ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE FAKULTA STAVEBNÍ KATEDRA SPECIÁLNÍ GEODÉZIE Studijní program: GEODÉZIE A KARTOGRAFIE Studijní obor: GEODÉZIE A KARTOGRAFIE
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE Určení změn v jihozápadní části sesuvného území Rabenov Vedoucí bakalářské práce: Ing. Jaroslav Braun
Světlá nad Sázavou, 2014
Eliška Málková
PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že svou bakalářskou práci na téma „Určení změn v jihozápadní části sesuvného území Rabenov“ jsem vypracovala samostatně, pouze s odbornou konzultací vedoucího práce Ing. Jaroslava Brauna. Veškerá použitá literatura a jiné podkladové materiály jsou uvedeny v seznamu literatury. Ve Světlé nad Sázavou, dne 16.5. 2014
…………………….. Eliška Málková
PODĚKOVÁNÍ Ráda bych tímto poděkovala Ing. Jaroslavu Braunovi, za jeho odborné vedení při tvorbě mé bakalářské práce. Také děkuji mé rodině za podporu při studiu, projevenou důvěru a trpělivost.
ABSTRAKT Tématem bakalářské práce je zaměření, zpracování 3D digitálního modelu terénu a vyhodnocení změn v jihozápadní části sesuvného území Rabenov. Svah Rabenov je součástí bývalého lomu Chabařovice, který se nachází západně od Ústí nad Labem. Práce seznamuje s problémovou lokalitou, popisuje měření a technologii měření. Dále objasňuje postup zpracování a vyhodnocení s použitím programu Atlas DMT. Výsledkem této práce je výškopisný plán v měřítku 1:750, digitální model povrchu zobrazený pomocí 3D pohledů a vybraný podélný profil terénu. Hlavním výstupem je rozdílový 3D model, který určuje změny v území vzhledem k předchozímu měření. Výsledky práce budou využity Katedrou geotechniky Fakulty stavební ČVUT v Praze.
KLÍČOVÁ SLOVA Digitální model terénu (DMT), globální navigační satelitní systémy (GNSS), lom Chabařovice, podélný profil, program Atlas DMT, rozdílový 3D model, sesuvné území Rabenov, Trimble GeoXR, výškopisný plán.
ABSTRACT
The topic of bachelor thesis is surveying, processing of a 3D digital terrain model and evaluation of changes in the southwestern part of the landslide Rabenov. Rabenov slope is part of a former quarry Chabařovice which is placed west of Usti nad Labem. The thesis introduces problem location, describes the measurement and the measurement technology. Further explains processing and evaluation procedure using the Atlas DMT. The result of this thesis is contour line plan at scale 1:750, digital surface model displayed using 3D views and selected longitudinal profile field. The main output is a differential 3D model that determines changes in the area relative to the previous measurement. The results of work will be used by the Department of geotechnics, Faculty of Civil Engineering CTU in Prague.
KEYWORDS
Digital terrain model (DTM), global navigation satellite systems (GNSS), quarry Chabařovice, measurement, longitudinal profile, Atlas DMT software, differential 3D model, slide territory Rabenov, Trimble GeoXR, contour line plan.
Obsah 1.
ÚVOD ....................................................................................................................... 9
2.
CHARAKTERISTIKA ÚZEMÍ .......................................................................... 10
3.
2.1
Historie ............................................................................................................. 11
2.2
Rekultivace a plánované využití území............................................................ 13
2.3
Místní prostorová síť Rabenov ......................................................................... 15
GNSS MĚŘENÍ..................................................................................................... 16 3.1
Použité GNSS systémy .................................................................................... 17
3.2
Přístroj a pomůcky ........................................................................................... 17
3.3
Metoda podrobného měření ............................................................................. 18
3.3.1 3.4 4.
5.
Síť permanentních stanic CZEPOS ......................................................... 19
Postup měření ................................................................................................... 20
DIGITÁLNÍ MODELY TERÉNU ...................................................................... 23 4.1
Zdroje dat pro tvorbu DMT.............................................................................. 24
4.2
Typy terénních modelů .................................................................................... 24
4.3
Nepravidelná trojúhelníková síť ...................................................................... 26
ATLAS DMT ......................................................................................................... 27 5.1
Příprava modelu ............................................................................................... 28
5.2
Generace 3D modelu ........................................................................................ 30
5.2.1
Výškopisný plán ....................................................................................... 30
5.2.2
3D pohledy ................................................................................................ 31
5.2.3
Terénní profil ............................................................................................ 32
5.2.4
Rozdílový 3D model ................................................................................. 34
6.
VYHODNOCENÍ ZMĚN..................................................................................... 36
7.
ZÁVĚR .................................................................................................................. 41
SEZNAM LITERATURY ............................................................................................ 42
SEZNAM OBRÁZKŮ .................................................................................................. 45 SEZNAM TABULEK ................................................................................................... 46 SEZNAM PŘÍLOH....................................................................................................... 47
ČVUT v Praze
1. ÚVOD
1. ÚVOD
V současnosti se společnost velmi zajímá o omezení či úplné zastavení důlní činnosti a následné začlenění narušené krajiny zpět do ekosystému. V oblastech dotčených těžbou dochází ke komplexní revitalizaci území a odstranění následků hornické činnosti. Právě takové lokality se týká tato bakalářská práce. Svah Rabenov je součástí bývalého povrchového lomu Chabařovice, který je již několik let předmětem rekultivace. Oblast se nachází západně od Ústí nad Labem. Tato práce se zabývá podrobným výškopisným zaměřením lokality v listopadu 2013 s využitím globálních navigačních satelitních systémů (GNSS) metodou RealTime-Kinematic (RTK) a určením změn v jihozápadní části svahu Rabenov vzhledem k předešlému měření v roce 2009. Cílem práce je zjistit, zda je sledovaná lokalita dostatečně stabilní pro plánované rekultivační projekty. Změny v území jsou znázorněny pomocí rozdílového 3D modelu, do kterého vstupuje nově vytvořený 3D model z GNSS dat a 3D model z roku 2009. Dalšími výstupy této práce jsou výškopisný plán v měřítku 1:750, digitální model povrchu zobrazený pomocí vybraných 3D pohledů a zvolený podélný profil terénu. Měření bylo prováděno ve spolupráci s Katedrou geotechniky Fakulty stavební ČVUT v Praze, která výsledky využije ke zpracování dalších projektů. Dále může být rozdílový 3D model využit Palivovým kombinátem Ústí, s.p., který má na starosti komplexní rekultivaci území v této lokalitě. Obsahem této práce je seznámení s oblastí, s její historií a plánovanou budoucností. Následuje popis měření technologií GNSS pomocí soupravy Trimble GeoXR. Dále je definován pojem digitální model terénu a také popis samotného zpracování výškopisného plánu, rozdílového 3D modelu a tvorba terénního profilu a pohledů v programu Atlas DMT. Závěrečná část je věnována výsledkům práce. V přílohách jsou uvedeny vybrané 3D pohledy, podélný terénní profil řešené oblasti, porovnání podélných terénních profilů mezi léty 2009 a 2013, výškopisný plán v měřítku 1:750 a rozdílový 3D model.
- 9 -
ČVUT v Praze
2. CHARAKTERISTIKA ÚZEMÍ
2. CHARAKTERISTIKA ÚZEMÍ
V této kapitole bylo čerpáno z [1], [2], [5], [6]. Bývalý povrchový lom Chabařovice se nachází ve východní části severočeské hnědouhelné pánve, asi 5 km jihozápadně od města Ústí nad Labem (Obr. 2.1). Ve zbytkové jámě lomu byla realizována hydrická rekultivace, tj. zatopení jámy vodou a vznik umělého vodního díla. V tomto lomu byla poprvé na území ČR provedena hydrická rekultivace o tak velkém rozsahu. Svah Rabenov je částí vnějších výsypek, které se rozkládají jihovýchodně od bývalého dobývacího prostoru lomu (Obr. 2.2). Sledovaná lokalita leží na severní straně kopce Rovný, jehož vrchol se nachází ve výšce 376 m n. m. Předmětem této bakalářské práce je pouze jihozápadní část svahu Rabenov, která leží v nadmořských výškách od 228 do 260 metrů nad mořem a zabírá plochu 2,6 ha.
Obr. 2.1: Výřez mapy se zájmovým územím (zdroj [3])
Obr. 2.2: Letecký pohled na Rabenov s vyznačeným zájmovým územím (zdroj [4]) - 10 -
ČVUT v Praze
2.1
2. CHARAKTERISTIKA ÚZEMÍ
Historie
V oblasti pod Krušnými horami má hornická činnost dlouholetou a bohatou tradici. Historie těžby uhlí výrazně ovlivnila průmyslový vývoj lokality. Důlní činnost na tomto území probíhá od poloviny 19. století. Nejprve těžba probíhala formou hlubinného dobývání, avšak s rostoucí poptávkou byly hlubinné doly vytlačovány povrchovými lomy. Po 2. světové válce bylo v oblasti severočeské hnědouhelné pánve 34 hlubinných dolů a 24 povrchových lomů. Postupem času povrchová těžba stále narůstala, zatímco hlubinné doly zanikaly. Povrchové dobývání v blízkosti sledovaného území zahájil lom Gustav I ve Varvažově r. 1895. Dále byl v r. 1949 zprovozněn lom Gustav II, který byl r. 1958 přejmenován na důl Antonín Zápotocký. V r. 1968 došlo k rozšíření podniku o výrobu tlakového plynu a ke sloučení s Tlakovou plynárnou Úžín. Důl byl pak přejmenován na Palivový kombinát Antonína Zápotockého, národní podnik Úžín. V r. 1977 byl otevřen nový lom Chabařovice. Hlavním důvodem otvírky lomu byl fakt, že vytěžené hnědé uhlí bylo považováno za výjimečně kvalitní vzhledem k malému obsahu síry (0,35 %), právě z tohoto důvodu bylo jeho použití méně náročné pro životní prostředí. Využíváno bylo hlavně Tlakovou plynárnou Úžín a Teplárnou Trmice. Od r. 1991 nese podnik nový název, a to Palivový kombinát Ústí, státní podnik, Ústí nad Labem. V r. 1992 byla z podniku oddělena jako samostatný závod Tlaková plynárna. Lom Chabařovice byl otevřen v r. 1977 s plánem o ukončení činnosti až po vytěžení veškerých uhelných zásob. Těžba byla směrována na sever od Modlanského potoka, kde se rozkládaly méně příkré svahy. Naproti tomu na jižních strmějších svazích byly vytvářeny vnější výsypky lomu (Lochočická, Žichlická). Na několika místech lomu těžbu komplikovala ložiska narušená hlubinným dobýváním a nezavalené důlní prostory. V takových místech hrozilo nebezpečí vzniku požárů, zápar a nebezpečí propadnutí. Podle [1] bylo z lomu Chabařovice vytěženo celkem 61,5 mil. tun nízkosírnatého hnědého uhlí, 9,3 mil. m3 výklizových hmot a 256,1 mil. m3 skrývky. Na základě snahy o zachování města Chabařovice a Ocelárny Chabařovice bylo v r. 1991 Usnesením vlády ČSFR rozhodnuto o zastavení prací v lomu. Již v r. 1994 byla zahájena útlumová etapa. V dubnu r. 1997 pak byla ukončena veškerá těžba, zpracování i odbyt uhlí. Předčasným zastavením těžby bylo v ložisku ponecháno celých - 11 -
ČVUT v Praze
2. CHARAKTERISTIKA ÚZEMÍ
128 mil. tun velice kvalitního uhlí. Poslední technologický celek, který se staral o zasypání zbytkové jámy zeminou dle plánu likvidace, byl zastaven v r. 2000. Jak bylo uvedeno výše, sloužil sledovaný svah Rabenov jako vnější výsypka pro ukládání skrývkové zeminy. Kvůli nevhodným hydrogeologickým podmínkám bylo rozhodnuto, že svah bude podepřen etážemi vnitřní výsypky až do úrovně mezi 255 a 270 m n. m., kdy horní stavba by byla podepřena zemním tělesem a tím by došlo k zajištění sesuvné části svahu. Předčasné ukončení těžby však mělo za následek, že nebyly dosypány etáže ani na náhradní úroveň 215 m n. m., což mělo snížit výšku nezabezpečeného svahu [2]. V oblasti sledovaného území se již na počátku 90. let minulého století objevovaly lokální zátrhy a sesuvy. Příčinou bylo ukládání nesoudržných zemin a zamokření oblasti, které pocházelo od bývalých malých vodárenských objektů, které byly zásobárnami pitné vody pro obec Tuchomyšl. Kvůli omezení činností v lomu nebylo možno řešit problémy se stabilitou svahu báňským způsobem, proto bylo r. 1994 rozhodnuto o jiném řešení sanace a to pomocí stavebních prací. V následujících 5 letech bylo Palivovým kombinátem Ústí, s. p. provedeno mnoho akcí s cílem stabilizovat svah (stavby pro odvodnění území, zakládání stabilizačních žeberních bloků), i přesto však časem došlo k rozvoji svahových pohybů (Obr. 2.3, Obr. 2.4).
Obr. 2.3: Povrchový zátrh (11/2013)
- 12 -
ČVUT v Praze
2. CHARAKTERISTIKA ÚZEMÍ
Obr. 2.4: Detail svahového sesuvu (11/2013)
2.2
Rekultivace a plánované využití území
Ministerstvem životního prostředí ČR byl v dubnu 1999 schválen „Generel rekultivací do ukončení komplexní revitalizace území dotčeného těžební činností PKÚ, s. p.,“ kterým se řídí sanační a rekultivační práce v prostoru bývalého hnědouhelného lomu Chabařovice. Veškeré rekultivační práce se týkají území o ploše cca. 1500 ha. Nejdůležitější otázkou byla likvidace zbytkové jámy lomu. V únoru 1996 byla Ministerstvem průmyslu a obchodu ČR schválena doporučená hydrická rekultivace, tedy napouštění zbytkové jámy vodou. Další možností bylo zasypat zbytkovou jámu do úrovně původního terénu, tato varianta však byla zamítnuta z důvodu velmi vysokých nákladů. Tzv. mokrou variantu dále podpořil fakt, že v krajině tolik let devastované těžbou, je nutné vytvořit doposud zcela chybějící oblasti pro rekreační a sportovní vyžití obyvatelstva. V celé severočeské hnědouhelné pánvi je plánováno 8 takto vzniklých jezer. Lokalita Chabařovice je prvním realizovaným projektem. Velký důraz je kladen na ekologickou a krajinně estetickou funkci. Jezero Milada (dříve označované jako jezero Chabařovice) bylo napouštěno od 15. června 2001 z vodního díla Kateřina, vodou z krušnohorských potoků a vodou z povodí zbytkové jámy. Napouštění jezera bylo dokončeno 8. srpna 2010 (Obr. 2.5). Provozní hladina jezera byla ustálena na kótě 145,7 m n. m., při dosažení této hladiny
- 13 -
ČVUT v Praze
2. CHARAKTERISTIKA ÚZEMÍ
byl objem vody v jezeře 35,601 mil. m3 a rozloha 252,2 ha. Průměrná hloubka jezera je 15 m a maximální hloubka, při úplném naplnění, je 24,7 m [1]. V oblastech přiléhajících k jezeru bude také provedena lesnická rekultivace, a to především na severních a západních svazích. Zalesňování je považováno za základní metodu rekultivace, která je využívána pro svou hydrickou, protierozní, stabilizační a rekreační funkci. Jižní část se bude soustřeďovat na plnění funkce ekologické. Celá lokalita bude samozřejmě komunikačně dostupná, počítá se s veřejnými komunikacemi a cyklostezkami. Sanační práce na problémovém svahu Rabenov byly zahájeny r. 2006 a dokončení je plánováno na rok 2015. Jejich úkolem je zabezpečit geomechanickou stabilitu svahu, aby mohla lokalita sloužit plánovanému účelu, kterým je plnění ekologické funkce. Ve snaze zabránit vzniku zátrhů a lokálních sesuvů bylo vybudováno sedm kotvených pilotových betonových stěn (Obr.
2.6), dále byla
vytvořena odvodňovací zařízení. Došlo také k odběru nestabilních vrstev zeminy a vybudování stabilizačních lavic v patě svahu. Tyto akce však splnily svůj účel pouze z části. V celé oblasti stále dochází ke změnám, nejčastěji lokálním povrchovým zátrhům, které jsou patrné hlavně v jihovýchodní části svahu.
Obr. 2.5: Napouštění Jezera Chabařovice z nádrže Kateřina (zdroj [1])
- 14 -
ČVUT v Praze
2. CHARAKTERISTIKA ÚZEMÍ
Obr. 2.6: Kotvená pilotová betonová stěna – 7/2011 (zdroj [5])
2.3
Místní prostorová síť Rabenov
V rámci grantového projektu GA ČR 103/02/116 „Výzkum a verifikace metod sledování svahových pohybů“ byla r. 2002 vybudována místní prostorová síť Rabenov. Síť byla na počátku tvořena čtyřmi body RAB01 – RAB04 a sloužila pro monitoring posunů stabilizovaných bodů. Bod RAB02 byl inklinometrický vrt, který byl zlikvidován během odtěžení části svahu někdy v období 07/2011 – 11/2013. Bod RAB04 byl umístěn na patce sloupu elektrického vedení, který však byl zrušen. Body RAB01 a RAB03 jsou inklinometrické vrty, které jsou zapuštěny 24 m pod povrch terénu. Hlava vrtu je kryta ocelovým poklopem, který se odstraňuje pouze na dobu nezbytnou pro provedení měření, a lze ji osadit pouze speciálním centračním prvkem. Vnitřek vrtu je přizpůsoben pro geotechnická sledování posunů podloží (Obr. 2.7). Dále jsou součástí místní prostorové sítě geotechnické body Z1 – Z4. Tyto body jsou umístěny vždy po dvojicích na dvou kotvených pilotových stěnách (Obr. 2.8).
Obr. 2.7: Osazený inklinometrický vrt (11/2013)
Obr. 2.8: Geotechnický bod (zdroj [6])
- 15 -
ČVUT v Praze
3. GNSS MĚŘENÍ
3. GNSS MĚŘENÍ
Do této kapitoly bylo čerpáno z [7], [8], [9], [10], [11], [12], [15]. Pod pojmem Globální navigační satelitní systémy (anglický ekvivalent: Global navigation satellite system) si lze obecně představit každou technologii nebo systém pro družicovou navigaci, který umožňuje uživateli určit jeho polohu v jakoukoliv denní dobu kdekoliv na Zemi. Družice mají známé prostorové souřadnice, které jsou proměnné v čase. Pro určení polohy uživatele je využívána pasivní dálkoměrná metoda. Vzdálenosti uživatele od jednotlivých družic jsou určovány pomocí doby potřebné k absolvování této dráhy radiovým signálem vysílaným družicemi [15]. V České republice jsou nejznámější GNSS americký systém NAVSTAR GPS (NAVigation System using Time And Ranging Global Positioning System), ruský systém GLONASS (Globalnaya navigatsionnaya sputnikovaya sistema) a budovaný evropský systém GALILEO. Ve světě jsou používány i jiné systémy, které však mají spíše lokální charakter (Čína, Indie, …). Podle [7] je GNSS formálně dělena na součásti, tzv. segmenty.
Kosmický segment: je tvořen výhradně aktivními umělými družicemi Země. Družice dostupných systémů se od sebe liší počtem, výškou své oběžné dráhy nad povrchem Země, počtem oběžných drah a sklonem k rovníku, dále také rychlostí oběhu a tedy i oběžnou dobou. Každá jednotlivá družice musí být vybavena funkčními přístroji a dalšími systémy, mezi které lze řadit přijímač, vysílač, atomové hodiny, raketové motory pro změnu polohy a solární panely, pomocí kterých získává elektrickou energii.
Řídící segment: je složen z monitorovacích stanic rozmístěných na Zemi. Poloha těchto stanic je známa s vysokou přesností (na centimetry). Jejich úkolem je monitorování a koordinace celého systému, korekce drah a hodin satelitů.
Uživatelský segment: Do této části jsou zahrnuty veškeré GNSS přijímače. V současnosti existuje mnoho typů přístrojů, které lze dělit podle použití na ruční a
- 16 -
ČVUT v Praze
3. GNSS MĚŘENÍ
tzv. geodetické, dále podle počtu přijímaných frekvencí či podle počtu kanálů nebo podle schopnosti využívat kódová měření.
3.1
Použité GNSS systémy
Během měření byla přijímána data současně z družicových systémů NAVSTAR GPS a GLONASS.
NAVSTAR GPS: NAVSTAR (NAVigation System using Time And Ranging) je americký vojenský navigační systém budovaný od 70. let minulého století. Plně funkční od 17. června 1995. Provozovatelem systému je Ministerstvo obrany USA. Systém byl zpočátku vyvíjen hlavně pro potřeby armády, pro navigaci rychle se pohybujících objektů jako jsou letadla, řízené střely a kosmické objekty. V současnosti je k dispozici s určitým omezením i civilnímu sektoru 31 plně funkčních družic. Družice jsou umístěny na šesti oběžných drahách, ve výšce 20200 km nad zemským povrchem, se sklonem k rovníku 55°. Pohybují se rychlostí 11300 km/h a perioda oběhu je 11 hodin 58 minut [7], [8], [9].
GLONASS: Globální navigační satelitní systém provozovaný ruskou armádou, který je s určitým omezením určen i pro civilní uživatele. Systém byl vyvíjen od roku 1972 a v současnosti je funkčních 29 družic. Družice jsou rozmístěny na třech oběžných drahách se sklonem k rovníku 64,8°. Jejich nadmořská výška je zhruba 19100 km s oběžnou dobou 11 hodin 15 minut [7], [8], [10].
3.2
Přístroj a pomůcky
K měření byla použita GNSS aparatura, která se skládá z přijímače Trimble GeoXR (Obr. 3.1) a externí antény Trimble Zephyr Model 2 (Obr. 3.2). Ruční přijímač Trimble GeoXR se ve spojení s polním softwarem Trimble Access stává velmi funkčním a výkonným nástrojem při použití mnohých měřických metod (statická, rychlá statická, RTK = real time kinematic, …). Umožňuje provádět vytyčování, - 17 -
ČVUT v Praze
3. GNSS MĚŘENÍ
mapování a jiné úlohy skrze uživatelsky příjemné rozhraní zajištěné systémem Microsoft Windows Mobile 6.5. Dále disponuje nepřetržitým přístupem k internetu, který je zajišťován pomocí mobilních operátorů přes SIM kartu v přijímači. Kontrolér je také vybaven 220 kanálovým GNSS čipem, který mu umožňuje sledovat družice systému NAVSTAR GPS i systému GLONASS. Hmotnost přijímače pod 1 kilogram včetně baterie zaručuje snadnou manipulaci při měření. Výdrž baterie je výrobcem stanovena na 10 hodin GNSS měření, samotná baterie je snadno vyměnitelná bez nutnosti vypnutí přístroje nebo ukončení práce v nastaveném režimu. Přijímač a anténa jsou připevněny k výtyčce a jejich vzájemnou komunikaci zajišťuje 1,5 m anténní kabel, který je součástí standardního příslušenství soupravy [11].
Obr. 3.2: Anténa Trimble Zephyr Model 2 (zdroj [13])
Obr. 3.1: GNSS přijímač Trimble GeoXR (zdroj [11])
3.3
Metoda podrobného měření
Při měření byla použita metoda RTK (Real Time Kinematic), která využívá fázová měření. Metoda je založena na současném měření dvou stanic, referenční pevné stanice na bodě o známých souřadnicích a pohyblivé stanice (rover), která slouží k určení nových bodů. Mobilní GNSS aparatura kromě vlastních dat ze satelitů přijímá i korekční data, která jsou nutná pro přesné určení polohy. V tomto měření bylo využito korekčních dat sítě CZEPOS. Tato data jsou opravy chyb z atmosféry a hodin satelitu a jsou získána na základě známé polohy referenční stanice. Korekční data mezi
- 18 -
ČVUT v Praze
3. GNSS MĚŘENÍ
přijímačem a referenční stanicí mohou být přenášena pomocí rádia nebo, jako v této práci, s využitím internetového přenosu. Nespornou výhodou této metody je schopnost získat přesné souřadnice v reálném čase díky speciálnímu softwaru pro jejich výpočet.
3.3.1 Síť permanentních stanic CZEPOS Síť permanentních stanic CZEPOS je k dispozici na celém našem území. Je spravována a provozována Zeměměřickým úřadem jako součást geodetických základů České republiky. Je možno ji využít všemi uživateli, kteří jsou registrováni, k určení polohy pevného bodu či pohybujícího se stanoviště v reálném čase. Služby a produkty CZEPOS jsou zpoplatněny a nacházejí využití v mnoha oborech lidské činnosti (jako jsou doprava, stavebnictví, energetika, hydrologie a v neposlední řadě též zeměměřictví a katastr nemovitostí). Nyní je na území České republiky rovnoměrně rozmístěno 28 permanentních stanic, které jsou ve vzdálenostech cca. 60 km. 23 z nich se nachází na budovách katastrálních pracovišť a spadá pod CZEPOS. Zbylých 5 externích stanic je ve správě vědeckých a akademických pracovišť (Obr. 3.3).
Obr. 3.3: Přehled instalovaných stanic sítě CZEPOS (zdroj [12]) K příjmu služeb a produktů sítě je nutné mobilní internetové připojení. CZEPOS nabízí celkem tři kategorie služeb, DGPS (diferenční GPS), RTK a VRS (virtuální
- 19 -
ČVUT v Praze
3. GNSS MĚŘENÍ
referenční stanice). U služeb z kategorie DGPS jsou uživatelům zasílána data z předem zvolené referenční stanice a postačí zde relativně levný a jednoduchý přijímač, který umožňuje pouze kódová měření. Naopak služby z kategorie RTK a VRS vyžadují použití aparatury, která je schopná přijímat a zpracovávat měření fázová. Kategorie RTK využívá korekční data z jedné předem zvolené referenční stanice, přesnost měření pak klesá v závislosti na rostoucí vzdálenosti od stanice. V tomto měření bylo využito služby kategorie VRS, kde je využíván výpočet korekcí pomocí tzv. síťového řešení, tedy výpočet z více stanic CZEPOS. Výpočet je proveden pro virtuální stanici, kterou systém automaticky umístí do lokality, v níž se uživatel právě nachází. Byla využita služba VRS3-MAX-GG, která generuje virtuální referenční stanici (výpočet probíhá zpravidla z 6 nejbližších okolních stanic) s korekcemi GPS+GLONASS. Služba poskytuje centimetrovou přesnost.
3.4
Postup měření
Měření proběhlo dne 7. 11. 2013. Pro zmapování území o ploše 2,6 ha bylo určeno 452 bodů. Tato činnost byla prováděna jedním měřičem téměř 7 hodin. Hlavním předmětem měření byly svahové sesuvy a zátrhy (Obr. 3.4), odvodňovací příkopy (Obr. 3.5), kamenité odvodňovací pásy (Obr. 3.6) a opěrné betonové stěny. Souřadnice všech bodů byly určovány v systému S-JTSK a Bpv (Příloha č. 1).
Obr. 3.5: Odvodňovací příkop (11/2013)
Obr. 3.4: Svahový sesuv (11/2013)
- 20 -
ČVUT v Praze
3. GNSS MĚŘENÍ
Obr. 3.6: Odvodňovací pás (11/2013) Podrobné body byly voleny na význačných čarách (hřbetnice, údolnice) a bodech (vrcholy kup, dna prohlubní) terénní kostry a všude tam, kde se mění sklon terénu. Mapování příkopů bylo prováděno v profilu třemi body (2 na horní hraně a 1 na dně příkopu). V nečlenitém terénu byly body řazeny do čtvercové sítě o vzdálenostech 10 – 15 m. Volba podrobných bodů pro mapování zátrhů a svahových sesuvů probíhala tak, aby při pozdější modelaci bylo možné snadno vytvořit souvislé uzavřené objekty. Před začátkem, během a také po ukončení měření bylo nutno ověřit funkčnost GNSS aparatury a správnost zasílaných korekcí. Dělo se tak kontrolním měřením na bodech prostorové sítě Rabenov (RAB03, Z1, Z2). K porovnání uvedenému v tabulce (Tab. 3.2) byla použita data z poslední etapy GNSS měření 07/2011 [14], jejichž přehled je uveden v tabulce (Tab. 3.1). Tab. 3.1: Souřadnice prostorové sítě Rabenov v 07/2011 (zdroj [14]) Bod
YS-JTSK [m]
XS-JTSK [m]
ZBpv [m]
RAB03
766815,303
977793,023
255,018
Z1
766653,858
977749,429
242,049
Z2
766654,157
977750,048
242,059
- 21 -
ČVUT v Praze
3. GNSS MĚŘENÍ
Tab. 3.2: Porovnání kontrolního měření se souřadnicemi z 07/2011 Prostorové souřadnice 7.11.2013 [m]
Bod
Rozdíly [mm]
Čas
YS-JTSK
XS-JTSK
ZBpv
Y
X
Z
[hod]
RAB03
766815,295
977793,024
255,053
8
-1
- 35
11:00
Z1
766653,888
977749,493
241,973
- 30
- 64
76
11:13
Z2
766654,164
977750,111
241,984
-7
- 63
75
11:12
Z1
766653,873
977749,448
241,991
- 15
- 19
58
13:23
Z2
766654,182
977750,065
242,018
- 25
- 17
41
13:22
RAB03
766815,314
977793,018
254,969
- 11
5
49
17:07
Z1
766653,880
977749,444
241,991
- 22
- 15
58
17:18
Z2
766654,167
977750,059
241,990
- 10
- 11
69
17:18
V následující tabulce (Tab. 3.3) je uvedeno porovnání jednotlivých souřadnic z měření 11/2013 s jejich průměrem. Tab. 3.3: Porovnání souřadnic prostorové sítě Rabenov s jejich průměrem (7.11.2013) Prostorové souřadnice - průměr [m]
Bod
RAB03
Z1
Z2
YS-JTSK
XS-JTSK
ZBpv
766815,305
977793,021
255,011
766653,880
766654,171
977749,462
977750,078
241,985
241,997
Rozdíly [mm]
Čas
Y
X
Z
[hod]
10
-3
- 42
11:00
-9
3
42
17:07
-8
- 31
12
11:13
7
14
6
13:23
0
18
6
17:18
7
- 33
13
11:12
- 11
13
- 21
13:22
4
19
7
17:18
Tímto porovnáním bylo zjištěno, že odchylky od průměru nepřesáhly hodnotu 5 cm, a lze proto předpokládat, že zasílané korekce byly během celého měření správné.
- 22 -
ČVUT v Praze
4. DIGITÁLNÍ MODELY TERÉNU
4. DIGITÁLNÍ MODELY TERÉNU
Do této části bylo čerpáno z [16], [17], [18], [19]. Zemský povrch je velmi nepravidelný a má komplikovaný průběh. Hladký zemský povrch je modelován pomocí přírodních jevů, a proto lze snadněji matematicky modelovat. Obtížnější pro matematické modelování je tzv. ostrý povrch, který je tvořen činností člověka (zlomy, hrany, stupně, …). V počítačovém prostředí lze reálný povrch vyjádřit pomocí digitálního modelu terénu, který je výsledkem prostorového (3D) modelování. Pozorovatelem je tak získán přehled o zájmovém území, které lze snadno vizualizovat a analyzovat. Termín digitální model terénu (DMT) je používán jako obecný pojem zahrnující různé reprezentace a koncepce reliéfů a povrchů. Prostorové modely zemského povrchu lze podle [16] rozdělit takto:
Digitální model reliéfu: Tento model představuje digitální reprezentaci průběhu topografické plochy georeliéfu. Neobsahuje však žádné prvky, které jsou přírodního původu či výsledkem lidské činnosti (stromy, budovy, apod.). Uplatnění nachází v hydrologických analýzách, v geologii nebo geografii. (anglický ekvivalent: Digital Terrain Model)
Digitální model povrchu: Digitální model povrchu je vlastně zvláštním případem digitálního modelu reliéfu, který je však doplněn o prvky přírodního a antropogenního původu (stromy, mosty, budovy, apod.). Je využíván pro modelování krajiny a měst. Dále nachází uplatnění při vizualizacích, analýzách viditelností apod. (anglický ekvivalent: Digital Surface Model)
Digitální výškový model: Tento model je v podstatě digitální model reliéfu, který pracuje výhradně s nadmořskými výškami. Nadmořské výšky jsou vztaženy k rovinným nebo zeměpisným souřadnicím. (anglický ekvivalent: Digital Elevation Model)
- 23 -
ČVUT v Praze
4. DIGITÁLNÍ MODELY TERÉNU
Pojem digitální model terénu bude uváděn i v dalším textu, pokud nenastane nutnost specifikovat typ modelu.
4.1
Zdroje dat pro tvorbu DMT
Podklady pro tvorbu prostorových modelů lze získat z různých zdrojů a za použití rozdílných metod. Tyto metody je možné podle [19] dělit takto:
Přímé metody: Jejich použitím jsou získána přímo měřená (tzv. primární) data. Tyto metody se ještě dělí na kontaktní a bezkontaktní. Je-li měřeno přímo na každém jednom bodě, jedná se o kontaktní způsob měření, které poskytuje velmi přesné určení polohy a výšky pomocí geodetických měření (tachymetrie, nivelace) nebo metodou GNSS jako v této práci. Do bezkontaktního způsobu měření je pak zařazováno vyhodnocení fotogrammetrických snímků a laserové skenování.
Nepřímé metody: Zde je využíváno odvození podkladových dat z řady existujících zdrojů. Nejčastěji se jedná o digitalizaci vrstevnicového plánu, který je zakreslen na analogové mapě.
4.2
Typy terénních modelů
Terénní plocha je reprezentována elementárními plochami, které se vzájemně stýkají ve vrcholech a na hranách. Vzhledem k druhu těchto ploch lze terénní modely dělit podle [17] na tyto typy:
Polyedrický model: Elementární plochy jsou nepravidelné rovinné trojúhelníky, které mají společnou nejvýše jednu hranu. Je tak vytvořen nepravidelný mnohostěn (tzv. polyedr), který se přimyká k terénu. Vrcholy těchto trojúhelníků jsou souřadnicově určené body na terénní ploše, které jsou zpravidla pořízeny terestrickým měřením. Hustota bodů není na celém území stejná. Větší počet bodů na jednotku plochy je situován tam, kde je terén členitější. Interpolace je většinou
- 24 -
ČVUT v Praze
4. DIGITÁLNÍ MODELY TERÉNU
prováděna lineárně v trojúhelnících Tento druh modelu využívá i použitý program Atlas DMT (Obr. 4.1).
Obr. 4.1: Polyedrický model (zdroj [16])
Rastrový model: Tento typ modelu je tvořen pravidelnými ploškami se společnými
hranami,
které
představují
zborcené
čtyřúhelníky nad
oky
pravidelného rastru. Mezi hlavní rysy tohoto modelu je možno řadit konstantní rozestupy mezi body a snadnou manipulaci s buňkami rastru. Vrcholy nebývají přímo měřené, ale jsou určeny výpočetním postupem. Volba bodů tak není přizpůsobena skutečnému tvaru terénu. Obecně lze uvést, že rastrový model většinou poskytuje horší výsledky než model předchozí (Obr. 4.2).
Obr. 4.2: Rastrový model (zdroj [16])
Plátový model: Zde je povrch rozdělen na nepravidelné křivé pláty trojúhelníkového nebo čtyřúhelníkového tvaru a hranice mezi pláty mohou být ostré či hladké. Vyhlazení modelu je prováděno právě v místech, kde je hladký i
- 25 -
ČVUT v Praze
4. DIGITÁLNÍ MODELY TERÉNU
reálný terén. Plátový model je považován za nejvíce se podobající reálnému stavu, ale vzhledem ke své výpočetní složitosti není příliš využíván (Obr. 4.3).
Obr. 4.3: Plátový model (zdroj [16])
4.3
Nepravidelná trojúhelníková síť
V této bakalářské práci je zdroj dat pro tvorbu DMT reprezentován souborem měřených prostorových souřadnic X, Y, Z, které byly voleny s ohledem na tvar terénu. Došlo tak k tvorbě polyedrického modelu. Z množiny vstupních bodů se generuje nepravidelná trojúhelníková síť (TIN = Triangular Irregular Network). Výsledkem jsou trojúhelníkové plošky, které se velmi dobře přimykají reálnému terénu. Datový model TIN je plně definovaným a spojitým modelem terénu. V místech změny sklonu terénu je možno vkládat povinné spojnice bodů, které slouží k odstranění nepřirozeností vzniklých z matematického výpočtu. Body jsou zde uloženy spolu s příslušnou nadmořskou výškou. Každý trojúhelník obsahuje informaci, ze kterých hran je složen a současně každá hrana obsahuje informaci o tom, kterými body je definována. Uvnitř těchto trojúhelníků jsou realizovány veškeré výpočty a interpolace. Metoda tvorby TIN se nazývá triangulace. Jedním z jejích požadavků je produkce trojúhelníků, které jsou co nejvíce rovnostranné a jejich strany jsou co nejkratší. Podle [19] je pro konstrukci TIN vhodná například tzv. Delaunayho triangulace. Principem tohoto algoritmu je přezkoumání, zda uvnitř kružnice proložené třemi body leží ještě další bod. Pokud ano, jsou zvoleny jiné tři body. Pokud nikoliv, je z těchto bodů vytvořen trojúhelník.
- 26 -
ČVUT v Praze
5. ATLAS DMT
5. ATLAS DMT
Do této části bylo využito [6], [20]. Program Atlas DMT je produktem české firmy ATLAS spol. s.r.o., která se zabývá vývojem software pro modelování a zobrazování terénu. Základem programu je schopnost zpracování výškopisných dat. Tento produkt lze označit za aplikaci typu CAD, která je navíc vybavena službami, které jsou nedostupné v jiných grafických systémech. Ve vývojovém prostředí programu se pracuje s grafickými výkresy (tzv. dokumenty). V rámci jednoho dokumentu pak lze kresbu libovolně rozmístit na několik listů. Základem každého vytvořeného dokumentu jsou prvky, které jsou označovány jako objekty. Veškeré objekty, které jsou obsaženy v dokumentu, jsou uspořádány ve stromové struktuře. Tato stromová struktura je velmi podobná struktuře adresářů na disku počítače, proto je pro uživatele snadno chápatelná a velmi přehledná. Nezávisle na stromové struktuře je možné objekty řadit do různých hladin (vrstev). V dokumentu vždy existuje základní hladina, do které jsou objekty primárně vkládány. Každá nově vytvořená hladina musí mít jednoznačné pojmenování. Výhodou řazení objektů do hladin je možnost jejich společné správy (určení grafických atributů, uzamčení polohy objektů nebo přepínání viditelnosti). DMT je zde chápán jako prostorová plocha, která se v závislosti na kvalitě vstupních dat více či méně podobá skutečnému nebo projektovanému terénu. Vzniká na základě 3D bodů, čar a ploch. Mimo ně se dopočítává dle matematických vzorců, které nejsou založeny na lineární interpolaci, ale existuje zde snaha o vytvoření hladkého terénu. Tam, kde se nevyskytuje hladký terén, jsou uživatelem vkládány terénní hrany. Nad DMT probíhají všechny výpočty během práce s programem (terénní profily - řezy, kubatury, vrstevnice, …), proto musí být vždy vypočten a připojen. Firma Atlas spol. s.r.o. vytvořila nad DMT několik užitečných profesních aplikací, které je možno využít zejména v projektování liniových staveb, venkovních rozvodů, pro analýzu tvaru terénu, těžební a geologickou činnost nebo v oblasti geodézie a kartografie. V této práci byl použit program Atlas DMT verze 4. 20. 8.
- 27 -
ČVUT v Praze
5.1
5. ATLAS DMT
Příprava modelu
Jak bylo uvedeno výše, je základní schopností programu zpracovávat výškopisná data, která mohou být uložena v textových souborech či ve výkresu formátu DXF. Vstupními daty pro toto zpracování byla data získaná GNSS měřením, tedy v textovém formátu seznamu souřadnic podrobných bodů (Příloha č. 2). Atlas DMT pak ze zadaných bodů generuje TIN (více informací je uvedeno v kapitole 4.3 Nepravidelná trojúhelníková síť). Spojnice bodů v této síti jsou nazývány hrany DMT. Před samotnou editací modelu je nutno vhodně nastavit pracovní prostředí. Byly zobrazeny pracovní vrstevnice a všechny typy hran, které jsou barevně rozlišeny. Během editace je dobré se vyhnout změně polohy a výšky bodů a také není vhodné body mazat či přidávat. Tyto změny modelu by pak vedly k nepravdivému zobrazení terénu. Výhodou pracovního prostředí Atlasu je bezprostřední reakce na jakoukoliv změnu provedenou uživatelem. První nutnou úpravou je definování obalu modelu, který musí být určen z výpočetních důvodů. DMT totiž musí být konvexní (tedy bez tzv. zálivů), aby nedocházelo k použití částí, které by znehodnotily výsledky. Program většinou obalové části sám správně rozezná, ale někdy nastává nutnost ruční úpravy. Nad obalem modelu neprobíhají žádné výpočty, nekreslí se zde vrstevnice ani nepočítají kubatury. Jak bylo uvedeno výše, model je programem primárně vytvářen jako hladká plocha. Pokud se v terénu vyskytují ostré zlomy, je nutno zavést do modelu terénní hrany. Tyto hrany jsou pak nazývány povinné spojnice, které je možné podle [20] dělit na tyto typy:
Povinné: tyto hrany nevytváří ostré zlomy, používají se pro zvýraznění oblých hřebenů nebo údolí.
Lomové: jsou vůbec nejpoužívanější terénní hrany. Způsobí ostrý zlom v kolmém směru, podél hrany pak bude terén vyhlazen. Používají se pro modelaci příkopů, okrajů vozovek, hran navážek a výkopů.
- 28 -
ČVUT v Praze
5. ATLAS DMT
Přímé: úsečky ve 3D, které jsou vhodné pro modelování umělých tvarů, kde je třeba docílit rovných ploch (základová jáma, …).
Ostrovní: tato hrana nachází využití u staveb. Je hranou lomovou a také označuje hranu tzv. ostrova, tedy prostoru, ve kterém se nevyhodnocují vrstevnice. Dále je možno do modelu přidat stavbu. Pro tento účel Atlas využívá uzavřených
polygonů, které se přimykají na již existující body nebo je možno vést polygon libovolnými body, kterým však musí být přiřazena výška. Od takového polygonu se pak spouští svislé stěny směrem k terénu. Aby model stavby zůstal souvislý, musí být ještě vytvořena střecha. Dalším krokem editace je rozlišení částí modelu. Body, hrany i plošky (trojúhelníky) jsou v Atlasu opatřeny „prioritou,“ atributem, který umožňuje rozlišovat části DMT. Podle těchto priorit se přiřazují barvy, ovlivňuje viditelnost apod. Po těchto editacích lze DMT ještě dále upravovat (Obr. 5.1). Můžeme vytvářet 3D pohledy, terénní řezy a výkresy.
Obr. 5.1: Pracovní prostředí Atlasu DMT při editaci
- 29 -
ČVUT v Praze
5.2
5. ATLAS DMT
Generace 3D modelu
S upraveným modelem lze dále provádět různé vizualizační procedury. Tato část bude věnována tvorbě výškopisného plánu, vytváření 3D pohledů a terénního profilu. V závěru kapitoly bude také zmíněna tvorba rozdílového modelu.
5.2.1 Výškopisný plán Základem výškopisného plánu je zobrazení vrstevnic, které jsou vypočteny z trojúhelníkové sítě. Konečnou podobu vrstevnic je možné ovlivnit nastavením parametrů při výpočtu. Hlavní parametry, které byly nastavovány:
Výška vrstvy [m]: udává vzdálenost dvou sousedních hladin pro výpočet vrstevnic, tj. krok vrstevnic. Zde byla nastavena hodnota 1 m.
Torzní korekce: je-li nastavena, jsou propojovány střední body jednotlivých úseček, které vzniknou při výpočtu nad trojúhelníkovou sítí. Torzní korekce byla při výpočtu použita, a proto došlo k eliminaci „zazubení“ vrstevnic.
Počet dílků: udává jemnost dělení trojúhelníků sítě při výpočtu hladkých vrstevnic v rozsahu od 1 do 63, v tomto případě byla nastavena hodnota 10.
Limitní odchylka: nenulová limitní odchylka zajišťuje vypuštění bodů na vrstevnici, které nejsou od výsledné vrstevnice vzdáleny více, než povoluje zadaná hodnota (v této práci je to hodnota 0.01 m). Takto připravený výkres je nutno doplnit o prvky polohopisu, které jsou
vytvářeny pomocí objektů typu úsečka, polygon, text, šrafa, severka a jiné. Během tvorby byly objekty řazeny do hladin z důvodu přehlednosti výkresu a viditelnosti prvků. Výsledný výškopisný plán byl vytisknut v měřítku 1:750 a je součástí příloh (Příloha č. 3).
- 30 -
ČVUT v Praze
5. ATLAS DMT
5.2.2 3D pohledy Z pracovního prostředí Atlasu lze spustit samostatný program POGLedy, který umožňuje DMT prohlížet ve 3D. Tento program je vybaven řadou užitečných funkcí. Nejprve je nutné v programu Atlas otevřít menu pro pohledy na model terénu. Pro určení půdorysné polohy stanoviště kamery a cíle pohledu je potřeba určit modelovou úsečku v půdorysu. Nejsnadnější způsob je zvolení již existující úsečky nebo lze požadovanou úsečku jednoduše vytvořit. Před otevřením pohledu je zvolen projekt pohledu jako stejnojmenný s dokumentem Atlasu z důvodu zobrazování 3D objektů, v tomto případě betonových stěn. Jako první je zobrazen pouze základní pohled na terén v šedé škále, který má stupeň vyhlazení 1 (Obr.
5.2). Vyhlazení terénu probíhá v rámci jednotlivých
trojúhelníků, které jsou děleny na řadu dílčích trojúhelníků, ve kterých je určována výška.
Obr. 5.2: Digitální model reliéfu se stupněm vyhlazení 1
Obr. 5.3: Digitální model reliéfu se stupněm vyhlazením16
Pro toto relativně malé území byl zvolen maximální stupeň vyhlazení, tedy 16 (Obr. 5.3). Strana původního trojúhelníku byla tedy rozdělena na 16 dílů, z nových bodů jsou pak vedeny rovnoběžky se zbývajícími dvěma stranami. V každém původním trojúhelníku je tedy vytvořeno 256 nových trojúhelníků (druhá mocnina stupně vyhlazení).
- 31 -
ČVUT v Praze
5. ATLAS DMT
Dále je vhodné zobrazit umělé objekty a podstavec, který uživateli dává lepší přehled o převýšení modelu. Přidáním opěrných zdí se z digitálního modelu reliéfu stává digitální model povrchu. Ke snadné identifikaci svahových sesuvů, zátrhů a kamenitých odvodňovacích pásů byly využity dříve přiřazené priority vybraným trojúhelníkům, kterým byla dána různá barva tak, aby co nejvíce připomínaly reálný stav (Obr. 5.4). Vybrané 3D pohledy jsou uvedeny jako přílohy (Příloha č. 4, Příloha č. 5).
Obr. 5.4: Digitální model povrchu – pohled ze severozápadu
5.2.3 Terénní profil Do pracovního prostředí Atlasu, ve kterém se nachází model, je nejprve nakreslena trasa budoucího profilu pomocí objektu polygon (Obr. 5.5). Při vložení polygonu je důležité zaškrtnout použití modelové souřadné soustavy, aby bylo možno podle vloženého polygonu generovat terénní profil. Trasa podélného profilu byla vedena místy s největším spádem (podél odvodňovacích příkopů a kamenitých pásů). Přehled prostorových souřadnic lomových bodů podélného profilu je uveden v následující tabulce (Tab. 5.1) Pro automatické vytvoření profilu se používá program Řezy, který je vytvořen jako nadstavba programu Atlas DMT. Řez je umístěn do nového listu dokumentu, upraven a doplněn o popisné prvky (Příloha č. 6, Příloha č. 7).
- 32 -
ČVUT v Praze
ATLAS DMT
Tab. 5.1: Lomové body podélného profilu Bod
Prostorové souřadnice [m] Y
X
1
766810,186
977878,950
2
766789,012
977858,933
255,584
3
766783,236
977852,745
254,465
4
766777,909
977847,025
253,455
5
766772,326
977841,116
252,645
6
766768,276
977836,504
251,933
7
766764,332
977824,312
251,362
8
766758,391
977797,165
248,320
9
766753,380
977776,263
246,226
10
766753,148
977769,564
245,753
11
766757,368
977760,625
245,161
12
766768,614
977744,235
242,843
13
766769,248
977742,804
242,762
14
766770,494
977741,822
242,958
15
766774,230
977740,494
242,482
16
766768,845
977711,611
238,969
17
766768,139
977709,604
238,711
18
766766,877
977707,958
238,298
19
766762,604
977700,991
236,640
20
766757,863
977695,583
235,586
21
766752,599
977687,080
233,737
22
766748,067
977682,215
232,862
23
766744,410
977678,002
231,773
24
766740,989
977672,611
230,815
25
766737,766
977668,485
230,055
26
766732,554
977656,576
- 33 -
Z
ČVUT v Praze
ATLAS DMT
Obr. 5.5: Vedení podélného profilu sesuvným územím
5.2.4 Rozdílový 3D model Rozdílový model je vytvořen jako nový digitální model pomocí funkce „Prolínání dvou sítí.“ Vstupem do této funkce jsou dva různé digitální modely téhož území (Model 1, Model 2), mezi kterými jsou zjišťovány změny (Obr. 5.6). Výsledný model popisuje pouze oblast, ve které leží vstupní modely půdorysně na sobě, protože
- 34 -
ČVUT v Praze
ATLAS DMT
pouze v této části je možné zjistit jejich diference. Zbytek plochy je pak brán jako obal modelu a není tedy vyhodnocován.
Model 1: Digitální model povrchu zpracovaný v této bakalářské práci.
Model 2: Byl využit digitální model povrchu z [6], který byl měřen 18.4.2009 klasickou prostorovou polární metodou v souřadnicovém systému S-JTSK a výškovém systému Balt po vyrovnání. Výchozím podkladem pro zaměření terénu byla místní prostorová sledovací síť Rabenov (Rab01 – Rab03), kde body byly určeny GNSS metodou v srpnu 2008. Výsledný rozdílový 3D model je zhodnocen v následující kapitole.
Obr. 5.6: Orientační náhled na vstupní modely (vlevo Model 1)
- 35 -
ČVUT v Praze
VYHODNOCENÍ ZMĚN
6. VYHODNOCENÍ ZMĚN
V této části bylo použito [20], [21]. Nastalé změny v jihozápadní části svahu Rabenov v období 2009 – 2013 jsou nejlépe vidět v rozdílovém 3D modelu, který je vyjádřením výškových odchylek vstupních modelů (Příloha č. 8). Výpočtem v programu Atlas byly stanoveny výškové diference mezi novým modelem (Model 1) a modelem z roku 2009 (Model 2). Výškové odchylky modelů nabývají kladných i záporných hodnot. Hodnoty mezi zjištěnými extrémy byly rozděleny do šestnácti intervalů. Kladným hodnotám byly přiděleny odstíny zelené barvy a záporným odstíny hnědé (Obr. 6.1).
Obr. 6.1: Intervaly rozdílového modelu Kladné hodnoty výškových odchylek znamenají zvýšení objemu zeminy (větší nadmořské výšky v lokalitě) v období mezi léty 2009 až 2013. Naopak záporné hodnoty značí úbytek hmoty v zájmové lokalitě ve stejném časovém období. Intervaly nesoucí - 36 -
ČVUT v Praze
VYHODNOCENÍ ZMĚN
bílou barvu označují prostor, ve kterém nelze jednoznačně určit, zda došlo ke změnám nebo
posunům
hmoty
v území,
z důvodu
přesnosti
použitého
problematičnosti určení přesné výšky v blátivém terénu (Obr. 6.2).
Obr. 6.2: Rozdílový model - 37 -
přístroje
a
ČVUT v Praze
VYHODNOCENÍ ZMĚN
Dále byly vypočteny objemy zeminy, které byly v oblasti přesunuty v období mezi provedenými měřeními. Program Atlas počítá objem prostorového útvaru, který je omezen hlavním (Model 1) a srovnávacím (Model 2) modelem terénu. Při výpočtu je celá oblast rozdělena do pomocných trojúhelníků. Nad každým pomocným výpočtovým trojúhelníkem je stanoven objem hranolu omezeného výškami hlavního a srovnávacího terénu ve vrcholech tohoto trojúhelníka. Výsledkem programu jsou hodnoty kladné a záporné části objemu celé oblasti. Dílčí objemy v místech, kde hlavní terén leží výš než terén srovnávací, jsou zahrnuty do kladné části a naopak objemy z oblasti, kde srovnávací terén převyšuje hlavní terén, jsou připočteny k části záporné [20]. V následující tabulce je uveden kladný (V+) a záporný (V-) objem celé oblasti (Tab. 6.1). Celkově lze zhodnotit, že v lokalitě je vyrovnaná objemová bilance a nebyl odvezen ani navezen jiný materiál a došlo pouze k přesunu hmoty v prostoru. Tab. 6.1: Dílčí objemy rozdílového modelu Část objemu
Objem [m3]
V+
3797,30
V-
- 3859,77
Změny v zájmové lokalitě lze také pozorovat na bodech prostorové sítě (Rab03, Z1, Z2) a opěrných zdech, které byly předmětem měření jak v roce 2009, tak i v roce 2013. K porovnání byly použity body, které byly měřeny v horních rozích zdí. Systém označení bodů je patrný z níže uvedeného obrázku (Obr. 6.3).
Obr. 6.3: Označení kontrolních bodů na opěrných zdech
- 38 -
ČVUT v Praze
VYHODNOCENÍ ZMĚN
Podle [21] spadá výsledná mapa vytvořená v této práci mezi 2 a 3 třídu přesnosti. Zařazení do třídy přesnosti vyplývá z měřítka tematické mapy, v tomto případě se jedná o měřítko 1:750. Pro každou třídu přesnosti jsou stanoveny hodnoty střední souřadnicové chyby (
) a střední výškové chyby (
), jejich přehled je
uveden v tabulce (Tab. 6.2). Tab. 6.2: Střední souřadnicové a výškové chyby (zdroj [21]) Třída přesnosti
[m]
2
0,08
0,07
3
0,14
0,12
Odchylky dosažené při měření ( mezní odchylky (
[m]
v poloze,
ve výšce) nesmí přesáhnout
ve výšce), které jsou stanoveny jako
v poloze,
dvojnásobek příslušných středních chyb. Přehled mezních odchylek je uveden v následující tabulce (Tab. 6.3). Souřadnice bodů a dosažené odchylky jsou shrnuty v další tabulce (Tab. 6.4). Model 1 byl zaměřen 7.11.2013 a model 2 byl zaměřen 18.4.2009. Tab. 6.3: Mezní odchylky Třída přesnosti
[mm]
[mm]
2
160
140
3
280
240
- 39 -
ČVUT v Praze
VYHODNOCENÍ ZMĚN
Tab. 6.4: Dosažené odchylky mezi identickými body z porovnávaných modelů Prostorové souřadnice [m] Model Model 1 Model 2 Model 1 Model 2 Model 1 Model 2 Model 1 Model 2 Model 1 Model 2 Model 1 Model 2 Model 1 Model 2 Model 1 Model 2 Model 1 Model 2 Model 1 Model 2 Model 1 Model 2
Bod
RAB03
Z1
Z2
1
2
3
4
5
6
7
8
YS-JTSK
XS-JTSK
ZBpv
766815,305
977793,021
255,011
766815,280
977793,040
255,070
766653,880
977749,462
241,985
766653,860
977749,470
242,070
766654,171
977750,078
241,997
766654,150
977750,070
242,080
766720,415
977707,798
239,252
766720,440
977707,840
239,370
766719,834
977707,053
239,247
766719,844
977707,111
239,330
766700,955
977720,203
239,310
766701,035
977720,195
239,410
766701,479
977720,991
239,306
766701,480
977721,050
239,410
766695,209
977728,603
240,546
766695,200
977728,600
240,640
766694,558
977727,889
240,536
766694,537
977728,014
240,650
766677,324
977742,915
240,590
766677,446
977742,943
240,660
766677,520
977743,200
240,592
766677,840
977743,570
240,680
Rozdíly [mm] Y
X
25
- 19
31
- 59
20
-8
22
- 85
21
8
22
- 83
- 25
- 42
49
- 118
- 10
- 58
59
- 83
- 80
8
80
- 100
-1
- 59
59
- 104
9
3
9
- 94
21
- 125
127
- 114
- 122
- 28
125
- 70
- 320
- 370
489
- 88
Z=
Podle výše uvedených tabulek je zřejmé, že dosažené odchylky nepřesáhly mezní odchylky a mapové podklady lze charakterizovat 2. třídou přesnosti tematických map. Jedinou výjimkou je bod č. 8, kde byla překročena mezní souřadnicová odchylka. Důvodem bylo částečné zahrnutí bodu půdou, ke kterému došlo mezi měřeními a nejednoznačností určení bodu.
- 40 -
ČVUT v Praze
ZÁVĚR
7. ZÁVĚR
Lom Chabařovice je první lokalitou, ve které se po ukončení těžby dostaly sanační a rekultivační práce až k napouštění zbytkové jámy vodou. Tato modelová lokalita je bedlivě sledována také proto, aby získané poznatky mohly být využity při rekultivačích činnostech u dalších 7 zbytkových jam v severočeské hnědouhelné pánvi. Veškeré práce probíhající v lokalitě mají za cíl minimalizovat důsledky hornické činnosti v oblasti a stabilizovat svahy. Fakulta stavební ČVUT v Praze provádí v lokalitě měření od roku 2003. Hlavním úkolem je monitoring svahových sesuvů a polohy bodů místní prostorové sítě Rabenov. V dubnu 2009 v rámci 13. sledovací etapy byl zaměřen podklad pro digitální model terénu, který byl použit jako vstup pro tvorbu rozdílového modelu. Druhým vstupem byl digitální model povrchu, jehož podkladem byly body, které byly zaměřeny s využitím globálních navigačních satelitních systémů (GNSS) metodou Real-TimeKinematic (RTK) v listopadu 2013. Cílem této práce bylo určení změn a posunů v jihozápadní části sledovaného sesuvného svahu Rabenov. Výše uvedená data byla využita k vytvoření rozdílového modelu, který dokumentuje změny v terénu mezi dubnem 2009 a listopadem 2013 a výškopisného plánu v měřítku 1:750. Hlavním důvodem sledování svahu byla snaha zjistit, zda je dostatečně stabilní pro budoucí nejen stavební činnosti. Z rozdílového modelu je patrné, že objemy zemin ve sledovaném prostoru zůstaly shodné a došlo pouze k místním přesunům. Největší úbytek zeminy byl zaznamenán pod kotvenými pilotovými stěnami, kde došlo k rovnoměrnému odebrání až 80 cm vrstvy zeminy. Tento materiál byl přesunut do horní části svahu. V porovnání modelů mezi dubnem 2009 a listopadem 2013 lze dobře dokumentovat realizované rekultivační práce, jako je budování nových odvodňovacích příkopů a kamenitých pásů, ale také rozvoj svahových zátrhů v nestabilních částech. Protože mezi porovnávanými etapami uběhlo 4,5 roku, lze na rozdílovém modelu pozorovat mnoho změn. Pro přesnější zhodnocení stability území by bylo vhodné zkrátit interval měření na 1 rok, kdy by se v rozdílovém modelu projevily pouze aktuální změny, které by bylo možno vztáhnout ke konkrétním vlivům jako je počasí a aktuální rekultivační činnost.
- 41 -
ČVUT v Praze
SEZNAM LITERATURY
SEZNAM LITERATURY
Palivový kombinát Ústí, s.p. [online]. 2010. [cit. 2014-04-12]. Dostupné z WWW:
. ŠÍPEK, Václav; NĚMEC, Igor. Rekultivace lomu Chabařovice – tečka za těžbou uhlí. In 47. ročník – Hornická Příbram ve vědě a technice [online]. Příbram: [s.n.], 2008. [cit. 2014-04-11]. Dostupné z WWW: . Mapový internetový portál (Mapy.cz, s.r.o.). [online]. 2001. [cit. 2014-04-11]. Dostupné z WWW: . ADAM, Zdeněk. Studie stability výsypky v průběhu sanačních prací. Diplomová práce. ČVUT v Praze, Fakulta stavební, Katedra geotechniky. 85 s. + přílohy. 2008. Včetně: SVÁČEK, L. Letecké snímky lomu Chabařovice. 18/10/2008. RYTÍŘ, Zdeněk. Terestrické měření na rekultivovaném území povrchového lomu v síti Rabenov. Diplomová práce. ČVUT v Praze, Fakulta stavební, Katedra speciální geodézie. 98 s. 2012. BRAUN, Jaroslav. Měření a zpracování 3D modelu sesuvného terénu. Bakalářská práce. ČVUT v Praze, Fakulta stavební, Katedra speciální geodézie. 37 s. 2009. LÁSKA, Zdeněk; TEŠNAR, Martin; SLABÝ, Jaroslav; SUKUP, Jan. GEODIS BRNO, spol. s.r.o. Globální navigační satelitní systémy a jejich využití v praxi: Učební text k semináři. [online]. VUT v Brně, 2010. [cit. 2014-04-15]. Dostupné z WWW: . TESAŘ, Pavel. Úvod do GNSS. [online]. 2007. [cit. 2014-04-14]. Dostupné z WWW: .
- 42 -
ČVUT v Praze
SEZNAM LITERATURY
Official U. S. Government information about the GPS and related topics – System GPS – Space segment. [online]. [cit. 2014-05-10]. Dostupné z WWW: . Federal space agency – Information analytical centre - GLONASS. [online]. [cit. 2014-05-10]. Dostupné z WWW: . GEOTRONICS Praha. Technický popis Trimble GeoExplorer 6000 GeoXR – GNSS přijímač do ruky. [online]. 2011. [cit. 2014-04-15]. Dostupné z WWW: . ČÚZK. CZEPOS. Síť permanentních stanic GNSS České Republiky. [online]. [cit. 2014-04-15]. Dostupné z WWW: . TRIMBLE. Zephyr Model 2 Antenna for mapping & GIS. [online]. [cit. 201404-27]. Dostupné z WWW: . RIEGEROVÁ, Pavlína. Etapové vyhodnocení sítě Rabenov metodou GNSS. Diplomová práce. ČVUT v Praze, Fakulta stavební, Katedra speciální geodézie. 91 s. 2012. Oborový informační portál LA-MA.cz - GNSS. [online]. [cit. 2014-04-15]. Dostupné z WWW: . BAYER, Tomáš. Digitální modely terénu – polyedrický model, rastrový model, plátový model, plátování. [online]. Katedra aplikované geoinformatiky a kartografie, Přírodovědecká fakulta UK. [cit. 2014-04-21]. Dostupné z WWW: . URBAN, Jiří. Projekt II – Práce s grafickou informací: Digitální model terénu. 1.vyd. Praha. ČVUT v Praze. 46 s. 1988. VOJTEK, David. Institut geoinformatiky VŠB-TU Ostrava. Slovník. [online]. 2008. [cit. 2014-04-21]. Dostupné z WWW: .
- 43 -
ČVUT v Praze
SEZNAM LITERATURY
ORŠULÁK, Tomáš; PACINA, Jan. 3D modelování a virtuální realita. [online]. Ústí nad Labem. 2010. [cit. 2014-04-21]. Dostupné z WWW: . Atlas LTD. Manuál k programovému systému ATLAS DMT. [online]. [cit. 201405-13]. Dostupné z WWW: . ČSN 01 3410: Mapy velkých měřítek. Základní a účelové mapy. Praha, Český normalizační institut. 20 s. 1991.
- 44 -
ČVUT v Praze
SEZNAM OBRÁZKŮ
SEZNAM OBRÁZKŮ
Obr. 2.1: Výřez mapy se zájmovým územím (zdroj [3]) .............................................. 10 Obr. 2.2: Letecký pohled na Rabenov s vyznačeným zájmovým územím (zdroj [4]) . 10 Obr. 2.3: Povrchový zátrh (11/2013) ............................................................................ 12 Obr. 2.4: Detail svahového sesuvu (11/2013) .............................................................. 13 Obr. 2.5: Napouštění Jezera Chabařovice z nádrže Kateřina (zdroj [1]) ...................... 14 Obr. 2.6: Kotvená pilotová betonová stěna – 7/2011 (zdroj [5]) .................................. 15 Obr. 2.7: Osazený inklinometrický vrt (11/2013) ........................................................ 15 Obr. 2.8: Geotechnický bod (zdroj [6]) ........................................................................ 15 Obr. 3.1: GNSS přijímač Trimble GeoXR (zdroj [11]) ................................................ 18 Obr. 3.2: Anténa Trimble Zephyr Model 2 (zdroj [13]) ............................................... 18 Obr. 3.3: Přehled instalovaných stanic sítě CZEPOS (zdroj [12]) ............................... 19 Obr. 3.4: Svahový sesuv (11/2013) .............................................................................. 20 Obr. 3.5: Odvodňovací příkop (11/2013) ..................................................................... 20 Obr. 3.6: Odvodňovací pás (11/2013) .......................................................................... 21 Obr. 4.1: Polyedrický model (zdroj [16]) ..................................................................... 25 Obr. 4.2: Rastrový model (zdroj [16]) .......................................................................... 25 Obr. 4.3: Plátový model (zdroj [16]) ............................................................................ 26 Obr. 5.1: Pracovní prostředí Atlasu DMT při editaci ................................................... 29 Obr. 5.2: Digitální model reliéfu se stupněm vyhlazení 1 ............................................ 31 Obr. 5.3: Digitální model reliéfu se stupněm vyhlazením16 ........................................ 31 Obr. 5.4: Digitální model povrchu – pohled ze severozápadu ..................................... 32 Obr. 5.5: Vedení podélného profilu sesuvným územím ............................................... 34 Obr. 5.6: Orientační náhled na vstupní modely (vlevo Model 1) ................................. 35 Obr. 6.1: Intervaly rozdílového modelu ....................................................................... 36 Obr. 6.2: Rozdílový model ........................................................................................... 37 Obr. 6.3: Označení kontrolních bodů na opěrných zdech ............................................ 38
- 45 -
ČVUT v Praze
SEZNAM TABULEK
SEZNAM TABULEK
Tab. 3.1: Souřadnice prostorové sítě Rabenov v 07/2011 (zdroj [14]) .......................... 21 Tab. 3.2: Porovnání kontrolního měření se souřadnicemi z 07/2011 ............................ 22 Tab. 3.3: Porovnání souřadnic prostorové sítě Rabenov s jejich průměrem (7.11.2013) ........................................................................................................................................ 22 Tab. 5.1: Lomové body podélného profilu .................................................................... 33 Tab. 6.1: Dílčí objemy rozdílového modelu .................................................................. 38 Tab. 6.2: Střední souřadnicové a výškové chyby (zdroj [21]) ....................................... 39 Tab. 6.3: Mezní odchylky .............................................................................................. 39 Tab. 6.4: Dosažené odchylky mezi identickými body z porovnávaných modelů ......... 40
- 46 -
ČVUT v Praze
SEZNAM PŘÍLOH
SEZNAM PŘÍLOH
Příloha č. 1: Ukázka výpisu z protokolu měření
48
Příloha č. 2: Ukázka výpisu seznamu souřadnic
49
Příloha č. 3: Vrstevnicový plán jihozápadní části svahu Rabenov externě
ze dne 7.11. 2013 Příloha č. 4: Digitální model povrchu jihozápadní části svahu Rabenov v barevném vyhodnocení - pohled ze severozápadu
externě
Příloha č. 5: Digitální model povrchu jihozápadní části svahu Rabenov v barevném vyhodnocení - pohled ze severovýchodu Příloha č. 6: Podélný terénní profil sesuvného území Rabenov
externě externě
Příloha č. 7: Porovnání podélných terénních profilů sesuvného území Rabenov
externě
Příloha č. 8: Rozdílový 3D model jihozápadní části svahu Rabenov
externě
Příloha č 9: Protokol GNSS měření
CD
Příloha č. 10: Seznam souřadnic
CD
- 47 -
ČVUT v Praze
Příloha č. 1: Ukázka výpisu z protokolu měření
Příloha č. 1: Ukázka výpisu z protokolu měření Zakazka: rabenov071113 Meril: Malkova Datum: 07.11.2013 Pristroj: Trimble GeoXR vyr. c.: 5141409191 Trimble General Survey SW: 2.11 Verze protokolu: 4.92 Body vypsány od (RRRRMMDD): 2011 Souradnicovy system:
Pouzit transformacni modul zpresnene globalni transformace Trimble 2013 verze 1.0
schvaleny CUZK pro mereni od 1.7.2012. Zona: Krovak_2013 Soubor rovinne dotransformace: KG2013 Vertikalni transformace Model kvazigeoidu: CR2005 ------------------------POUZITE A MERENE BODY ------------------------Cislo bodu
Y X
Z
Presnost XY
PDOP
Z
Sit Pocet Antena sat.
Datum Zacatek Doba
vyska;
od#
Kod bodu
mereni mereni[s]
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------4003# 766815.295 977793.024 255.053 0.020 0.030 1.31
5
17
2.17 SZ 07.11 11:00
24
5002# 766654.164 977750.111 241.984 0.020 0.030 1.30
5
18
2.00 SZ 07.11 11:12
15
5001# 766653.888 977749.493 241.973 0.019 0.029 1.30
5
18
2.00 SZ 07.11 11:13
14
1# 766753.249 977656.014 228.670 0.030 0.045 1.33
5
18
2.00 SZ 07.11 11:21
8
kraj
2# 766746.356 977655.254 228.590 0.022 0.033 1.33
5
18
2.00 SZ 07.11 11:21
8
kraj
9004 766772.326 977841.116 252.645 0.010 0.016 1.29
5
16
2.00 SZ 07.11 17:03
5
k
9005 766768.276 977836.504 251.933 0.010 0.016 1.29
5
16
2.00 SZ 07.11 17:03
5
k
4003a 766815.314 977793.018 255.139 0.010 0.016 1.31
5
16
2.00 SZ 07.11 17:07
17
4003b 766815.328 977792.983 254.963 0.009 0.016 1.31
5
16
2.17 SZ 07.11 17:08
15
4003c 766815.325 977793.010 254.960 0.009 0.016 1.32
5
16
2.17 SZ 07.11 17:09
16
5002b 766654.167 977750.059 241.990 0.006 0.010 1.34
5
16
2.00 SZ 07.11 17:18
15
5001b 766653.880 977749.444 241.991 0.006 0.010 1.34
5
16
2.00 SZ 07.11 17:18
5
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------# Vyska anteny merena od: FC = fazoveho centra; SZ = spodku zavitu; SN = stredu narazniku # Bod meren na: 1 = Trimble VRS NOW CZ; 2 = TOPNET; 3 = CZEPOS RTK; 4 = Czepos PRS/FKP; 5 = CZEPOS RTK3/MAX3; 6 = Neznama sit Hodnoty PDOP oznacene * jsou mimo nastavenou toleranci: 7.00 Hodnoty PDOP oznacene * jsou mimo nastavenou toleranci: 7.00 Hodnoty s RMS oznacene # jsou mimo nastavenou toleranci: 40.00 Body oznacene ! NoFix ! pred cislem bodu, nebyly pri mereni Fixovany!
- 48 -
ČVUT v Praze
Příloha č. 2: Ukázka výpisu seznamu souřadnic
Příloha č. 2: Ukázka výpisu seznamu souřadnic 4003
-766815.295
-977793.024
255.053
5002
-766654.164
-977750.111
241.984
5001
-766653.888
-977749.493
241.973
1
-766753.249
-977656.014
228.670
kraj
2
-766746.356
-977655.254
228.590
kraj
3
-766735.768
-977655.871
228.161
kraj
4
-766720.295
-977660.806
227.887
kraj
5
-766705.050
-977670.149
228.401
kraj
6
-766693.762
-977683.137
230.060
kraj
7
-766680.619
-977693.446
231.037
kraj
8
-766674.582
-977699.535
231.363
krajh
9
-766674.042
-977699.561
230.670
krajp
10
-766673.370
-977699.592
231.260
krajh
11
-766659.676
-977707.438
231.900
kraj
12
-766664.624
-977721.367
235.110
kraj
13
-766678.058
-977713.964
234.837
hph
14
-766681.539
-977708.940
234.200
kamen
15
-766682.238
-977709.679
234.338
kamen
16
-766695.236
-977698.438
233.165
kamen
17
-766695.520
-977700.173
233.437
kamenroh
18
-766697.293
-977699.054
233.330
kamenroh
19
-766707.851
-977690.681
232.533
kamenroh
20
-766708.781
-977689.445
232.423
patakamen
21
-766712.594
-977685.135
231.870
patakamen
22
-766719.732
-977681.287
231.429
patakamen
23
-766714.742
-977683.301
231.545
kamen
442
-766784.267
-977903.669
259.781
h
443
-766771.269
-977886.272
257.465
vb
444
-766766.897
-977876.481
256.125
hpatih
9001
-766789.012
-977858.933
255.584
k
9002
-766783.236
-977852.745
254.465
k
9003
-766777.909
-977847.025
253.455
k
9004
-766772.326
-977841.116
252.645
k
9005
-766768.276
-977836.504
251.933
k
4003a
-766815.314
-977793.018
255.139
4003b
-766815.328
-977792.983
254.963
4003c
-766815.325
-977793.010
254.960
5002b
-766654.167
-977750.059
241.990
5001b
-766653.880
-977749.444
241.991
- 49 -
