1/30/2015. Interferometria. cz. 1. Digitalizacja map. Metody pozyskania informacji o rzeźbie terenu. Cyfrowe sposoby reprezentacji rzeźby terenu

Transkrypt

1 Numeryczny model terenu i numeryczny model pokrycia terenu jako podstawa modelowania hydrologicznego i hydrodynamicznego cz. 1 dr inż. Przemysław Tymków Instytut Geodezji i Geoinformatyki Praca została sfinansowany ze środków Narodowego Centrum Nauki przyznanych na podstawie decyzji nr DEC-2011/01/D/ST10/07671 Interferometria Istotą interferometrii radarowej InSARjest odbiór ech radarowych niezależnie przez dwie anteny. Z uzyskanych w ten sposób dwóch obrazów radarowych, w których każdy piksel zawiera informacje o amplitudzie i fazie zarejestrowanego echa, tworzy się interferogram zawierający różnice faz odpowiadających sobie pikseli obu obrazów. Taki interferogramzawiera informacje przestrzenne o obiekcie, może więc być podstawą do pomiarów wysokościowych i budowy Numerycznego Modelu Rzeźby Terenu. Zdzisław Kurczyński Metody pozyskania informacji o rzeźbie terenu Digitalizacja map Pomiar bezpośredni Fotogrametria Zalety:najtańsza, najszybsza, łatwy dostęp do map (WMS) Wady: dane często zdezaktualizowane, zgeneralizowane, dla map o mniejszych skalach dokładności digitalizacji są niezadowalające Skaning laserowy Zobrazowania mikrofalowe Digitalizacja map LIDAR (ALS) LIDAR(ang.Light DetectionAnd Ranging) jest jedną z najnowocześniejszych technik pozyskiwania danych dla szeroko pojętego numerycznego modelu terenu jak i numerycznego modelu pokrycia terenu. Zasadę działania skaningu laserowego można sprowadzić do laserowego pomiaru odległości od instrumentu umieszczonego na dowolnej platformie latającej do punktów powierzchni terenu i obiektów jego pokrycia. Rodzaje skanerów laserowych: Impulsowe Fazowe Cyfrowe sposoby reprezentacji rzeźby terenu Numeryczne modele terenu - specyfika rastrowego i wektorowego modelu danych Modele: warstwicowy, model reliefu cieniowanego, mapa hipsometryczna.. 1

2 Modele typu TIN i GRID Filtracja: DSM vs DTM ALS przed filtracją DSM Rozdzielczość przestrzenną modelu GRID określa wymiar pojedynczego elementu siatki w terenie Model TIN lepiej oddają kształt rzeźby terenu (zwłaszcza punkty charakterystyczne). W systemach modelowania hydrodynamicznego najczęściej wykorzystuje się modele TIN. W systemach GIS częściej używa się GRID. Istnieją również modele hybrydowe. ALS po filtracji DTM Definicje NMT, NMPT i znormalizowanego NMPT Numeryczny Model Terenu (ang. DTM, DEM) jest numeryczną, dyskretną reprezentacją powierzchni terenu umożliwiającą określenie wysokości H dowolnego punktu o znanych współrzędnych XY, odtworzenie kształtu powierzchni terenu (przekroje poziome i pionowe, rzuty itp.) a także określenie wielkości pochodnych do kształtu tj. spadku, krzywizny, wystawy zbocza. w NMT wyróżniamy dane czyli zorganizowany zbiór wybranych punktów powierzchni oraz algorytm interpolacji wysokości w miejscy XY na podstawie danych zaimplementowany w programie komputerowym. Numeryczny Model Pokrycia Terenu (ang. DSM) jest numeryczną reprezentacją powierzchni odkrytego terenu oraz obiektów terenowych naturalnych i sztucznych (np. powierzchnia koron drzew, dachy budynkówitp.). Numeryczny model różnicowy zwany znormalizowanym modelem pokrycia terenu (ang. ndsm) jest różnicą pomiędzy NMT a NMPT i przedstawia wysokości poszczególnych obiektów pokrycia terenu względem powierzchni terenu. Pomiar i opracowanie chmury punktów Model poprawiony Tworzenie NMT z danych ALS Filtracja Edycja modelu (np. linie nieciągłości) Chmura przefiltrowana Model Wybór modelu Linie strukturalne Wiarygodny i reprezentatywny NMT (zwłaszcza dla modelowania hydrodynamicznego) wymaga uwzględnienia linii strukturalnych takich jak: linie szkieletowe, linie nieciągłości terenu (np. krawędzie obwałowań, skarp), granice wyłączeń obszarów poziomych, lokalne ekstrema. K. Pyka: twiki.fotogrametria.agh.edu.pl/pub/dydaktyka/.../s_nmt_is.pdf 2

3 1/30/2015 Modelowanie linii nieciągłości terenu na podstawie ALS Linie krawędziowe modelowane są w postaci wektorowej 3D na podstawie danych punktowych skaningu laserowego. Wynik skanowania: {x,y, z} xi yi zi Identyfikacja w zbiorze danych skaningu laserowego punktów istotnych dla modelowanej krawędzi Modelowanie hydrodynamiczne 1D F1 Wynik modelowania: x = x(t ) Identyfikacja (klasyfikacja) punktów należących do odpowiednich powierzchni F2 y = y (t ) z = z (t ) Wymiary danych przestrzennych Dane 0D - punkty Dane 1D - linie Dane 2D - poligony Dane 2.5D - (pseudo 3D) NMT, NMPT Wysokość jest atrybutem położenia {x,y}->h Dane 3D {x,y,z} Modelowanie hydrodynamicze 2D i 3D... Gołuch P., Borkowski A., Jóźków G., Tymków P., Mokwa M. Application of Digital Terrain Model generated from Airborne Laser Scanning data in Hydrodynamic Modelling Studia Geotechnica et Mechanica, Vol. XXXI No. 3, Wrocław 2009, pp Znaczenie danych geoprzestrzennych w modelowaniu hydrodynamicznym CityGML LOD LoD Kształt dachów Generalizacja [m] Dokładność [m] Inne cechy 0 Brak budynków Najwyższa Niższa niż LoD1 NMT z ortofotomapą 1 Płaskie 6x6x3 5/5 Widok blokowy 2 Uproszczony 4x4x2 2/2 Brak szczegółów 3 Rzeczywiste 2x2x1 0.5/0.5 Rzeczywisty wygląd budynków 4 Rzeczywiste Najniższa 0.2/0.2 Modelowane wnętrze Przykład Wyznaczenie stref zalewowych, opracowanie map zagrożenia i ryzyka powodziowego wymaga precyzyjnej informacji i rzeźbie terenu: Dane geometryczne przekroje modelowanie 1D DTM / DSM 2D, 3D Dane o oporach przepływu 3

4 1/30/2015 Rola i wyznaczanie współczynników oporu przepływu dla modelowania hydrodynamicznego. Prawidłowe wyznaczenie charakterystyk hydraulicznych wielkich wód w dolinach rzek wymaga oszacowania parametrów charakteryzujących opory przepływu uwzględnianych w równaniach przepływu. Wzory na prędkość średnią przepływu w przekroju: Chézy: Stricklera: Manninga: Darcy-Weisbacha: współczynnik prędkości współczynnik szorstkości powierzchni dna i ścian koryta współczynnik oporów liniowych Użycie w modelowaniu matematycznym współczynników n lub λ zależy od zastosowanego oprogramowania komputerowego, bazującego na określonej metodzie obliczania oporów przepływu. Opory przepływu na obszarach leśnych Opory przepływu w systemach jednowymiarowych Podejścia w opisie szorstkości w modelach jednowymiarowych: przyjęcie zastępczego współczynnika dla koryta właściwego i obu terenów zalewowych indywidualnie, bez podziału na mniejsze strefy, przyjęcie współczynnika zastępczego jedynie dla koryta właściwego, a przekrój przez tereny zalewowe dzielony jest na części, traktowane jako przekroje zwarte, homogeniczne pod względem szorstkości. Najczęściej obszar koryta właściwego traktowany jest jako niepodzielny element, natomiast tereny poza korytem właściwym dzielone są na elementy poprzez ustalenie punktów zmiany wartości wsp. Manninga. Opory przepływu w systemach 2D i 3D Informacje o szorstkości powierzchniowej wprowadza się wraz z NMT. Większość systemów modelowania przepływów ma możliwość korzystania z danych zgromadzonych w bazach GIS. Mapa szorstkości powierzchniowej opracowana na podst. ręcznej digitalizacji ortofotomapy, uzupełnionej o wizje terenowe (Tymków, Stodolak 2012) TLS na obszarach leśnych Automatyczna estymacja oporów przepływu Klasyfikacja pokrycia terenu na danych LIDAR oraz zdjęciach lotniczych - mapy oporów przepływu. 4

5 Perspektywy rozwoju modelowania hydrodynamicznego -geometria 3D i GIS 3D? Obecna technologia obliczeniowa oraz rozwój geometrii 3D w systemach GIS umożliwia zastosowanie modelu bryłowego obiektów przestrzennych do modelowania przepływu Opracowanie metodyki generowania numerycznego przestrzennego modelu obszaru doliny Algorytmy modelowania poszczególnych elementów Problem integracji elementów bazy danych geoprzestrzennych 3D z modelami hydrodynamicznymi Projekt NCN Stworzenie unikatowego warsztatu naukowego z zakresu pozyskania i przetwarzania danych geoprzestrzennych stosowanych w modelowaniu hydrodynamicznym przepływów powodziowych DTED (Digital Terrain Elevation Data) DTED 1 -Model ten powstał poprzez konwersję wojskowych danych DTED poziomu pierwszego. Model DTED 1 został opracowany na podstawie wektoryzacjimap analogowych w skali 1: Zawarty jest w bazie BDO DTED 2 model opracowany poprzez wektoryzacjędiapozytywów wojskowych map topograficznych w skali 1: NMT w standardzie DTED 2 wykorzystywany jest przede wszystkim w jednostkach topograficznych Wojska Polskiego. Dokładność modelu DTED terenu zależy głównie od rodzaju i dokładności materiału źródłowego zastosowanego do jego wytworzenia. Zgodnie z NATO-wskim porozumieniem standaryzacyjnym STANAG 2215 Evaluation of Land Maps, AeronauticalChartsand Digital TopographicData teoretyczne wielkości błędów NMT nie powinny przekraczać: Opracowana w latach 90. baza wysokościowa DTED 2 wymaga aktualizacji. Do aktualizacji tego modelu rozważano wykorzystanie danych SRTM. Żródło: Rozdzielczości: DTED Level 0 ok. 900 m DTED Level 1 ok.90 m DTED Level 2 ok. 30 m Jakie dane przestrzenne dla hydrologów: 2D, 2.5D, 3D? Dostępność szczegółowych danych o ukształtowaniu terenu (NMT) oraz jego pokryciu i zagospodarowaniu (bazy GIS) umożliwia ich zastosowanie zarówno w modelach dwu i trójwymiarowych ale również po odpowiedniej transformacji w modelach jednowymiarowych. Opracowywana obecnie metodyka pozyskania i przetwarzania danych geoprzestrzennych dla dolin rzecznych w oparciu o wdrażane i opracowywane standardy pozwoli w przyszłości na ograniczenie zbędnych nakładów finansowych i technologicznych na pozyskiwanie danych dla potrzeb modelowania hydrodynamicznego. Produkty projektu ISOK Projekt ISOK ma na celu stworzenie elektronicznej platformy informatycznej wraz z niezbędnymi rejestrami referencyjnymi, która stanowić będzie narzędzie zarządzania kryzysowego. Do tego celu wykorzystane zostają technologie informacyjne i telekomunikacyjne, usprawniające funkcjonowanie jednostek zarządzania kryzysowego każdego szczebla administracji państwowej oraz zwiększa dostępność ludności i przedsiębiorstw do informacji niezbędnych w sytuacjach zagrożenia życia, zdrowia lub utraty mienia. Ważnym elementem jest udostępnianie usług sieciowych, w architekturze zorientowanej na usługi, które mogą być powtórnie używane i łatwo łączone. W projekcie ISOK odpowiedzialnym za dostarczanie i obecna za udostępnianie danych jest Główny Urząd Geodezji i Kartografii, który gromadzi je w Centralnym Ośrodku Dokumentacji Geodezyjnej i Kartograficznej. Specyfika wybranych danych dostępnych dla obszaru Polski DTED 1 i 2 Dane CODGIK -dane pomiarowe oraz modele wykonane na podstawie zdjęć lotniczych, skaningu lotniczego oraz map topograficznych (w tym produkty projektu ISOK). SRTM WorldDEM DANE CODGIK -WYSOKOŚCIOWE DANE POMIAROWE Dane wysokościowe pozyskane w technologii lotniczego skaningu laserowego dla zlewni rzek o łącznej docelowej powierzchni ok. 204 tys. km2 udostępniane są jako dwa produkty: Produkt 1 -chmura punktów laserowych w Standardzie I (pliki odpowiadają zasięgom arkuszy w skali 1:2 500): dla powierzchni km2 o gęstości 4 punktów/m2 dla powierzchni 8148 km2 o gęstości 6 punktów/m2 (obszary priorytetowe) Produkt 2 -chmura punktów laserowych w Standardzie II dla powierzchni km2 obszarów miejskich o gęstości 12 punktów/m2 (głównie obszary miejskie). Zasięg jednego pliku odpowiada zasięgowi mapy w skali 1:

6 CODGIK: WYSOKOŚCIOWE DANE POMIAROWE ASCII_TBD Są to pliki tekstowe zorganizowane w 9 warstwach: punkty siatki, obszary planarne, ciek, punkty wysokościowe, obiekty inżynieryjne, punkty na obszarach wydzielonych, linie nieciągłości, linie nieciągłości w obszarach wydzielenia, obszary wydzielone. Dane podzielone są na pliki, których zasięg odpowiada arkuszom map w skali 1: , o interwale siatki metrów. Dane zostały uzyskane ze zdjęć lotniczych i map topograficznych. ISOK - WYSOKOŚCIOWE DANE POMIAROWE Oprócz informacji wysokościowych dane zawierają informacje o atrybutach RGB oraz intensywności. Zasięg dostępnych danych w CODGiK(stan na kwiecień 2013 r). CODGIK: NMT GUGiK udostępnia informacje o rzeźbie terenu Polski, które przechowywane są w formie Numerycznych Modeli Terenu: Produkt 3 -numeryczny model terenu w jednolitym standardzie dla całości opracowania km2 -GRID o oczku 1m. Produkt 4 -numeryczny model powierzchni terenu dla powierzchni km2 -GRID o oczku 1m (odpowiada powierzchni Produktu 1) Produkt 5 -numeryczny model powierzchni terenu dla powierzchni km2 -GRID o oczku 0,5 m (odpowiada powierzchni Produktu 2). Powyższe produkty są dostępne w 6 różnych formatach zapisu. ISOK - WYSOKOŚCIOWE DANE POMIAROWE LAS Są to chmury punktów LIDAR w formie binarnym LAS 1.2 opublikowanym w 2008 roku przezamerican Society for Photogrammetry and Remote Sensing. W plikachzawartesą dane takie jak: współrzędne i wysokość punktu, intensywność, kolor zapisany jako wartości RGB, który został pozyskany ze zdjęć lotniczych, numer echa oraz liczba ech w danym punkcie, kąt skanowania, klasyfikacja punktów. Zapisana w formacie LAS 1.2 klasyfikacja rozróżnia chmurę punktów na dane klasy: 0 Nigdy nie sklasyfikowane (przed procesem klasyfikacji) 1 Niesklasyfikowane (po procesie klasyfikacji punkty, które nie zostały przypisane do żadnej klasy) 2 Punkty terenu (grunt) 3 Niska roślinność (0-0,40 m) 4 Średnia roślinność (0,40 2,00 m) 5 Wysoka roślinność (powyżej 2,00 m) 6 Budynki, budowle i obiekty inżynierskie 7 Szum (punkty) 8 Punkty kluczowe modelu 9 Woda Pozostałe, zarezerwowane dla ASPRS (ASPRS, 2008) Poprawność klasyfikacji punktów jest nie mniejsza niż 95%. CODGIK: NMT formaty danych ESRI_TIN -pliki w formacie zgodnym z oprogramowaniem ESRI (ArcGIS). Utworzone są na podstawie danych pomiarowych ASCII_TBD. Pliki odpowiadają zasięgiem arkuszom map w skali 1: IntergraphTTN -pliki w formacie zgodnym ze standardem firmy Intergraph, zawierające rozproszone punkty wysokościowe tworzące nieregularną siatkę trójkątów (Topological Triangle Network). Utworzone są na podstawie danych pomiarowych ASCII_TBD. Pliki odpowiadają zasięgiem arkuszom map w skali 1: IntergraphGRD -pliki, które przechowują informacje o rzeźbie terenu w formie rastrowej. Informacje mają formę regularnej siatki kwadratów (GRID) o rozdzielczości 5 m. Powstał na podstawie danych pomiarowych ASCII_TBD. ASCII XYZ -Pliki tekstowe zawierające współrzędne (X,Y,Z) punktów w regularnej siatce o oczku 1 m, powstałe na podstawie interpolacji chmury punktów z lotniczego skaningu laserowego Warstwice DGN/DXF -Pliki typu CAD (DGN, DXF), które przedstawiają rzeźbę terenu warstwicami, wygenerowanymi na podstawie danych pomiarowych ASCII. ARC/INFO ASCII GRID -pliki tekstowe zawierające informacje o wysokości punktów w regularnej siatce oczka 1 m, które zapisane są w formie macierzy. Wartości w macierzy zostały uzyskane na podstawie interpolacji chmury punktów lotniczego skaningu laserowego. Jest to format zgodny z oprogramowaniem ESRI. 6

7 1/30/2015 CODGIK: NMT zasięg i aktualność SRTM (Shuttle Radar Topography Mission) Misja promu kosmicznego Endeavour ( ). Dwa niezależne pomiary: interferometr pracujący w paśmie C, zbudowany przez NASA/JPL, interferometr pracujący w paśmie X, zbudowany przez Niemieckie Centrum Kosmiczne DLR. Pozyskano dane dla ponad 80% powierzchni lądów, między 60 szerokości geograficznej północnej a 56 szerokości geograficznej południowej. a-krotki-wyklad-teledetekcja-interferometria-radarowa#page_top ASCII (XYZ) ARC/INFO ASCII GRID Dane pozyskane podczas misji pozwoliły opracować Numeryczny Model Rzeźby Terenu NMT, tzw. Interferencyjne Dane Wysokościowe ITED (Interferometric Terrain Elevation Data) w regularnej siatce geograficzne, z których bezpłatnie dostępny jest ITED-1 (pasmo c, siatka o "oczku" 3" x 3" - ok. 90 m x 90 m). CODGIK: NMPT ASCII (XYZ)/ARCINFO ASCII GRID - informacje zapisane w formie tekstowej (X,Y,Z) w formie regularnej siatki kwadratów (GRID) o oczku wielkości: Dla obszarów miejskich (STANDARD II) 0,5 m, Dla pozostałych obszarów (STANDARD I) 1,0 m Dane są wyinterpolowane na podstawie chmury punktów LIDAR. CODGIK ile to kosztuje? Udostępnianie danych kartograficznych w postaci cyfrowej mapy inne: 20,00 złotych za godło (wyodrębniony arkusz mapy) WorldDEM The WorldDEM is a global elevation dataset of unprecedented quality, accuracy, and coverage and will be available from 2014 for the Earth s entire land surface - pole to pole. The accuracy of the WorldDEM will surpass that of any satellite-based global elevation model available today. Accuracy of a New Dimension - Pole-to-Pole The WorldDEM is intended to be the replacement data set for SRTM and will have the following unique feature: Vertical accuracy: 2m (relative) / 10m (absolute) 12m x 12m raster Global homogeneity Highly consistent dataset thanks to data collection within 2.5 years only High geometric precision of the sensors make ground control information redundant Numerous Applications Benefiting from this New Product Customers from private industry and public authorities alike are eagerly awaiting the WorldDEM as a multitude of applications benefit from this new highly precise base dataset. The WorldDEM will support: High-quality image orthorectification Increased precision of height information within standard cartographic maps and map updates More targeted preparation of defence and security missions Enhanced international cooperation and cross-border mission planning Improved crisis intervention planning and emergency response support Management of oil and gas ﬁelds Global Coverage - Unique Accuracy - Unprecedented Quality TanDEM-X and TerraSAR-X in Space DLR The German high-resolution radar satellites TerraSAR-X and TanDEM-X form a high-precision radar interferometer in space and acquire the data basis for the WorldDEMTM. The worldwide homogeneous acquisition guarantees a global DEM with no break lines at regional or national borders and no heterogeneities caused by differing measurement procedures or data collection campaigns staggered in time. Astrium GEO-Information Services German part, Infoterra GmbH, holds the exclusive commercial marketing rights for the WorldDEMTM and is responsible for the adaptation of the elevation model to the needs of commercial users worldwide. Astrium will refine the DEM according to customer requirements, e.g. editing of water surfaces or processing to a Digital Terrain Model (representing the bare Earth s terrain). Individual solutions can be designed for specific application requirements. 7

8 STRM vs. WorldDEM 8