NUMERYCZNY MODEL TERENU DLA STUDIUM WYKONALNOŚCI INWESTYCJI ARTUR JANOWSKI e-mail artur.janowski@geodezja.pl JAKUB SZULWIC e-mail jakub.szulwic@geodezja.pl. W rozdziale autorzy przedstawiają rozwiązania geodezyjne i geoinformatyczne przy przygotowaniu studium wykonalności inwestycji przekopu przez Mierzeję Wiślaną. Procedura pozyskiwania, weryfikacji i prezentacji danych dla potrzeb numerycznego modelu dna morskiego i lądu została połączona z budową autorskiego oprogramowania dla wizualizacja 3D. Metodologia opisana w opracowaniu może być używana w celu przewidywania wpływu inwestycji na środowisko naturalne... Słowa kluczowe: numeryczny model terenu, system informacji przestrzennej DIGITAL TERRAIN MODEL FOR THE FEASIBILITY STUDY OF INVESTMENT ARTUR JANOWSKI e-mail artur.janowski@geodezja.pl JAKUB SZULWIC e-mail jakub.szulwic@geodezja.pl. In the report the authors present a course of geodesic and geo-computerized works upon realization of feasibility study of navigability channel on Vistula Spit. A procedure of acquiring verification and modeling of data for requirements of a numeric model of a bottom and site has been presented with construction of original software for 3D visualization. The activities described in the report can be used for predicting exploitation hazards for objects and marine technical constructions as well as for evaluation of danger and protection of natural environment.... Key words: DEM, GIS
2 Artur Janowski, Jakub Szulwic NUMERYCZNY MODEL TERENU - ZASTOSOWANIE DLA STUDIUM WYKONALNOŚCI INWESTYCJI ARTUR JANOWSKI, JAKUB SZULWIC 1. Wprowadzenie 1.1. Założenia realizacyjne projektu Autorzy prezentują przebieg prac geodezyjnych i geoinformatycznych związanych z tworzeniem numerycznego modelu terenu (z uwzględnieniem modelowania dna morskiego oraz obszaru lądu pokrytego naturalną roślinnością i typową zabudową nadmorską) przy realizacji studium wykonalności kanału żeglownego na Mierzei Wiślanej. Przedstawiona została procedura pozyskiwania, weryfikacji i modelowania danych na potrzeby stworzenia numerycznego modelu dna i terenu wraz ze zbudowaniem autorskiego oprogramowania do wizualizacji 3D obszaru Mierzei Wiślanej. Działania opisane w referacie mogą być wykorzystanie do przewidywania zagrożeń eksploatacyjnych obiektów oraz morskich konstrukcji technicznych, a także oceny zagrożenia i ochrony środowiska naturalnego [1]. 1.2. Zagadnienie innowacyjno-badawcze Ze względu na rozwój technologiczny metod tworzenia numerycznego modelu terenu a szczególnie łączenia opracowań batymetrycznych i lądowych [3], szczególne znaczenie dla autorów miały aspekty: połączenia danych pozyskanych w różnych technologiach pomiarowych oraz ujednolicenie numerycznego modelu terenu i dna morskiego w celu umożliwienia analiz przestrzennych dla obszary inwestycji ingerującej w ląd i dno zbiornika wodnego. 2. Opracowanie techniczne Modelowy przykład opracowania obejmuje: 1. Aerotriangulację i numeryczny model terenu dla obszaru zachodniej części Mierzei Wiślanej, wykonane na podstawie dostępnych materiałów fotogrametrycznych pozyskanych z najaktualniejszych zdjęć fotogrametrycznych będących w zasobie Ośrodka Dokumentacji Geodezyjnej. 2. Ortoobrazy zdjęć lotniczych użytych na potrzeby opracowania numerycznego modelu terenu dla obszaru zachodniej części Mierzei Wiślanej [rys. 1, 2] 3. Numeryczny modelu terenu (NMT) dla polskiej części Mierzei Wiślanej oraz dna morskiego w pasie przybrzeżnym (do 1800 m w stronę wód Morza Bałtyckiego) i dna Zalewu Wiślanego (ok. 350 m w stronę wód Zalewu Wiślanego) [rys. 4, 5, 7]. Końcowy produkt (NMT) powstał przez połączenie numerycznego modelu terenu dla obszaru zachodniej części Mierzei Wiślanej opracowywanego metodami fotogrametrycznymi, dostępnego numerycznego modelu terenu LPIS oraz na podstawie wyników monitoringu brzegu prowadzonego przez Urząd Morski w Gdyni. 4. Oprogramowanie PROFILER do analizy numerycznego modelu terenu i generowania profili [rys. 6, 7].
Numeryczny model terenu dla studium wykonalności inwestycji 3 Rys. 1 Zestawienie ortoobrazów wraz z wizualizacją fotopunktów
4 Artur Janowski, Jakub Szulwic Rys. 2: Ortoobraz z naniesionymi głębokościami i kilometrażem linii brzegowej od strony od strony Zatoki Gdańskiej i Zalewu Wiślanego
Numeryczny model terenu dla studium wykonalności inwestycji 5 Realizacja studium wykonalności kanału żeglugowego [2, 4, 5] na Mierzei Wiślanej w oparciu o opracowania fotogrametryczne jest wynikiem analizy techniczno-ekonomicznej oczekiwań Urzędu Morskiego w Gdyni. U podstaw realizacji zadania leżało stworzenie aktualnego Numerycznego Modelu Terenu Mierzei Wiślanej (NMT ang. DTM: Digital Terrain Model) połączonego z numerycznym obrazem dna Morza Bałtyckiego i Zalewu Wiślanego w odległości do 350 metrów od linii brzegowej. Esencją opracowania było wykonanie oprogramowania PROFILER umożliwiającego analizę i weryfikację DTM Mierzei Wiślanej połączonego z numerycznym obrazem dna (morskiego). Pierwotnie rozważano pozyskanie NMT z lotniczego skaningu laserowego. Dostawcy rozwiązań skaningu laserowego sugerowali również możliwość pozyskania obrazu dna morskiego w strefie przybrzeżnej także z wykorzystaniem technologii opartej na skanowaniu laserowym. W efekcie analizy testowych opracowań oraz dostępności rozwiązań z zachowaniem ram czasowych narzuconych dla wykonania opracowania, zdecydowano się na wykorzystanie tradycyjnych metod fotogrametrii lotniczej wspartej pomiarami terenowymi z użyciem technologii GPS RTK [rys. 3]. Prace [2] były wykonywane na zlecenie Urzędu Morskiego w Gdyni w konsorcjum GEOSYNTEX z Gdyni. Zadania obejmujące pomiary GPS zostały wykonane we współpracy z APEKS Gdańsk, a opracowanie fotogrametryczne z GEO-KONCEPT Warszawa. Analiza NMT i oprogramowanie autorskie PROFILER jest opracowaniem autorskim. Instytucją koordynującą prace geodezyjne w ramach Studium Wykonalności była Katedra Geodezji (Department of Geodesy) Wydziału Inżynierii Lądowej i Środowiska (Faculty of Civil and Environmental Engineering) Politechniki Gdańskiej (Gdańsk University of Technology). Do sprawdzenia dokładności aerotriangulacji posłużyły punkty kontrolne (nr punktów: 2007_01, 2007_02, 2007_03) - były to szczegóły terenowe zidentyfikowane na zdjęciach, pomierzone w terenie techniką GPS. Odchyłki na punktach kontrolnych spełniały kryterium błędu średniego określonego w warunkach technicznych. Punkty kontrolne uwzględniono w procesie ostatecznego wyrównania bloku jako punkty osnowy fotogrametrycznej, zwiększając dokładność aerotriangulacji [tab. 1]. W skład bloku weszło 21 zdjęć a do wyrównania użyto archiwalnych (zakupionych wraz z innymi materiałami z CODGIK) fotopunktów. Do wyrównania wykorzystano środki rzutów zdjęć pomierzonych techniką GPS, które znacząco zwiększają dokładność aerotriangulacji i pozwalają ograniczyć liczbę punktów polowej osnowy fotogrametrycznej [tab. 2]. Dopuszczano możliwość, że w szczególnych przypadkach, gdy w trakcie wykonania procesu aerotriangulacji nie będzie możliwe wykorzystanie środków rzutów (brak, błędy w procesie aerotriangulacji spowodowane błędnie określonymi środkami rzutów) rozwinięcie aerotriangulacji może zostać oparte o klasyczne rozmieszczenia polowej osnowy fotogrametrycznej, zgodnie z wytycznymi technicznymi K-2.7 Zasady wykonywania prac fotolotniczych" przy czym wszystkie punkty muszą być F-punktami (X,Y,Z) z dodatkowym warunkiem stosowania podwójnych fotopunktów na obrzeżach bloków.
6 Artur Janowski, Jakub Szulwic Wyniki pomiarów dla F-punktów Tablica 1 Nr punktu Współrzędne Corr Sd 2007_01 Latitude 54 o 20 19.43135 N -0.0004 0.0022 m Longitude 19 o 13 43.79899 E 0.0006 0.0015 m Height 30.2318 m 0.0010 0.0036 m 2007_02 Latitude 54 o 22 26.31614 N -0.0001 0.0021 m Longitude 19 o 25 21.34683 E 0.0009 0.0013 m Height 33.1688 m 0.0016 0.0040 m 2007_03 Latitude 54 o 21 12.93128 N -0.0002 0.0027 m Longitude 19 o 21 04.52288 E 0.0010 0.0019 m Height 28.8919 m 0.0018 0.0045 m Wyrównanie przeprowadzono w bloku zdjęć obejmującym cały obszar opracowania, w PUWG 1992. Oczekiwana dokładność wyrównania bloku w układzie fotogrametrycznym nie powinna przekroczyć δo=8mm. Błędy średnie wpasowania bloku na polową osnowę fotogrametryczną powinny spełniać następujące kryteria: RMS XY 0,50 m, RMS Z 0,60m. Tablica 2 Ogólna statystyka wyrównania (aerotriangulacja) Parametr X/Omega Y/Phi Z/Kappa XY [m] RMS Control 0.229 0.216 0.144 0.223 RMS Check 0.036 0.125 0.093 0.092 RMS Limits 0.001 0.001 0.001 Max Ground Residual 0.377 0.321 0.217 Residual Limits 0.001 0.001 0.001 Mean Std Dev Object 0.159 0.158 0.236 RMS Photo Position 0.178 0.219 0.144 RMS Photo Attitude 0.000 0.000 0.000 Mean Std Dev Photo Position 0.323 0.570 0.345 Mean Std Dev Photo Attitude 0.004 0.008 0.003
Numeryczny model terenu dla studium wykonalności inwestycji 7 Tablica 3 Wykaz średnich błędów obserwacji przed i po wyrównaniu dla PUWG 1992 Typ błędu Przed wyrównaniem Po wyrównaniu Błąd średni współrzędnej tłowej 5.0 μm 4.2 μm X 0.30 m 0.23 m Błędy średnie współrzędnych fotopunktów Y 0.30 m 0.22 m Z 0.20 m 0.14 m X 0.10 m 0.18 m Błędy średnie środków rzutów Y 0.10 m 0.22 m Z 0.20 m 0.14 m Rys. 3. Opis topograficzny fotopunktu - przykład z operatu pomiaru GNSS. Błędy średnie wyrównania bloku oszacowane na podstawie punktów kontrolnych (fotopunktów nie biorących udziału w wyrównaniu) nie przekraczały wielkości RMS XY określonej dla fotopunktów o więcej niż 15% i tak samo dla RMS Z o więcej niż 15% [tab. 3]. Dla poszczególnych grup obserwacji osiągnięto wymaganą z założenia zgodność wartości błędów przed wyrównaniem i po wyrównaniu, nie mniejsza niż:
8 Artur Janowski, Jakub Szulwic 10% dla błędu współrzędnych tłowych; 20% dla błędów współrzędnych fotopunktów (dla X i Y dotyczy to przeciętnej ich wartości); 20% dla współrzędnej środka rzutów, która jest zgodna z kierunkiem nalotu. Rys. 4. Efekt wizualny - cyfrowy model terenu Mierzei Wiślanej.
Numeryczny model terenu dla studium wykonalności inwestycji 9 Rys. 5. Wizualizacja NMT z profilem poprzecznym dna morskiego i terenu Mierzei Wiślanej w oprogramowaniu PROFILER.
10 Artur Janowski, Jakub Szulwic Rys. 6. Przekrój dna morskiego i terenu Mierzei Wiślanej w preferowanej lokalizacji przekopu w preferowanej lokalizacji w Skorwonkach.
Numeryczny model terenu dla studium wykonalności inwestycji 11 Rys. 7. Wizualizacja NMT z profilem poprzecznym dna morskiego i terenu Mierzei Wiślanej w oprogramowaniu PROFILER.
12 Artur Janowski, Jakub Szulwic Rys. 8. Wizualizacja: oprtofotomapa i numeryczny model terenu Mierzei Wiślanej. Przy opracowywaniu numerycznego modelu terenu (NMT), ortoobrazów oraz w czasie wykonywania pomiarów geodezyjnych uwzględnione zostały: instrukcja techniczna O-1/O-2 - Ogólne zasady wykonywania prac geodezyjnych i kartograficznych (wydanie V zmienione, 2001), instrukcja techniczna O-3 - Zasady kompletowania dokumentacji geodezyjnej i kartograficznej (wydanie II, 1992), instrukcja techniczna G-4 - Pomiary sytuacyjne i wysokościowe (wydanie III, 1988) wytyczne techniczne K-2.7 - Zasady wykonywania prac fotolotniczych (1999), wytyczne techniczne K-2.8 - Zasady wykonywania ortofotomap w skali 1:10 000 (2001),
Numeryczny model terenu dla studium wykonalności inwestycji 13 wytyczne techniczne G-1.10 - Formuły odwzorowawcze i parametry układów współrzędnych (2001). 3. Ocena efektów prac i podsumowanie Realizacja prac związanych z opracowaniem numerycznego modelu dna strefy brzegowej Morza Bałtyckiego i Zalewu Wiślanego oraz lądu na Mierzei Wiślanej pozwoliła wskazać przydatność dostępnych w zasobie Ośrodka Dokumentacji Geodezyjnej materiałów geodezyjnych i kartograficznych do wystarczająco dokładanego opracowania modelu 3D dla potrzeb studium wykonalności. Autorzy referatu w ramach wykonanego zadania wykazali, że staranne wykonanie prac fotogrametrycznych umożliwia osiąganie dokładności projektowych, a opracowanie odpowiedniego algorytmu informatycznego pozwala na sprawne i dynamiczne wizualizowanie modelu 3D na komputerach osobistych (PC). W efekcie prac wytworzono produkty i oprogramowanie [rys. 4, 8], które umożliwia prowadzenie analiz przydatnych do bezpiecznego projektowania budowli inżynierskich w strefie brzegowej morza z uwzględnieniem specyfiki budownictwa hydrotechnicznego [6] szczególnie ze względu na możliwe zagrożenia eksploatacyjne obiektów oraz morskich konstrukcji technicznych. Bibliografia [1] Buchacz M., Gajewski L., Kowalczyk U., Łuczak B, Sowiecki A., Szwankowska B., Rekomendacje wynikające z oceny oddziaływania na środowisko dla przedsięwzięcia: Budowa kanału żeglugowego przez mierzeję wiślaną; wpływ na system ekologiczny w obrębie miast, Instytut Morski w Gdańsku, 2006 [2] Dembicki E., Jednorał T., Sedler B., Jaśkowski J., Zadroga B, Kanał żeglugowy w polskiej części Mierzei Wiślanej, Inżynieria Morska i Geotechnika 27, 5, pp. 275-286, 2006 [3] Gocał J., Geodezja inżynieryjno-przemysłowa t. III, AGH, ISBN 978-83-7464-327-6, 2010 [4] Janowski A., Szulwic J., Dembicki E., Zadroga B., Budowa kanału żeglugowego przez Mierzeję Wiślaną. Cyfrowy model terenu Mierzei Wiślanej wraz z oprogramowaniem, konsorcjum Geosyntex Fundacja Naukowa w Gdańsku, 2007 [5] Janowski A., Szulwic, Photogrammetric and computerized report on site model in feasibility study of navigability channel on vistula spit, Polish Journal of Environmental Studies. - Vol. 17, iss. 5A, s. 52-57, 2008 [6] Szpakowski W., Szulwic J., A digital cartographic source for numerical models in hydrology, TASK Quartely. ISSN 1428-6394 Vol. 11, 4, pp. 449-461, 2007.