznaczeniu różnic wysokości w kolejnych punktach siatki. W artykule przedstawiono opracowany algorytm postępowania przy pomiarze przemieszczeń osuwisk metodami fotogrametrycznymi oraz ocena wielkości przemieszczeń mas ziemnych i ich dokładności. 1. WPROWADZENIE Powierzchniowe ruchy masowe, do których zalicza się proces osuwania mają ogromny wpływ na kształtowanie się morfologii terenu, a ich aktywność stanowi zagrożenie dla obiektów infrastruktury technicznej. Dla terenów zagrożonych ruchami masowymi ziemi mogącymi powodować bezpośrednie zagrożenie dla życia ludzi, infrastruktury technicznej lub komunikacyjnej prowadzi się obserwacje uwzględniając odpowiedni dobór metod pomiarowych oraz rozmieszczenie punktów pomiarowych. Analiza porównawcza danych pozyskanych w różnym czasie pozwala na ocenę tempa rozwoju osuwiska oraz jego aktywności.

2 W porównaniu z klasycznymi metodami pomiarowymi, technologia naziemnego skaningu laserowego posiada szereg istotnych zalet. Umożliwia rejestrację w krótkim czasie bardzo dużej ilości obserwacji z wysoką dokładnością. Ponadto nie wymaga kontaktu z badanym obiektem, którego pomiar w sposób tradycyjny może być niemożliwy ze względu na utrudniony dostęp. Dane z naziemnego skaningu laserowego stanowią podstawę do opracowania Numerycznego Modelu Terenu. 2. OBSZAR BADAŃ Osuwisko w Dobrzyniu nad Wisłą (Rys. 1) położone jest w granicach województwa kujawsko-pomorskiego. Przyczyną jego rozwoju jest obecność w profilu zbocza iłów plioceńskich posiadających osłabioną strukturę wewnętrzną oraz erozyjno-abrazyjna działalność rzeki Wisły. Wynikiem aktywności procesów osuwiskowych są liczne spękania i szczeliny. Rys. 1 Fragment ortofotomapy badanego obszaru. 3. POZYSKANIE DANYCH Metoda skanowania laserowego umożliwia, za pomocą wiązki lasera, rejestrację obiektów przestrzennych w postaci chmury punktów o znanych współrzędnych, które wyznaczane są na podstawie automatycznego pomiaru odległości do punktu obiektu oraz kąta poziomego i pionowego. Dodatkowo podczas pomiaru pozyskana jest informacja o intensywności odbitego sygnału, czyli wielkości natężenia odbitego promieniowania.

3 Wykorzystany impulsowy skaner laserowy Leica ScanStation (Rys. 2) charakteryzuje się pełnym polem widzenia (360 w płaszczyźnie poziomej, 270 w płaszczyźnie pionowej) oraz dużym zasięgiem pomiaru (do 300 m przy albedo równym 90% i do 130 m przy albedo równym 18%). Cechy te są niezwykle istotne z punktu widzenia pomiaru rozległych osuwisk. Dla pojedynczego pomiaru dokładność wyznaczenia pozycji wynosi ±6 mm, zaś dokładność wyznaczenia odległości ±4 mm (dla zakresu do 50 m). Rys. 2 Naziemny skaner laserowy Leica ScanStation 2. Sesje pomiarowe wykonano 31 marca oraz 11 maja 2011 roku. Pionowa i pozioma gęstość skanowania, podczas pierwszego i drugiego pomiaru, wynosiła odpowiednio 0.05 m 0.05 m 0.10 m 0.10 m (na odległości 50 m). Podczas planowania stanowisk oraz rozmieszczenia tarcz celowniczych decydującym kryterium była jak najmniejsza liczba stanowisk, z których można by zarejestrować cały obiekt badawczy, z uwzględnieniem odległości pomiędzy skanerem a obiektem oraz widoczności jak największej liczby tarcz HDS. Wynikiem właściwego procesu skanowania są chmury punktów z poszczególnych stanowisk (ScanWorld) przedstawiające fragmenty osuwiska oraz dokładne położenie tarcz celowniczych zlokalizowane w lokalnym układzie współrzędnych skanera. Ponadto, w celu zorientowania chmury punktów w globalnym układzie współrzędnych wykonano pomiary satelitarne przy użyciu odbiorników GPS (Leica GPS1200 i Leica Viva). W rezultacie pomiar pierwszy został przeprowadzony z pięciu stanowisk (w tym dwóch znajdujących się na obszarze osuwiska) z nawiązaniem do ośmiu tarcz celowniczych, a pomiar drugi z dwóch stanowisk z nawiązaniem do czterech tarcz celowniczych.

4 4. OPRACOWANIE DANYCH Rejestrację chmur punktów (Rys. 3) pozyskanych z poszczególnych stanowisk wykonano w sposób automatyczny na podstawie zeskanowanych tarcz HDS. Błąd całkowity rejestracji danych z pierwszego pomiaru wyniósł m, z drugiego natomiast m. Błędy dopasowania na poszczególnych tarczach mogą wynikać między innymi z ich przesunięcia pomiędzy skanami wykonanymi z różnych stanowisk lub drganiami skanera podczas pomiaru. Rys. 3 Zarejestrowane chmury punktów przedstawiające osuwisko w Dobrzyniu nad Wisłą. Dane poddano filtracji celem usunięcia zbędnych obserwacji (m.in. roślinności) tak, aby zbiór punktów stanowił wyłącznie rzeczywistą powierzchnię osuwiska. W tym celu wykonano segmentację danych według intensywności, określenia odległości od wskazanego punktu oraz odległości od zadanej powierzchni referencyjnej. Pozostałą część niepożądanych punktów usunięto manualnie. Wyniki filtracji przedstawiono na Rys. 4. Rys. 4 Wyniki filtracji po zastosowaniu segmentacji według intensywności, segmentacji względem zadanej powierzchni referencyjnej oraz filtracji manualnej.

5 4.1 Transformacja trójwymiarowa Aby móc przeprowadzić analizę danych pozyskanych w wyniku naziemnego skaningu laserowego, zlokalizowanych w różnych układach współrzędnych niezbędna jest ich transformacja do wspólnego układu współrzędnych. Biorąc pod uwagę fakt, że podczas pomiaru skanerem laserowym rejestrowane są współrzędne X, Y, Z zbioru punktów w układzie lokalnym skanera należy poddać je transformacji trójwymiarowej. Wykonano transformację izometryczną (definiowaną przez 6 parametrów) oraz konforemną (definiowaną przez 7 parametrów). W odniesieniu do pozyskanych danych układem pierwotnym jest układ lokalny zarejestrowanych chmur punktów, natomiast układem wtórnym PUWG Punktami dostosowania o znanych współrzędnych w obu układach są współrzędne tarcz celowniczych pozyskane podczas pierwszego i drugiego pomiaru osuwiska. Wynik przeprowadzonej transformacji przedstawiono na Rys. 5. Rys. 5 Fragmenty chmur pozyskanych z I i II pomiaru w Dobrzyniu nad Wisłą zlokalizowane w PUWG Numeryczny model terenu Celem otrzymania miarodajnych porównań modeli określono wspólny zakres danych oraz zdefiniowano jednakową geometrię wygenerowanych NMT w postaci siatki GRID. Umożliwiło to wygenerowanie różnicowego NMT.

6 Dla opracowania pozyskanych danych wybrano metodę interpolacji kriging, należącą do grupy metod geostatystycznych, zakładającą istnienie zależności między oddaleniem punktów a stopniem ich podobieństwa. Rozmiar oczka siatki ustalono na poziomie 0.05 m. Dodatkowo wygenerowano NMT metodą cyfrowej korelacji obrazów na podstawie analogowych zobrazowań lotniczych, które zostały pozyskane 9 października 2009 roku. W celu wykonania orientacji zobrazowań wykorzystano znajomość elementów orientacji wewnętrznej oraz elementów orientacji zewnętrznej udostępnionych przez Centralny Ośrodek Dokumentacji Geodezyjnej i Kartograficznej. Otrzymany NMT poddano transformacji do PUWG 2000, a także przeliczono układ wysokości normalnych na układ wysokości elipsoidalnych tak, aby układ współrzędnych NMT wygenerowanego ze zdjęć odpowiadał układowi współrzędnych NMT wygenerowanych na podstawie danych naziemnego skaningu laserowego. Rys. 6 Numeryczne modele terenu oraz różnicowy NMT fragmentu obszaru osuwiska zlokalizowane w PUWG 2000.

7 4.3 Analiza dokładnościowa Na podstawie różnicowego NMT stwierdzono, że na analizowanym fragmencie osuwiska o powierzchni 200 m 2 ubyło 48 m 3 masy ziemnej. Wykres 7 Profil powierzchni fragmentu osuwiska w Dobrzyniu nad Wisłą. Z uwagi na fakt, iż analizowany obszar położony jest w dolnej części osuwiska wygenerowany profil powierzchni wskazuje na osunięcie się mas ziemnych z wyżej położonych obszarów osuwiska pomiędzy 2009 r. a 2011 r., a następnie na osiadanie terenu. Z powyższego wykresu wynika, że w okresie między r. a r., wzdłuż linii przekroju, średnia wysokość terenu zwiększyła się o 1.0 m ± 0.3 m. Natomiast w okresie między r. a r., wzdłuż linii przekroju, średnia wysokość terenu zmniejszyła się o 0.25 m ± 0.05 m. Błąd wyznaczenia przemieszczeń m wyznaczony został na podstawie wzoru: m = ± m 2 p + m 2 r + m 2 f + m 2 2 t + m NMT (1) gdzie: m p błąd pomiaru naziemnym skanerem laserowym, m r błąd rejestracji chmury punktów, m f błąd związany z filtracją chmury punktów, m t błąd trójwymiarowej transformacji chmury punktów, m NMT błąd wygenerowanego NMT.

8 Zestawienia wartości poszczególnych błędów dla danych wynikowych, zamieszczone zostały w Tabeli 1. Tabela 1 Wartości błędów wyznaczenia przemieszczeń oraz ich składowych dla danych wynikowych (m NMT przyjęty dla oczka siatki 0.05 m). Osuwisko w Dobrzyniu nad Wisłą Pomiar I Pomiar II m p [m] ±0.006 ±0.006 m r [m] ±0.003 ±0.005 m f [m] ±0.05 ±0.05 m t [m] ±0.002 ±0.007 m NMT [m] ±0.02 ±0.02 m [m] ±0.05 ±0.05 Wartość błędu pomiaru naziemnym skanerem laserowym Leica ScanStation 2 przyjęto zgodnie ze specyfikacją podaną przez producenta dla zakresu od 1 do 50 m. Błąd rejestracji określony został jako błąd dopasowania odpowiadających sobie par punktów wspólnych. Ze względu na brak możliwości wyznaczenia błędu związanego z procesem filtracji, jego wartość określono na poziomie minimalnej wartości szorstkości terenu. W rezultacie całkowity błąd wyznaczenia przemieszczeń na podstawie NMT dla osuwiska w Dobrzyniu nad Wisłą wyniósł ±0.05 m. 5. OPRACOWANA KONCEPCJA BADANIA PRZEMIESZCZEŃ OSUWISK Pozyskane dane w postaci chmury punktów stanowią przestrzenną reprezentację powierzchni terenu. Pomiary wykonywane w różnych okresach czasu powinny być wykonywane skanerem tego samego typu o podobnych parametrach. Właściwe rozmieszczenie stanowisk skanera pozwala zminimalizować obszary martwych pól, natomiast prowadzenie pomiarów pozyskanych w różnych okresach czasu z tych samych stanowisk pozwala uzyskać podobny rozkład cieni pomiarowych. W celu zorientowania chmur punktów we wspólnym układzie współrzędnych można wykorzystać integrację danych z naziemnego skaningu laserowego z pomiarami satelitarnymi stosując ciągi poligonowe oraz wcięcia. Pozwoli to na zlokalizowanie pozyskanych chmur

9 punktów w układzie globalnym już w czasie procesu skanowania, co eliminuje potrzebę późniejszego przeprowadzenia czasochłonnej transformacji trójwymiarowej dużego zbioru danych. Dobór rozdzielczości skanowania zależy od charakterystyki osuwiska, w szczególności od zróżnicowania powierzchni terenu. Podczas pomiarów należy uwzględnić linie nieciągłości oraz ewentualne szczeliny i spękania powstałe w wyniku aktywności osuwiska. Dodatkowo stosując metody satelitarne można pomierzyć profile powierzchni terenu w celu porównania współrzędnych pozyskanych tą techniką ze współrzędnymi pomierzonymi na NMT wygenerowanym na podstawie danych naziemnego skaningu laserowego. Na podstawie różnicowego NMT możliwe jest wskazanie obszarów zmian występujących pomiędzy modelami, obliczenie objętości transportowanych mas ziemnych oraz wyznaczenie różnic wysokości w wybranych punktach. Wygenerowane profile powierzchni osuwiska pozwalają na wizualizację rozkładu mas ziemnych, wyznaczenie przemieszczeń pionowych, oraz określenie (wzdłuż przeprowadzonej linii profilu) granic oraz parametrów (wysokości, kąta nachylenia, długości) elementów budowy osuwiska (skarpy głównej, skarpy wtórnej, jęzora oraz czoła osuwiska). 6. PODSUMOWANIE Dane pozyskane techniką naziemnego skaningu laserowego w postaci chmury punktów stanowią przestrzenną reprezentację powierzchni terenu. W przedstawionych analizach wykazano, iż dane te charakteryzują się wystarczającą dokładnością, aby móc na ich podstawie wyznaczyć przemieszczenia osuwisk, których pomiar sprowadza się do porównania numerycznych modeli terenu wygenerowanych w oparciu o dane pozyskane w różnych okresach czasu. Możliwość integracji danych NSL z danymi pozyskanymi techniką satelitarną pozwala na wyznaczanie przemieszczeń względem globalnego układu współrzędnych. Oprócz szorstkości terenu, czynnikami determinującymi dokładność otrzymanych wyników są błędy związane z pomiarem naziemnym skanerem laserowym, rejestracją chmury punktów, filtracją danych oraz generowaniem NMT. LITERATURA Shan Jie, Toth C. K., Topographic laser ranging and scanning: principles and processing, CRC Press, 2009.

10 Staiger, R., Terrestrial laser scanning Technology, systems and applications, Second FIG Regional Conference, Marrakech, Morocco, G. Bitelli, M. Dubbini, A. Zanutta, Terrestrial laser scanning and digital photogrametry techniques to monitor landslide bodies, Commission V, WG V/2. T. Oppikofer, M. Jaboyedoff, Characterization and monitoring of the Aknes rockslide using terrestrial laser scanning, M. Niemiec, G.Jóźków, A. Borkowski, Monitorowanie zmian ukształtowania powierzchni Terenu spowodowanych erozją wodną z wykorzystaniem Naziemnego skanowania laserowego, Archiwum Fotogrametrii, Kartografii i Teledetekcji, Vol. 20, 2009, s CONCEPTION OF STUDIES OF LANDSLIDES DISPLACEMENTS BASED ON GEODATA KEY WORDS: close range photogrammetry, terrestrial laser scanning, digital terrain model, displacement, landslide