Nowoczesne technologie geomatyczne, wkraczają powoli w każdą dziedzinę naszego życia, utrwalając z coraz większą precyzją otaczający nas świat. Terabajty otrzymywanych danych przekładają się na milimetrowe dokładności tworzonych modeli, które śmiało mogą konkurować z realnym otoczeniem, zasługując w pełni na miano matrixa. Możliwości ich kształtowania ograniczone są jedynie wyobraĽnią projektantów i mocą obliczeniową stosowanych komputerów (Davis 2004, Longley et al. 2006). Zwiększanie precyzji nie jest jednak celem samym w sobie, jest tylko kolejnym krokiem do analiz, tworzonych przez miliardy operacji na krzemowych płytkach procesorów. Jak więc wykorzystać w codziennej pracy leśnika technologie, testowane jeszcze niedawno przez agencje kosmiczne? Próbą odpowiedzi na to pytanie jest poniższy rozdział dotyczący systemu informacji przestrzennej Sudetów Zachodnich.
W latach 2006-2008, dzięki wsparciu finansowemu Unii Europejskiej w ramach programu Interreg IIIA oraz dotacji z Dyrekcji Generalnej Lasów Państwowych, dla Leśnego Kompleksu Promocyjnego Sudety Zachodnie zbudowano zaawansowany system informacji przestrzennej. Powstał on m.in. na bazie lotniczego skaningu laserowego, cyfrowych zdjęć lotniczych oraz inwentaryzacji dróg metodą mobilnego kartowania (MMS – Mobile Mapping System). Projekt objął w większości górzysty i zalesiony obszar nadleśnictw ?wieradów i Szklarska Poręba oraz dodatkowo Karkonoski Park Narodowy, jego łączna powierzchnia wyniosła ok. 1000 km².
Ryc. 1. Obszar projektu.
W ramach projektu wykonano 2926 zdjęć lotniczych barwnych RGB i taką samą liczbę zdjęć w podczerwieni IR o terenowej wielkości piksela wynoszącej 0,14m. Do wykonania zdjęć zastosowano kamery UltraCamD i UltraCamX firmy Vexcel Microsoft umieszczone na pokładzie samolotu Cessna 404. Pokrycie podłużne w szeregach wynosiło 70%, a pokrycie poprzeczne pomiędzy szeregami 50%. W czasie wykonywania zdjęć rejestrowane były środki rzutów oraz wychylenia kamery za pomocą inercyjnego systemu nawigacyjnego Applanix 510. Wysoka dokładność określenia współrzędnych środków rzutów wynosząca 0,10m oraz wykorzystanie pomierzonych parametrów wychyleń kamery pozwoliło na osiągnięcie wysokiej dokładności wyrównania aerotriangulacji wynoszącej średnio 0,17 m dla współrzędnych X i Y oraz 0,25 m dla współrzędnej Z. Do wykonania aerotriangulacji wykorzystano 22 fotopunkty (Bałazy, Kotwas, Zarzycki, 2008)
Skanowanie laserowe wykonano z gęstością 4 punktów na metr kwadratowy z pokładu samolotu Cessna 206 z zastosowaniem skanera laserowego ALTM 3100 firmy Optech. Szerokość skanowanego pasa wynosiła 430 m, a pokrycie poprzeczne pomiędzy szeregami 50%. Częstotliwość impulsów skanera wynosiła 100 tys. punktów na sekundę, a terenowa wielkość plamki promienia laserowego 0,21 m (ryc. 2). Położenie skanera i jego wychylenia rejestrowane były za pomocą inercyjnego systemu nawigacyjnego Applanix 510. Otrzymana w wyniku skanowania laserowego chmura punktów zarejestrowana została w formacie binarnym LAS, w którym zapisana została również intensywność odbicia każdego impulsu. Na obszarze opracowania założono 4 pola testowe usytuowane w Karpaczu, Szklarskiej Porębie, Mirsku i Lubaniu. Posłużyły one do obliczenia współrzędnych chmury punktów oraz oceny dokładności wyznaczenia współrzędnej Z. Odchyłki średnie na poszczególnych polach mieściły się w przedziale od 0,03 m do 0,15 m, odchylenia standardowe od 0,05 m do 0,07 m, a błędy średnie od 0,06 m do 0,22 m. ?redni błąd określenia współrzędnej Z dla całego obszaru wyniósł 0,14 m (Bałazy, Kotwas, Zarzycki, 2008).
Ryc. 2. Obraz przefiltrowanej chmury punktów z lotniczego skaningu laserowego – fragment uprzątniętej powierzchni pohuragonowej – widoczna klasyfikacja obiektowa: grunt (barwa brązowa), budynki (barwa czerwona) i roślinność (barwa zielona)
Podczas wykonywania zdjęć lotniczych i skanowania laserowego prowadzone były obserwacje GPS na naziemnych punktach referencyjnych, które zostały wykorzystane do obliczenia współrzędnych środków rzutów zdjęć i współrzędnych chmury punktów.
Opracowania finalne projektu
Na podstawie przetworzenia danych Ľródłowych wykonano następujące opracowania:
• Ortofotomapa barwna RGB o terenowej wielkości piksela równej 0,15 m w układzie współrzędnych 1992 i 2000.
• Ortofotomapa CIR o terenowej wielkości piksela równej 0,15 m w układzie współrzędnych 1992 i 2000.
• Numeryczny Model Terenu (NMT) w formacie LAS, ASCII i GRID w układzie współrzędnych 1992.
• Numeryczny Model Pokrycia Terenu (NMPT) w formacie LAS i ASCII w układzie współrzędnych 1992.
• Klasyfikacja obiektów z chmury punktów z podziałem na budynki i budowle oraz roślinność w formacie ASCII w układzie współrzędnych 1992 (ryc. 3).
Ryc. 3. Widoczne od lewej: model terenu (NMT), model terenu z klasą budynków, model terenu z klasą budynków i klasą roślinności (dolina Kwisy z zabudowaniami ?wieradowa-Zdroju)
Do wykonania ortofotomapy wykorzystano numeryczny model terenu otrzymany z przetworzenia chmury punktów pochodzących ze skanowania laserowego, co pozwoliło na podniesienie dokładności ortofotomapy zwłaszcza w terenach zalesionych, dla których opracowanie NMT metodą fotogrametrycznej obserwacji stereoskopowej jest mniej dokładne i niepełne. Ortofotomapę wykonano na podstawie ortoobrazów wygenerowanych z centralnych obszarów zdjęć, dzięki czemu przesunięcia radialne na budynkach i wysokich drzewach są niewielkie, a obraz ortofotomapy podobny do przetworzeń typu „true-ortho”, charakteryzujących się brakiem przesunięć radialnych na budynkach (fot. 1).
Fot. 1. Fragment drzewostanu i zabudowań ?wieradowa-Zdroju na zdjęciu lotniczym w barwach rzeczywistych.
Ostatnią technologią zastosowaną w opisywanym projekcie był mobilny system kartowania MMS (Mobile Mapping System) obejmujący dokumentację fotograficzną dróg w formie cyfrowych zdjęć o pokryciu stereoskopowym, z interwałem wynoszącym co najmniej 8 m, o minimalnej rozdzielczości 1024x768 oraz szczegółową inwentaryzacją pasa drogowego wraz rejestracją trasy przejazdu przy pomocy DGPS (fot. 2).
Fot. 2. Samochód wykorzystywany do inwentaryzacji dróg metodą MMS - na zdjęciu pojazd firmy TeleAtlas (fot. R. Bałazy).
Wykorzystane w obu nadleśnictwach technologie, pozwoliły m.in. na budowę modeli fotorealistycznych (ryc. 3), które zachowują wszystkie cechy mapy, jak odwzorowanie kartograficzne czy skalowalność (Bałazy, Strzeliński, Zawiła-NiedĽwiecki 2008).
Ryc. 3. Przykład numerycznego modelu powierzchni pokrycia terenu z „nałożoną” ortofotomapą – fotorealistyczny model terenu (widoczna trasa nartostrady w trakcie budowy).
Nowoczesne oprogramowanie GIS, bazujące na odpowiednio przygotowanych danych geometrycznych i opisowych, pozwala rozwiązać dowolny problem przestrzenny, angażując przy tym znacznie mniej kosztów niż metody tradycyjne. Nie bez znaczenia również jest zwykle bardzo krótki czas tworzenia poszczególnych opracowań oraz ich dokładność. Przedstawione analizy z zakresu hydrologii, geologii, inżynierii drogowej i codziennej pracy leśnika są zaledwie ułamkiem możliwości nowoczesnych technik geomatycznych. Jako przykładowe, wybrano pięć różnych analiz:
1. Symulacja zalania fragmentu ?wieradowa Zdroju oraz Mirska w dolinie Kwisy – terenu często nękanego przez powodzie.
2. Symulacja zalania szkółki leśnej w Nadleśnictwie ?wieradów – analiza, której celem była próba odtworzenia sytuacji powodziowej z roku 2006, czyli zweryfikowanie dokładności i użyteczności wykorzystywanego modelu w symulowaniu zjawisk.
3. Przykłady obliczeń inżynieryjnych na potrzeby projektowanej drogi.
4. Model przestrzenny nadajnika radio-telewizyjnego przy wyborze miejsca pod wieżę widokową
5. Obliczanie kubatury budynków ośrodka wypoczynkowego w Wieży.
6. Przykład wyboru lokalizacji pod plantację limbową.
Analizy hydrologiczne, są zapewne jednymi z bardziej spektakularnych przykładów wykorzystania GIS-u w symulowaniu zjawisk wodnych, a w szczególności w sytuacjach klęskowych. Tereny górskie narażone są szczególnie na jesienne i wiosenne wylewy rzek, nie jest tu wyjątkiem również dolina Kwisy, która średnio co dwa lata objawia swą niszczycielską siłę. Właśnie na potrzeby przeciwdziałania powodziom powstały dwie proste symulacje przedstawiające fragment ?wieradowa (Ryc. 4) oraz Mirska, szczególnie mocno dotkniętego powodzią w 2006 roku.
Ryc. 4 Fragment NMT z klasą budynków przedstawiającego rzekę Kwisę w górnych partiach ?wieradowa-Zdroju
Numeryczny model terenu z klasą budynków, pozwala dokładnie, bez zbędnych informacji dodatkowych, wskazać zagrożone budynki. Tworzenie tego typu symulacji nie jest procesem czasochłonnym i może być prowadzone w trakcie akcji ratunkowych. Wizualizacje mogą również wskazywać słabe punkty wałów przeciwpowodziowych czy ukształtowania terenu przed ewentualnym zjawiskiem klęskowym, czego przykładem mogą być analizy sporządzone dla Miasta Mirska. Dodatkowo w tym przypadku, wykorzystano modele fotorealistyczne, które szczególnie wiarygodnie są w stanie odwzorować sytuację powodziową (Ryc. 5, 6, 7).
Ryc. 5 Pierwszy etap symulowanego zalewania Mirska (wysokość lustra wody 348 m n.p.m.)
Ryc. 6 Drugi etap symulowanego zalewania Mirska (wysokość lustra wody 350 m n.p.m.)
Ryc. 6 Trzeci etap symulowanego zalewania Mirska (wysokość lustra wody 352 m n.p.m.)
Drugą z przeprowadzonych symulacji była próba odtworzenia stanu wody, jaki miał miejsce na terenie szkółki leśnej podczas powodzi w sierpniu 2006 roku. Celem tej retrospektywnej analizy była ocena dokładności modelu. Ponieważ latem 2007 roku wybudowano wał przeciwpowodziowy (skaning laserowy miał miejsce jesienią 2007), proces symulacji rozpoczęto od usunięcia wału ziemnego z numerycznego modelu terenu (ryc. 7) (Bałazy, Strzeliński, Zawiła-NiedĽwiecki, 2008).
Ryc. 7. Lokalizacja wału ziemnego wybudowanego latem 2007 roku (Localisation location of protection dam constructed in summer 2007).
Po korekcie terenu dokonanego w celu odtworzenia stanu z roku 2006, dodano warstwę roślinności i „zalano” fragment szkółki leśnej „falą powodziową”, starając się by jej poziom odpowiadał stanowi faktycznemu. Do sprawdzenia dokładności symulacji wykorzystano archiwalne zdjęcie z 6 sierpnia 2006 roku i porównano sfotografowany obszar z wynikiem analizy (ryc. 8). Dokładność odwzorowania jest wysoka. Już pobieżna ocena zalanego fragmentu pozwala sądzić, że dokładność modelu w tym miejscu była wyższa od zakładanych w specyfikacji (40 cm w osi x,y i 15 cm w osi z). Kolejną symulacją wykonaną dla terenu szkółki było ponowne przywrócenie istniejącego wału przeciwpowodziowego i podniesienie wody w Rzece Kwisie (ryc. 9). Udowodniła ona, że wysokość wału zabezpiecza szkółkę przed falą powodziową.
Ryc. 8. Porównanie stanu wody na symulacji ze zdjęciem archiwalnym przedstawiającym faktyczny stan powodziowy.
Ryc. 9. Podniesienie stanu wody w Kwisie z „przywróconym” wałem przeciwpowodziowym.
Kolejnym przykładem możliwych zastosowań dokładnych modeli terenu, jest wstępna analiza fragmentu koryta potoku, która umożliwia oszacowanie skali przyszłych prac drogowych. Odpowiednie programy pozwalają precyzyjnie obliczyć wysokość wszystkich punktów przekroju (w tym wypadku całość ok. 938 m n.p.m.) (ryc. 10) oraz wykreślić sam przekrój koryta z dokładnością do kilku/klikunastu centymetrów (ryc. 11)
Ryc. 10 Podstawowe parametry wytyczonego fragmentu terenu.
Ryc. 11 Przekrój podłużny z widocznym ponad trzy metrowej głębokości korytem.
Warto podkreślić, że prezentowane modele można bez problemów eksportować np. do formatów CAD, szeroko wykorzystywanych przez architektów i inżynierów. Umożliwia to nie tylko prostą wymianę plików ale przede wszystkim obniża znaczne koszty sporządzania pomiarów geodezyjnych.
Modele przestrzenne w technologii 3 D są z oczywistych względów znacznie bardziej czytelne dla człowieka niż te w układzie kartezjańskim. Widać to szczególnie dobrze na poniższym przykładzie, gdzie analizie poddano promieniowanie pochodzące z nadajnika radiowo-telewizyjnego, w celu wyboru bezpiecznego miejsca pod budowę wieży widokowej. Identyfikacja nadajnika nie sprawiła większych problemów dzięki zakwalifikowaniu jej przez wykonawcę do odrębnej klasy – obiektów pozostałych.
Ryc. 12. Widok wieży widokowej w masywie Stogu Izerskiego
Szerokie pole zastosowań dla modeli przestrzennych, generowanych dzięki informacjom pochodzącym z LIDAR-a lotniczego, możemy znaleĽć również w budownictwie czy dokładniej rzecz biorąc np. w inspekcjach nadzoru budowlanego. Możliwość wstępnego obliczania kubatury budynków, wykorzystano m.in. w ośrodku wypoczynkowym w miejscowości Wieża, gdzie doszło do samowoli budowlanej na gruntach Lasów Państwowych. Poniżej widać (ryc. 13), że orientacyjna objętość wybranego domku letniskowego kształtuje się na poziomie 262 m3. Potencjalna automatyzacja procesu obliczania powierzchni budowli pozwoliłaby znacznie skrócić czas wykonywanej obecnie w Polsce inwentaryzacji budynków o powierzchni większej od 2000 m2.
Ryc. 13. Przykład obliczania kubatury jednego z domków letniskowych w miejscowości Wieża.
Kolejnym poligonem, na którym sprawdziły się nowe technologie okazała się plantacja limbowa. Zgodnie z obowiązującymi w Lasach Państwowych procedurami przystąpiono do selekcji powierzchni spełniającej wszystkie warunki, jak np. kształt zbliżony do kwadratu i płaski, równy grunt. Wybrane na podstawie lustracji terenowej oddziały wydawały się spełniać wszystkie postawione kryteria. Powierzchnię dodatkowo zweryfikowano na ortofotomapie, wybierając do usunięcia najmniej wartościowe fragmenty drzewostanu. Jak się jednak okazało, bardzo duże zwarcie drzew na potencjalnej powierzchni (fot. 13), uniemożliwiło trafne określenie jednolitego, równego areału, skutkiem czego różnica wysokości między punktami skrajnymi sięgała nawet dwóch metrów.
Fot. 13. Wybrany do usunięcia drzewostan
Ponownie przystąpiono do określenia granic powierzchni, korzystając już jednak z NMT. Analiza pierwotnej lokalizacji wykazała istotne różnice wysokościowe, pomiędzy skrajnymi punktami projektowanej plantacji (ryc. 14). Dopiero ponowna korekta położenia granic, najpierw na modelu terenu a następnie na ortofotomapie, dała nam ostateczną odpowiedĽ na pytanie, gdzie zlokalizować w/w powierzchnię (ryc. 15). Powyższy przykład pokazuje również, że dopiero zastosowanie wszystkich dostępnych w LKP Sudety Zachodnie technologii umożliwia kompleksowe analizowanie dowolnego problemu.
Ryc. 14. Pierwotna lokalizacja powierzchni na NMT i ortofotomapie
Ryc. 15. Ostateczna lokalizacja powierzchni na NMT i ortofotomapie
Podsumowanie
Ludzka potrzeba porządkowania przestrzeni sprawia, że nowoczesne technologie geomatyczne a szczególnie LIDAR stanowić będą integralną część narzędzi kartograficznych w najbliższej przyszłości. Funkcjonalność danych otrzymywanych dzięki tym metodom umożliwia ich wykorzystanie w niemal każdej dziedzinie życia. Warto jednak podkreślić, że to właśnie leśnictwo przoduje obecnie w Polsce we wdrażaniu i co ważniejsze praktycznym wykorzystywaniu tych technologii. Najważniejsze jednak jest to, by wszystkie te nowoczesne narzędzia, zdolne kreować alternatywną rzeczywistość, nie zastąpiły nam bezpośredniego kontaktu z przyrodą.
Dziś jest:
