WYKORZYSTANIE GPS I DALMIERZA LASEROWEGO W PRAKTYCE LEŒNEJ THE USE OF GPS AND LASER RANGEFINDER IN FORESTRY PRACTISE. Wstêp

Transkrypt

1 Wykorzystanie POLSKIE TOWARZYSTWO GPS i dalierza INFORMACJI laserowego w praktyce PRZESTRZENNEJ leœnej ROCZNIKI GEOMATYKI 2006 TOM IV ZESZYT 4 67 WYKORZYSTANIE GPS I DALMIERZA LASEROWEGO W PRAKTYCE LEŒNEJ THE USE OF GPS AND LASER RANGEFINDER IN FORESTRY PRACTISE Micha³ Brach, Krzysztof Stereñczak Katedra Urz¹dzania Lasu, Geoatyki i Ekonoiki Leœnictwa, Wydzia³ Leœny Szko³a G³ówna Gospodarstwa Wiejskiego S³owa kluczowe: GPS, dalierz laserowy, leœnictwo Keywords: GPS, laser rangefinder, forestry Wstêp Prawid³owo funkcjonuj¹cy syste inforacji przestrzennej, wspoagaj¹cy efektywnie zarz¹dzanie, usi zawieraæ dane, których jakoœæ oraz precyzja s¹ znane i nie budz¹ adnych w¹tpliwoœci. Istnienie nowoczesnych technologii poiarowych stosowanych w leœnictwie jest fakte. Proble jednak pojawia siê wówczas, gdy brakowaæ zaczyna wiedzy i œwiadooœci na teat dok³adnoœci uzyskanych wyników. Ma to szczególne znaczenie w œrodowisku leœny, które ze wzglêdu na swoj¹ ró norodnoœæ i sezonow¹ dynaikê zian warunków poiarów sprawia znaczne probley (Adaiec P. 2003; Grzegorzewicz, 2002; Kaiñska, Karaszkiewicz, 1994). W artykule oówiono zagadnienie oceny dok³adnoœci leœnej apy nuerycznej (LMN) uroczysk Doliska i Górki, wchodz¹cych w sk³ad Leœnego Zak³adu Doœwiadczalnego (LZD) w Rogowie oraz apy ewidencji gruntów z Powiatowego Oœrodka Dokuentacji Geodezyjnej i Kartograficznej (PODGiK) w Brzezinach. Dokonano tak e porównania przydatnoœci wybranych technologii GPS i dalierza laserowego do aktualizacji apy nuerycznej o powierzchnie (obiekty) nie stanowi¹ce wydzieleñ drzewostanowych. Dok³adnoœci apy nuerycznej z PODGiK w Brzezinach Zgodnie ze Standarde leœnej apy nuerycznej: Najlepsz¹ etod¹ przygotowania danych geodezyjnych do leœnej apy nuerycznej jest wykorzystanie istniej¹cej apy nuerycznej ewidencji gruntów i budynków lub wykonanie jej zgodnie z zasadai okreœlonyi w Zarz¹dzeniu nr 60 Dyrektora Generalnego Lasów Pañstwowych z 28 czerwca 1999 r.

2 68 Micha³ Brach, Krzysztof Stereñczak Z powy szego zapisu wynika, e Standard LMN nie przewiduje weryfikacji dok³adnoœci apy ewidencyjnej przed rozpoczêcie prac nad LMN. Zate z prawnego punktu widzenia wykonywanie jakakolwiek jej kontroli nie jest wyagane. Jednak, aj¹c œwiadooœæ ró nej jakoœci otrzyywanych danych, równie z PODGiK, zdecydowano siê na przeprowadzenie pewnych badañ i analiz. Mapa nueryczna ewidencji gruntów powsta³a w wyniku digitalizacji apy zasadniczej w skali 1:5000 opracowanej w latach szeœædziesi¹tych ubieg³ego wieku w oparciu o punkty geodezyjne trzeciego rzêdu, zgodnie z obowi¹zuj¹c¹ wówczas instrukcj¹ techniczn¹ sporz¹dzania apy zasadniczej. Weryfikacja cyfrowych ateria³ów kartograficznych polega³a na porównaniu ich z wynikai kontrolnych poiarów terenowych, wykonanych tradycyjnyi etodai geodezyjnyi. Poiar po³o enia graniczników wykonano etodai wciêæ k¹towych i liniowych, a uzyskane wspó³rzêdne zestawiono ze wspó³rzêdnyi tych graniczników odczytanyi z apy ewidencyjnej PODGiK w Brzezinach. Ró nice by³y znaczne œrednia wielkoœæ przesuniêcia po³o enia punktu granicznego kszta³towa³a siê na pozioie 3,41. Przesuniêcia ia³y charakter systeatyczny o okreœlony kierunku. Przyczyn takiego stanu rzeczy o na doszukiwaæ siê przede wszystki w b³êdach wpasowania (kalibracji) papierowych ap ewidencji gruntów podczas ich digitalizacji. Poddaje to w w¹tpliwoœæ jakoœæ nuerycznej apy ewidencji gruntów z PODGiK w Brzezinach. Fakt ten jest niezwykle wa ny dla odbiorców gotowych ap nuerycznych, którzy czêsto podchodz¹ do danych cyfrowych bezkrytycznie, z góry zak³adaj¹c ich wysok¹ dok³adnoœæ co w praktyce o e okazaæ siê niew³aœciwy. Porównanie leœnej apy nuerycznej LZD w Rogowie z nueryczn¹ ap¹ ewidencji gruntów PODGiK w Brzezinach W zwi¹zku z ty, e znaczna czêœæ sytuacji wewnêtrznej drzewostanów ia³a zostaæ przejêta z istniej¹cej LMN, zdecydowano siê na porównanie jej z ap¹ ewidencji gruntów. Ju wstêpna analiza warstw wektorowych, wykaza³a du e odchy³ki i ró nice geoetrii obiektów (rys. 1). W³aœciw¹ analizê dok³adnoœci warstw przeprowadzono na podstawie porównania wspó³rzêdnych X, Y odpowiadaj¹cych sobie graniczników na obu apach. W trakcie ich wyboru kierowano siê kszta³te przebiegu linii granicznej, skrzy owaniai dróg i linii podzia³u powierzchniowego, tak by identyfikacja odpowiadaj¹cych sobie punktów nie budzi³a w¹tpliwoœci. Wyznaczono wartoœæ przesuniêcia ka dego z punktów (rys. 1). Œrednie przesuniêcie wynios³o 9,8, aksyalne 19,52 w Górkach i 14,26 w Doliskach. Minialne wartoœci przesuniêcia to odpowiednio 1,61 i 0,87. Mapa uroczyska Doliska a wiêksz¹ dok³adnoœæ i charakteryzuje siê niejsz¹ rozpiêtoœci¹ wartoœci b³êdów ni apa uroczyska Górki. Wynik ten o e ieæ zwi¹zek z niej skoplikowany uk³ade przestrzenny w uroczysku Doliska i czêœciowo naturalny podzia³e oddzia³ów Leœnictwa Górki. Dokonano równie porównania powierzchni obiektów na obu apach i stwierdzono, e poio znacznych przesuniêæ punktów granicznych, ró nice powierzchni nie s¹ du e. Wskazuje to na przesuniêcie jednej apy w stosunku do drugiej, wyraÿnie w kierunku pó³nocno-wschodni (rys. 1).

3 Wykorzystanie GPS i dalierza laserowego w praktyce leœnej 69 Rys. 1. Ró nice w po³o eniu graniczników na apie PODGiK w Brzezinach (nuery od 101 do 104) a ap¹ LZD Rogów (nuery od 1 do 4) Wybrane etody aktualizacji leœnej apy nuerycznej Aktualizacjê LMN wykonano dla obszarów, na których zasz³y ziany w drzewostanach od oentu ostatniego urz¹dzania lasu. Poiary wykonano etodai bezpoœredniego poiaru terenowego z wykorzystanie dwóch typów odbiorników GPS oraz rêcznego dalierza laserowego. Zastosowano odbiorniki firy GPS.PL oparte o paltopy ipaq 2210 oraz dwa typy anten o ró ny pozioie dok³adnoœci, odpowiednio poni ej 1,5 dla zestawu 3R-GPS XT oraz poni ej 3 dla zestawu 3R-GPS Standard. Rejestracji danych dokonano za pooc¹ prograu Arcpad. Na powierzchniach o dobrej widocznoœci u ywano dalierza laserowego Laserace 300 firy MDL o zasiêgu do 300 (poiar bez lustra) i dok³adnoœci poiaru odleg³oœci ±10 c. Instruent posiada inklinoetr oraz busolê elektroniczn¹ o dok³adnoœci oko³o 1. Wszystkie poiary rejestrowane by³y autoatycznie na paltopie ipaq 2210 z u ycie specjalnego oprograowania firy MDL. Nowa wersja prograu Arcpad 7 obs³uguje równoczeœnie oba urz¹dzenia, co uo liwia aktualizowanie apy bezpoœrednio w terenie.

4 70 Micha³ Brach, Krzysztof Stereñczak Statyczne poiary GPS Poiary wykonano odbiornikie GPS z zastosowanie nastêpuj¹cych paraetrów: liczba pozycji do uœrednienia 240; wspó³czynnik PDOP 5; tryb rejestracji 3D; interwa³ ci¹gu za³aañ 1 sekunda. Poiary prowadzone by³y w odleg³oœci 2 etrów od pni drzew po³o- onych na charakterystycznych za³aaniach inwentaryzowanych obiektów. Nierzadko czas poiaru wyd³u a³ siê nawet kilkukrotnie, co spowodowane by³o wstrzyywanie rejestrowania pozycji przez odbiornik w oencie przekroczenia za³o onej wartoœci wspó³czynnika PDOP. Zdarza³o siê, i w pobli u drzew trudno by³o rozpocz¹æ sesjê poiarow¹ z powodu s³abego sygna³u z satelity. Rozwi¹zanie w takich sytuacjach by³o wyjœcie na otwart¹ przestrzeñ, nawi¹zanie kontaktu z satelitai i nastêpnie przesuniêcie siê na stanowisko poiarowe (Majewski, 2005; Michalczuk, Nowicki, 2002). Nastêpnie wykonano analizy 14 poligonów zakniêtych (powierzchni) utworzonych z zarejestrowanych punktów. Zastosowano pakiet ArcGIS 9.1 firy ESRI. Obiekty (powierzchnie) typu gniazda, luki, itp. aj¹ w rzeczywistoœci zaokr¹glone kszta³ty. Dlatego poligony reprezentuj¹ce te obiekty wyg³adzono z u ycie funkcji Sooth Line z algoryte PEAK (rys. 2). Wyg³adzenie nie spowodowa³o obni enia dok³adnoœci wyznaczenia pola powierzchni analizowanych obiektów. Linie graniczne obiektów o prosty przebiegu granic (wydzielenia drzewostanowe) uproszczono przy u yciu funkcji Siplify Rys. 2. Efekt zastosowania funkcji wyg³adzania z algoryte PEAK na jednej z luk œródleœnych uroczyska Doliska Line. Algoryt ten zachowuje liniê trendu, usuwaj¹c zbêdne punkty w za³o onej tolerancji, przez co nawet w przypadku braku pokrycia siê charakterystycznych punktów z poiarów z ich odpowiednikai na apie gospodarczej, o liwe jest odtworzenie przebiegu granicy wydzielenia z du ¹ dok³adnoœci¹. Funkcja ta jest szczególnie przydatna podczas poiarów z wykorzystanie odbiorników GPS. W œrodowisku leœny ay, bowie bardzo czêsto do czynienia z odbicie sygna³u od pni i koron drzew, co sprawia, e w praktyce o na otrzyaæ wspó³rzêdne znacznie odbiegaj¹ce od oczekiwanych. Dynaiczne poiary GPS Poiar wykonano podczas przejœcia po granicy obiektu w odleg³oœci 2 etrów od pni drzew, w przypadku inwentaryzacji prowadzonej w starszych drzewostanach lub dok³adnie po linii granicznej obiektów inwentaryzowanych (na uprawach). Z³o ono nastêpuj¹ce paraetry sesji poiarowych: PDOP 5; tryb 3D; interwa³ ci¹gu za³aañ 1sekunda. W trakcie poiarów przeieszczano siê ze sta³¹ prêdkoœci¹ oko³o 4 5 k/h. W przypadku przejœcia drogai lub liniai oddzia³owyi poruszano siê po ich osiach.

5 Wykorzystanie GPS i dalierza laserowego w praktyce leœnej 71 Otrzyan¹ w wyniku poiarów terenowych warstwê liniow¹ poddano opracowaniu kaeralneu. Pierwsz¹ czynnoœci¹ by³o poprawienie typowych b³êdów powsta³ych w trakcie dynaicznego poiaru odbiornikie GPS. By³y to przede wszystki wisz¹ce koñce linii. Teoretycznie, linie granic powierzchni powinny byæ zakniête. W praktyce jednak adna granica nie zaczyna³a i koñczy³a siê w ty say punkcie. Nale a³o wiêc dokn¹æ je sztucznie przez doci¹gniêcie koñca linii do jej pocz¹tku (rys. 3). Usuwano tak e b³êdy zapêtlenia powsta³e w wyniku rejestracji przez odbiornik sygna³ów odbitych. Rys 3. Opracowywanie poiarów GPS na przyk³adzie luki œródleœnej uroczyska Górki Z badañ przedstawionych we wczeœniejszych rozdzia³ach wynika³o, e: kontrolny poiar terenowy dobrze zidentyfikowanych na apie ewidencyjnej graniczników wykaza³ znaczne, aj¹ce charakter systeatyczny, przesuniêcia po³o enia tych punktów, apa ewidencji gruntów jest przesuniêta w stosunku do leœnej apy nuerycznej. Z tego powodu, niezbêdny, etape opracowania by³o rêczne przesuniêcie ierzonych obiektów o zadany wektor tak, aby wizualnie pasowa³y do apy Ÿród³owej. Realizacja tego zadanie o liwa jest jedynie wtedy, gdy w trakcie poiarów rejestruje siê równie punkty charakterystyczne, które o na zlokalizowaæ na apie Ÿród³owej. Ostateczny kszta³t nadano obiekto za pooc¹ funkcji Siplify Line, które redukowa³o liczbê wierzcho³ków, jak te zienia³o charakter przebiegu linii, na bli szy rzeczywistoœci. Stwierdzono du ¹ dok³adnoœæ po³o enia uzyskanych linii i stosunkowo wierne odtworzenie kszta³tu obiektów. Poiar dalierze laserowy z wykorzystanie odbiornika GPS Dalierz laserowy znalaz³ zastosowanie na tych powierzchniach leœnych, których wnêtrze by³o w iarê przejrzyste. W pierwszej kolejnoœci wyznaczono dla ka dego obiektu wspó³rzêdne jednego punktu le ¹cego blisko jego œrodka. Poiar ten wykonano odbiornikie GPS. Z tak wyznaczonych stanowisk prowadzone by³y nastêpnie obserwacje dalierze laserowy. Rejestrowano d³ugoœæ zredukowan¹ oraz azyut. Zawsze na powierzchni ierzono te sae charakterystyczne punkty (pnie), których wspó³rzêdne wczeœniej okreœlone zosta³y za pooc¹ statycznych poiarów GPS. W kilku przypadkach zasz³a potrzeba wyznaczenia wiêkszej liczby stanowisk poiarowych dalierza laserowego. Wynika³o to z dwóch powodów: 1) ograniczonej widocznoœci,

6 72 Micha³ Brach, Krzysztof Stereñczak stanowisko dalierza laserowego Rys. 4. Opracowanie wyników poiarów wykonanych dalierze laserowy i GPS na przyk³adzie jednego z wydzieleñ w uroczysku Doliska unieo liwiaj¹cej z jednego stanowiska uchwycenie wszystkich punktów za³aañ, 2) wielkoœci inwentaryzowanych obiektów. Niew¹tpliwie wa ny eleente pracy z dalierze laserowy by³o w³aœciwe zlokalizowanie stanowiska poiarowego tak, aby nie okaza³o siê w trakcie rejestrowania spostrze eñ, e jakiœ fragent powierzchni jest os³oniêty. Ma to istotne znaczenie, gdy poiar wspó³rzêdnych stanowiska dalierza laserowego jest najbardziej czasoch³onny. Dalierze laserowy ierzono odleg³oœci do pni drzew, natoiast poiary GPS, jak podano wczeœniej, prowadzone by³y z odstêpe 2 etrów od granicy pni drzew. W ostateczny opracowaniu wyjœciowa linia obiektu by³a odsuwana od krawêdzi, a nastêpnie generalizowana (rys. 4). Porównanie wyników poiarów Z porównania wyników poiarów uzyskanych bezpoœrednio w terenie stwierdziæ nale- y, i z poiarów dynaicznych GPS uzyskiwano najwiêksze pola powierzchni obiektów. Podobne rezultaty przynios³a etoda kobinowana GPS z dalierze laserowy. Ró nica iêdzy suai pól powierzchni wynosi³a 2,7 %, co o e wynikaæ z tego, i w obu etodach starano siê aksyalnie odzwierciedliæ kszta³t inwentaryzowanych obiektów. Tak e œrednia ró nica pól powierzchni odpowiadaj¹cych sobie obiektów na porównywanych warstwach przyjê³a najni sze wartoœci spoœród wszystkich porównywanych etod 22,2%. Poiary wykonywano dwoa odbiornikai GPS ró nej klasy. Odbiornik z anten¹ uieszczon¹ 2,5 na ziei¹ bez wiêkszych trudnoœci utrzyywa³ kontakt z satelitai, nawet w pobli u zwartej œciany lasu. Natoiast odbiornik nawigacyjny ze standardow¹ anten¹ ia³ niekiedy trudnoœci z podtrzyanie ³¹cznoœci. Podsuowanie Na obszarze dwóch uroczysk: Dolisko i Górki przeprowadzono prace badawcze, których cele by³o okreœlenie o liwoœci wykorzystania nuerycznej apy ewidencji gruntów do aktualizacji LMN oraz ocena dok³adnoœci apy leœnej. Podstaw¹ analiz by³y bezpoœrednie poiary terenowe i ich kaeralne opracowanie. Ich wyniki pozwalaj¹ na sforu³owanie poni szych spostrze eñ i wniosków: Kontrola nuerycznej apy ewidencji gruntów pozyskanej z PODGiK w Brzezinach wykaza³a kilkuetrowe b³êdy po³o enia punktów granicznych. Mo na zate s¹dziæ,

7 Wykorzystanie GPS i dalierza laserowego w praktyce leœnej 73 e ateria³y kartograficzne znajduj¹ce siê w oœrodkach dokuentacji geodezyjnej, szczególnie dla terenów o s³abo rozwiniêtej infrastrukturze, czêsto obarczone s¹ b³êdai. W ka dej sytuacji powinno siê sprawdziæ dok³adnoœæ ap wykorzystywanych jako ateria³ wyjœciowy do budowy systeu inforacji przestrzennej w nadleœnictwach. Standarde powinno byæ po³¹czenie inwentaryzacji wykonywanej w trakcie prac urz¹dzania lasu (co 10 lat) i inwentaryzacji wykonywanej na bie ¹co z wykorzystanie poiarów GPS (Ok³a, 2000). Poiary GPS-e s¹ ju stosowane w praktyce przez firy wykonuj¹ce aktualizacje LMN w nadleœnictwach. Wyniki przedstawionych w artykule badañ udowodni³y ³atwoœæ i stosunkowo du ¹ efektywnoœæ tej technologii. Dziêki obserwacji na onitorze paltopa bezpoœrednich wyników poiaru GPS o liwe by³o wyeliinowania b³êdów grubych lub powtórzeñ poiarów. Technologia poiaru GPS a jednak kilka ograniczeñ. Nieo liwy lub bardzo trudny jest poiar w gêsty drzewostanie oraz w drzewostanie z bujny podszyte lub podroste. Poiary a³ych powierzchni, otoczonych wysoki drzewostane o silny zwarciu, czêsto obarczone s¹ zbyt du yi b³êdai, aby o na je by³o zaakceptowaæ. Nieo liwe jest równie inwentaryzowanie wyroœniêtych gniazd znajduj¹cych siê w drzewostanie. Wyniki prac terenowych potwierdzi³y niewielkie o liwoœci GPS w pozyskaniu inforacji w gniazdach, w których rosn¹ drzewa wy sze ni 4-5 oraz wewn¹trz gêstego drzewostanu. Wa ny czynnikie potrzebny do zainicjowania poiaru GPS jest uzyskanie przez odbiornik silnego, pierwszego sygna³u satelitarnego. PóŸniejszy poiar o e odbywaæ siê w oparciu o piêciokrotnie s³absze sygna³y (Wê yk, 2004). Szerokie. zastosowanie w praktyce powinna znaleÿæ etoda kobinowana poiaru terenowego z wykorzystanie dalierza laserowego i odbiornika GPS. W stosunku do poiarów GPS, charakteryzuje siê zdecydowanie ni sz¹ czasoch³onnoœci¹ przy równoczesny zachowaniu wiernego odtworzenia kszta³tu inwentaryzowanych obiektów. Praktyka leœna potwierdzi³a, i GPS jest przydatny narzêdzie i na tyle tani, e o e je nabyæ praktycznie ka de nadleœnictwo. atwa obs³uga i o liwoœæ natychiastowej wizualizacji efektów poiarów w trakcie prac terenowych daj¹ u przewagê w porównaniu z innyi etodai poiarów sytuacyjnych. W polskich warunkach powinno to byæ narzêdzie codziennego u ytku personelu Lasów Pañstwowych. Literatura Adaiec P., 2003: Analiza dok³adnoœci leœnej apy nuerycznej Leœnictwa Jasieñ (aszynopis). Katedra Urz¹dzania Lasu i Geodezji Leœnej SGGW, Warszawa. Grzegorzewicz T., 2002: Dok³adnoœæ leœnej apy nuerycznej nadleœnictwa Dojlidy (aszynopis). Katedra Urz¹dzania Lasu i Geodezji Leœnej SGGW, Warszawa. Kaiñska G., Karaszkiewicz W., 1994: Badanie i ocena dok³adnoœci leœnej apy gospodarczej. Sylwan, 5: Majewski S., 2005: The practical use of GPS and digital aps by Polish State Forests in fire protection and in pest control. GIS and databases in the forest protection in Centre Europe. Instytut Badawczy Leœnictwa, Warszawa.

8 74 Micha³ Brach, Krzysztof Stereñczak Michalczuk P., Nowicki., 2002: Zastosowanie techniki GPS do aktualizacji leœnej apy nuerycznej (aszynopis). Katedra Urz¹dzania Lasu i Geodezji Leœnej SGGW, Warszawa. Ok³a K. (red.), 2000: Syste inforacji przestrzennej w Lasach Pañstwowych. Bogucki Wydawnictwo Naukowe S.C., Warszawa. Wê yk P., 2004: Mity i fakty dotycz¹ce stosowania GPS w leœnictwie. Roczniki Geoatyki, t. II, z. 4: Suary The use of new easureent technologies in forestry environent is a standard nowadays. This results fro the use of digital aps and continuous looking for new technologies which provide precise and fast ethods for forestry data capture. GPS and laser rangefinder are used in forest environent but we not always realize what is the quality of easureents. Lack of cohesion between the easureents and digital aps often result fro istakes in the source analogue aps. For instance, it was calculated by geodetic survey that ean error of landarks for LZD Rogów digital ap was equal to 9.8 eters. This eans that every user of such aps ust think about its weakness. We exained the use of GPS receiver and laser rangefinder in forest environent. It turned out that GPS should not be used for sall area easureents because of possible big istakes in area calculation. In this situation it is a good idea to use laser rangefinder but we ust reeber that good visibility is needed. The results of easureents should be generalized by soothing and siplifying algoriths. It akes our data ore useful. In spite of any probles which are connected with sophisticated easureent technologies we should use the because they assure faster and ore precise data capture than the old ones. gr in. Micha³ Brach Michal@wl.sggw.pl gr in. Krzysztof Stereñczak Kolub_cz@poczta.onet.pl