WYKORZYSTANIE LOTNICZEGO SKANINGU LASEROWEGO DO BUDOWY NUMERYCZNEGO MODELU TERENU DOLINY RZEKI WIDAWY 5

Transkrypt

1 Andrzej BORKOWSKI 1 Piotr GOŁUCH 2 Marian MOKWA 3 Przemysław TYMKÓW 4 WYKORZYSTANIE LOTNICZEGO SKANINGU LASEROWEGO DO BUDOWY NUMERYCZNEGO MODELU TERENU DOLINY RZEKI WIDAWY 5 1. Wprowadzenie Numeryczne Modele Terenu (NMT) wykorzystywane s coraz czciej w procesie modelowania hydrodynamicznego, na przykład do okrelania hydraulicznych cech doliny rzeki [1] czy symulacji przepływu wód wielkich [2]. Dane do budowy tego typu modeli mog by pozyskiwane tradycyjnie metodami geodezyjnymi, fotogrametrycznymi (teledetekcyjnymi) bd na podstawie digitalizacji istniejcych map. Z drugiej strony, NMT budowane dla potrzeb modelowania hydrodynamicznego obejmujce doliny rzek i ich bezporednie otoczenie powinny charakteryzowa si du dokładnoci oraz szczegółowoci odwzorowania ukształtowania terenu. Dotyczy to zwłaszcza takich elementów ukształtowania terenu jak skarpy i obwałowania. Inwentaryzacja tego typu elementów z niedostateczn szczegółowoci i dokładnoci geometryczn lub co gorsze ich pominicie w NMT prowadzi do zafałszowania wyników modelowania hydrodynamicznego, co w sytuacji zagroenia powodziowego moe mie katastrofalne skutki. Zbudowanie NMT posiadajcego wymienione cechy jest praktycznie niemoliwe z wykorzystaniem tradycyjnych metod pozyskiwania danych. Istniejce mapy nie posiadaj bowiem zarówno wymaganej szczegółowoci jak i powierzchniowej dokładnoci geometrycznej, zwłaszcza w zakresie treci wysokociowej. Dokładno okrelenia wysokoci w oparciu o zdjcia lotnicze jest równie na ogół niewystarczajca. Ponadto 1 Dr hab. in., Instytut Geodezji i Geoinformatyki Akademii Rolniczej we Wrocławiu 2 Dr in., Instytut Geodezji i Geoinformatyki Akademii Rolniczej we Wrocławiu 3 Dr hab. in. prof. nadzw., Instyt. Inynierii rodowiska Akademii Rolniczej we Wrocławiu 4 Mgr. in., Instytut Inynierii rodowiska Akademii Rolniczej we Wrocławiu 5 Praca naukowa finansowana ze rodków na nauk w latach jako projekt badawczy nr 4T12E

2 doliny rzek bd tereny zalewowe, to nierzadko obszary zalesione bd zakrzaczone. Wane elementy ukształtowania terenu, typu skarpy czy obwałowania s na takich obszarach niejako ukryte, pod koronami drzew, dla pasywnego sensora (wykorzystujcego naturalne wiatło odbite) jakim s zdjcia fotogrametryczne. Metody geodezyjne bezporedniego pomiaru terenowego (tachimetria) mog zagwarantowa zarówno wymagan dokładno jaki i szczegółowo, jednak w terenach zalesionych s równie trudne do zastosowania, a ponadto, ze wzgldy na wysokie koszty, ich wykorzystanie ogranicza si tylko do niewielkich obszarów. Przedstawione ograniczenia i problemy zwizane z pozyskiwaniem informacji dla NMT legły u podstaw rozwoju nowej technologii pozyskiwania danych technologii lotniczego skaningu laserowego. Technologia ta osignła w ostatnich latach zdolno operacyjn i zrewolucjonizowała proces pozyskiwania informacji o topograficznej powierzchni terenu, zwłaszcza na obszarach zalesionych i innych trudno dostpnych. Technologia ta, w przeciwiestwie do klasycznej fotogrametrii, wykorzystuje aktywny sensor w postaci promienia laserowego, za pomoc którego mierzona jest odległo od umieszczonego na pokładzie samolotu ródła lasera do powierzchni terenu, bd obiektu, od którego nastpuje odbicie promienia laserowego. Tak zwany współczynnik penetracji w terenach zalesionych waha si od 30% do 70%, zalenie od rodzaju lasu i zwartoci zadrzewienia. Oznacza to, e minimum 30% zarejestrowanych punktów stanowi odbicia lasera od powierzchni terenu; pozostałe s to odbicia od koron drzew. Biorc pod uwag fakt, e rozdzielczo tej technologii jest na poziomie jednego bd kilku punktów na metr kwadratowy powierzchni, uzyskujemy wystarczajco gst informacj punktow o ukształtowaniu terenu, nawet w terenach lenych. Ponadto odbicia od koron drzew, budynków itp. stanowi cenn informacj o pokryciu terenu i pozwalaj na stworzenie numerycznego modelu pokrycia terenu (NMPT). Model taki jest bardzo przydatny do modelowania hydrodynamicznego, zawiera bowiem informacj o przestrzennym rozmieszczeniu rónych przeszkód majcych wpływ na rozprzestrzenianie si fali powodziowej. Lotniczy skaning laserowy został wykonany, po raz pierwszy w Polsce, dla 20 km ujciowego odcinka rzeki Widawy we współpracy z Instytutem Nawigacji Uniwersytetu w Stutgardzie za pomoc skonstruowanego tam prototypowego skanera ScaLars. Skaning został wykonany w celu zbudowania precyzyjnego NMT (NMPT) oraz wykonania modelowania hydrodynamicznego. W pracy przedstawiono wstpne wyniki oraz dowiadczenia zwizane z realizacj projektu. Sposób wykorzystania tych wyników do modelowania przedstawiono w pracy [3] Lotniczy Skaning Laserowy Lotniczy skaning laserowy jest zaawansowan technologi pozyskiwania danych integrujc w sobie trzy nowoczesne techniki pomiarowe: GPS (Global Positioning System), INS (Inertial Navigation System) i laserowy pomiar odległoci LRF (Laser Rangefinder). Współdziałanie tych technik przedstawiono szkicowo na rysunku 1. Umieszczone na pokładzie samolotu urzdzenie laserowe wysyła, pod rónymi ktami, na ogół prostopadle wzgldem kierunku lotu, impulsy w kierunku ziemi. Na podstawie czasu przebiegu i powrotu sygnału okrelana jest odległo do powierzchni ziemi bd obiektu od którego nastpiło odbicie sygnału. Połoenie samolotu w przestrzeni okrelane jest za pomoc systemu GPS w trybie rónicowym pomiaru (DGPS). Oznacza to, e antena i odbiornik GPS musz by umieszczone na pokładzie samolotu i na co najmniej jednym punkcie stałym na powierzchni ziemi. Orientacj samolotu w przestrzeni, wzgldem układu

3 zewntrznego, wyznacza system INS, poprzez pomiar trzech któw: podniesienia, przechyłu i obrotu samolotu. Cały system okrela zatem połoenie punktów w przestrzennym układzie biegunowym, w którym kt i odległo do punktów mierzone s za pomoc skanera laserowego. Za pomoc GPS wyznaczane jest, w interwałach jednosekundowych, połoenie pocztku układu biegunowego, a jego cigle zmieniajc si orientacje wyznacza INS. Rys. 1. Komponenty lotniczego skaningu laserowego (ródło:[4]) Tablica 1. Podstawowe parametry systemu ScaLars Moc lasera Długo fali rednica plamki na wyjciu Czstotliwoci pomiaru (CW) Zasig pomiaru Dokładno pomiaru (H=700m) Metoda odchylenia wizki Kt odchylenia wizki - w kierunku lotu - prostopadle do kierunku lotu 0,8 W 810 nm (bliska podczerwie) 5 cm 1 MHz, 10 MHz 750 m 0,12 m lustro nutacyjne (Palmer Scan) ± 7,6 o ± 13,6 o Po odpowiednim opracowaniu danych z tych trzech systemów otrzymuje si współrzdne punktów w układzie kartezjaskim WGS84. Znajomo współrzdnych punktu naziemnego, na którym ustawiona jest antena odbiornika GPS oraz znajomo wysokoci geoidy na obszarze opracowania pozwala wyznaczy współrzdne w obowizujcym na danym obszarze układzie współrzdnych i systemie wysokoci. W prezentowanym projekcie wykorzystano prototypowy skaner ScaLars II zbudowany w Instytucie Nawigacji Uniwersytetu w Stutgardzie [5]. Skaner ten wykorzystuje fal cigła (CW), a wizka odchylana jest za pomoc rotujcego lustra. Złoenie rotacji lustra i ruch samolotu daje rozkład punktów pomiarowych wzdłu przesuwajcej si po obszarze 173

4 skanowania elipsy. System rejestruje równie intensywno odbicia promienia. Podstawowe parametry skanera zestawiono w tabeli 1. Do rejestracji sygnału GPS i INS wykorzystano system Applanix. Rys. 2. Mapa obszaru opracowania z projektowanymi osiami nalotu 3. Projekt WIDAWA System ScaLars II, zamontowany na pokładzie samolotu AN-2, b d cego własno ci Aeroklubu Wrocław w Szymanowie, wykorzystano do wykonania lotniczego skaningu doliny rzeki Widawy. Do rejestracji sygnału GPS wykorzystano odbiorniki Trimble Obszar opracowania, obejmuj cy 20-kilometrowy uj ciowy odcinek rzeki Widawy, pokazano na rysunku 2. Szeroko obszaru opracowania wynosi około 2 km. Na rysunku 2 jest to obszar pokryty liniami równoległymi; s to projektowane linie nalotu. Nalot wykonano przy nast puj cych parametrach projektowych: pr dko lotu: 150 km/h, wysoko lotu: 550 m, szeroko pasa skanowania: 280 m, odst p pomi dzy osiami lotu: 190 m. Zarejestrowano rednio 2 do 3 punktów na m2, a odległo ci pomi dzy s siednimi punktami w poszczególnych skanach wynosz około 0,6 m. Taka rozdzielczo skanowania 174

5 jest wystarczajca do zarejestrowania odpowiedniej liczby punktów na wałach. W oparciu o informacje punktowe bd nastpnie modelowane obwałowania z wykorzystaniem metod zaproponowanych w pracach [6], [7]. W oparciu o informacj punktow {x,y,h} danych skaningu, modelowany bdzie, w szczególnoci, przebieg linii krawdziowych. Rys. 3. Numeryczny model pokrycia terenu doliny Widawy (fragment) Rys. 4. Numeryczny model terenu doliny Widawy (fragment) Po odpowiednim przetworzeniu danych pomiarowych i eliminacji błdnych odbi, otrzymano zbiór punktów zawierajcych punkty bdce obiciami od powierzchni ziemi oraz odbiciami od budynków czy rolinnoci. Na tej podstawie wyinterpolowano NMPT, którego fragment przedstawiono na rysunku

6 Stosujc odpowiednie algorytmy automatycznej filtracji, wyeliminowano nastpnie punkty nie bdce odbiciami od powierzchni terenu. Na podstawie punktów pozostałych stworzony został NMT, którego fragment przedstawiono na rysunku 4. Modele te wykorzystano nastpnie w procesie estymacji współczynników oporu przepływu wód. Rys. 5. Obraz intensywnoci odbicia Rys. 6. Przekrój pionowy punktów pomiarowych na obszarze zalesionym Oprócz informacji geometrycznej w postaci współrzdnych punktów, dane skaningu zawieraj równie informacj o intensywnoci odbicia promienia laserowego. Warto ta zaley od pokrycia terenu i moe by wykorzystana, jako jedna z cech, w procesie automatycznej klasyfikacji obszarów i estymacji współczynników oporu. Na rysunku 5 przedstawiono przykładowy obraz intensywnoci odbicia. Na podstawie intensywnoci mona łatwo wyróni na przykład obszary zalesione, wskaza przebieg rzeki Widawy i wałów przeciwpowodziowych. W prawym górnym rogu widoczna jest rónorodna struktura upraw na gruntach ornych. Jasny pas w lewym dolnym rogu wyznacza przebieg Odry. Brak jest tutaj punktów pomiarowych, poniewa woda absorbuje promie laserowy (bliska podczerwie). Równie inne obiekty typu budynki, drogi, nasypy kolejowe widoczne s wyranie w obrazie intensywnoci. Na rysunku 6 pokazany typowy przekrój pionowy danych skaningu laserowego na terenach lenych. Na rysunku tym wida na dole lini odbi od powierzchni terenu oraz wyej lini odbi od koron drzew. Pomidzy tymi dwoma liniami widoczna jest wyrana przerwa, w której pojawiaj si tylko pojedyncze punkty. Na podstawie takiego profilu mona zatem okreli przecitna wysoko pierwszego poziomu gałzi ponad powierzchni ziemi. Informacja ta jest przydatna dla okrelenia współczynników oporu. Ponadto w profilu 176

7 pionowym widoczna jest równie zmiana zwartoci zadrzewienia. Zmian t mona oszacowa na podstawie liczby odbi lasera (liczby punktów) na poszczególnych poziomach. W literaturze przedmiotu mona równie znale prace, w których podejmowane s próby modelowania koron drzew na podstawie danych skaningu [8]. Na koniec trzeba jeszcze postawi pytanie o dokładno pozyskanych danych skaningu laserowego. Szczególnie wana jest dokładno okrelenia wysokoci. Dokładno t okrelono przez porównanie wysokoci punków charakterystycznych, na przykład armatury naziemnej urzdze podziemnych, z odpowiednimi punktami skaningu laserowego. Wysokoci punktów charakterystycznych podane s na mapach zasadniczych 1:500 z dokładnoci jednego centymetra. Mog by traktowane zatem jako bezbłdne. Obliczony na podstawie kilkudziesiciu punktów z rónych obszarów błd standardowy danych skaningu wyniósł ± 0,20 m. Jest to dokładno wystarczajca dla potrzeb modelowania hydrodynamicznego. 4. Podsumowanie Lotniczy skaning laserowy jest szybk i dokładn metod pozyskiwania szczegółowej informacji punktowej o skanowanej powierzchni. Metoda ta jest niemal niezastpiona w trudnodostpnych terenach zalesionych. W kontekcie modelowania hydrodynamicznego metoda ta jest szczególnie atrakcyjna poniewa: pozwala szybko i stosunkowo tanio (koszt porównywalny z metodami fotogrametrycznymi) zbudowa NMT o wysokiej dokładnoci i szczegółowoci, zarejestrowane dane zawieraj jednoczenie informacj o pokryciu terenu, wysoka rozdzielczo skaningu daje moliwo modelowania, w postaci wektorowej, linii krawdziowych obwałowa oraz skarp na podstawie informacji punktowej {x,y,h}, rejestrowana intensywno odbicia daje podstawy do automatycznej klasyfikacji obszarów dla potrzeb obliczenia współczynników szorstkoci terenu, informacja zawarta w przekrojach pionowych zbioru danych skaningu laserowego moe by przydatna w modelowaniu przepływu wód wielkich. Ze wzgldu na słabe właciwoci refleksyjne obszarów o bardzo duej wilgotnoci, pomiary skaningu laserowego dolin rzecznych najkorzystniej jest wykonywa w okresie niskich stanów wód. Zbiory danych skaningu zawieraj bardzo du liczb rekordów danych, rzdu Jest to liczba stanowica wci wyzwanie dla typowych komputerów. Literatura [1] GOŁUCH P., Wykorzystanie numerycznego modelu terenu i ortofotomapy do okrelania hydraulicznych cech doliny rzeki. Problemy Hydrotechniki Współczesne podstawy planowania i projektowania w inynierii i gospodarce wodnej. Dolnolskie Wydawnictwo Edukacyjne. 2003, s [2] KAŁU A T., Numeryczna 2-d symulacja warunków przepływu wód wielkich na odcinku Wisły rodkowej w okolicy Puław. Problemy Hydrotechniki Współczesne podstawy planowania i projektowania w inynierii i gospodarce wodnej. Dolnolskie Wydawnictwo Edukacyjne. 2003, s [3]. TYMKÓW P., MOKWA M, BORKOWSKI A, GOŁUCH P., Automatyczna estymacja wartoci współczynników oporów przepływu wód w dolinach rzek z wykorzystaniem danych skaningu laserowego oraz zdj lotniczych. Problemy Hydrotechniki (w tym zeszycie). 177

8 [4] KURCZYSKI Z., DTM inaczej. Geodeta - Magazyn Geoinformacyjny, 1999, nr 2(45), s [5] WEHR A., LOHR U., Airborne laser scanning - an introduction and overview. ISPRS Journal of Photogrammetry & Remote Sensing 54 (1999), pp [6] BORKOWSKI A., Modellierung von Oberflächen mit Diskontinuitäten. Deutsche Geodätische Kommission, Reihe C, Heft Nr 575, München [7] BORKOWSKI A., KELLER W., Global and local method for tracking the intersection curve between two surfaces. Journal of Geodesy (2005)79 pp [8] GORTE B.G.H., PFEIFER N., Structuring laser-scanned trees using 3D mathematical morphology. IAPRS, vol 35, part B5, 2004, pp USE OF THE AIRBORNE LASER SCANNING FOR GENERATING DIGITAL TERRAIN MODEL OF THE WIDAWA RIVER VALLEY Summary Airborne laser scanning is a fast and precise method of collecting high-accuracy information about scanning surface. In the project, this method has been used for generation DTM and DSM for 20-km long Widawa river valley estuary section. The generated models will be used for the hydrodynamic modelling. Surveys were performed by using prototype scanner ScaLars supported with INS Applanix and GPS systems. Measurement density was about 2 to 3 points per square meter and elevation accuracy was received approximately ± 0.20 m. In the paper preliminary results and experiences connected with realization of project were presented. Additional products of scanning were also shown, as well as a way of using then for estimation of resistance parameters of high-water flow. 178