Letecké laserové skenování v ČR a možnosti využití dat. pro dokumentaci historické těžby nerostných surovin

Letecké laserové skenování v ČR a možnosti využití dat pro dokumentaci historické těžby nerostných surovin Karel Pavelka ČVUT v Praze, Fakulta stavební, E-mail: [email protected] Česká republika započala s laserovým leteckým skenováním (LLS) celého území na podzim v roce 2009; na základě dat kvalitních dat LLS vzniká digitální model terénu (DMT) či též digitální model reliéfu (DMR; vzniká DMR 4G - grid 5x5m, ten je určen pro ortogonalizaci LMS a DMR 5G - TIN, ten je pro ostatní účely, jelikož respektuje i hrany, mikrotvary aj.) a digitální model povrchu (DMP). To přinese zejména možnost tvorby přesnějšího ortofota. Výškopis území České republiky pochází z původního vojenského mapování prováděného v letech 1952-1957 a z topografického mapování v měřítku 1:10 000 prováděného v letech 1957-1971 (vznik původního podkladu ZABAGED® - výškopis - 3D vrstevnice). Po jejich naskenování dosud probíhá v 3letých cyklech aktualizace a zdokonalování metodou stereofotogrammetrie. Model je celkově nehomogenní, s nedostačující hustotou bodů (vrstevnic) a především je nedostatečně přesný. Přesnost stávajících výškových modelů limituje jejich použití v mnoha různých oblastech - projektování výstavby (dopravní infrastruktury), modelování přírodních katastrof (záplavových území), tvorba kvalitních kartografických podkladů, aplikace počítačově podporovaných technologií v zemědělství, lesnictví, vodohospodářství, ochraně životního prostředí, rozvoj simulačních technologií v resortu MO (Brázdil, 2009). Ovšem kvalitní digitální výškopisný model jistě najde své využití v mnoha dalších oblastech. Stručný název

Přesnost

Popis

(úplná střední chyba výšky) ZABAGED®-výškopis

Vektorizované vrstevnice ZM 10

0,7-1,5 m v odkrytém terénu

uložené jako 3D objekty ve formátu

1-2 m v intravilánech

DGN.

2-5 m v zalesněných územích

ZABAGED®-zdokonalený

Aktualizované

výškopis

vrstevnice ZM 10, doplněné o

1-2 m v intravilánech

terénní

2-5 m v zalesněných územích

hrany

a náspů,

zpřesněné výkopů,

0,7-1,5 m v odkrytém terénu

břehů, nádrží, apod. ZABAGED®-mříž 10x10 m

Odvozený model do formy mříže

1,5-2,5 m v odkrytém terénu

(GRID) 10x10 m

2-3 m v intravilánech 3-7 m v zalesněných územích

DMR 2,5 generace MO ČR

Výškový model ve formě mříže

3-5 m v odkrytém terénu

(GRID) 100x100 m

5-8 m v intravilánech 10-15 m v zalesněných územích

DMR 3. generace MO ČR

Výškový model ve formě nepravidelné sítě TIN získaný stereofotogrammetrickou metodou.

Digitální model povrchu

neexistuje

1-2 m v odkrytém terénu 1-2 m v intravilánech 3-7 m v zalesněných územích neexistuje

Tab. 1: Výškopisné databáze v ČR (Šíma, 2009).

název

DMR 4 generace

DMR 5.generace

deklarovaná přesnost

přesnost získaná

(úplná střední chyba

kontrolními

výšky mH)

měřeními

Výškový model ve

0,3 m v odkrytém

viz obr 1

formě mříže (GRID)

terénu, 1 m

5x5 m

v zalesněném terénu.

Výškový model ve

0,18m v otevřeném

popis

formě

stav aktualizace

67,9% území ČR obr 3

viz obr 2

33,4 % území

nepravidelné

terénu 0,3m

ČR

sítě TIN získaný z

v terénech s

Obr.4

dat LLS po manuální

otevřenou vegetací

kontrole DMP 1 generace

Digitální model

0,4 m pro přesně

povrchu České

vymezené objekty

republiky 1.

(budovy)

generace (DMP 1G)

0,7 m pro objekty

představuje

přesně neohraničené

zobrazení území

(lesy a další prvky

včetně staveb a

rostlinného pokryvu).

není k dispozici

33% území ČR Obr.5

rostlinného pokryvu ve formě nepravidelné sítě výškových bodů (TIN)

Tab. 2: produkty LLS (zdroj Geoportál, 19.3.2013).

Tab. 3: Charakteristiky přesnosti DMR 4G na různém povrchu a půdním krytu.

Tab. 4: Charakteristiky přesnosti DMR 5G na různém povrchu a půdním krytu.

Obr. 1: Stav DMR 4G (data z let 2009 -zelená, 2010 - modrá, 2011 červená).

Obr. 2: Stav DMR 5G (data z let 2009 -zelená, 2010 - modrá, 2011 červená).

Obr. 3: Stav DMP 1G (data z let 2009 -zelená, 2010 - modrá, 2011 červená).

Obr. 4: Ukázka TIN ZABAGED® (Šíma, 2009). V souladu se světovými trendy byl již v roce 2006 v rezortu ČÚZK a za účasti Vojenského geografického a hydrometeorologického úřadu realizován pilotní projekt leteckého snímkování digitální komorou (Vexcel UltraCamD) s rozlišením 0,25 m a 0,5 m v území a současně bylo provedeno letecké laserové skenování reliéfu aparaturou Optech ALTM 3100 z výšky 2730 m. Po rozboru výsledků bylo zjištěno, že digitální model terénu, vytvořený na základě ALS z výšky přes 2000m nepřinese kýžené zlepšení v přesnosti DMT (střední chyba se pohybovalo pod 50cm) a existující DMT (ZABAGED) by byl zlepšen jen málo; z tohoto důvodu nelze současně provádět letecké digitální snímkování a zároveň letecké laserové skenování. Pro ALS je třeba použít nižších náletů. Obě perspektivní technologie ale jsou již prováděny v České republice soukromými firmami, ale zatím pouze na menších lokalitách (Šíma, 2008). Metoda leteckého laserového skenování je již ve světě hojně využívána; i když je finančně náročnější oproti klasickému leteckému snímkování, dosahuje ve srovnání s jinými metodami, použitými ve stejných podmínkách (např. pozemní laserové skenování, klasická geodézie), neporovnatelně lepších výsledků. Její velkou výhodou je možnost vyššího podílu automatického zpracování, tedy ušetření času manuální práce operátora. Stále však není vyvinut univerzální způsob automatického zpracování dat ALS – roli hraje především typ terénu a hustota bodů. Projekt snímání celého území ČR metodou ALS byl představen v rámci konference Internet ve státní správě a samosprávě 2009 v Hradci Králové. Na projektu spolupracuje ČÚZK společně s Ministerstvy zemědělství a Ministerstvem obrany. Snímání začalo v omezeném rozsahu již v listopadu 2009, a to v Pásmu Střed (viz obr. 1). V letech 2009-11 byla naskenováno celé území pásem Střed a Západ. V roce 2012 LLS neproběhlo z důvodu generální opravy leteckého nosiče laserového skeneru. Skenování zbývající části území ČR je naplánováno na rok 2013. Laserový paprsek je schopen procházet vegetací a při měření více odrazů poslední odraz s velkou pravděpodobností udává výšku skutečného georeliéfu. Přesto však při průchodu paprsku obzvláště hustou vegetací nemusí paprsek proniknout až na zem, ale odrazí se např. od lesního podrostu; sníh a voda paprsek pohlcuje. Pro snímání je proto třeba zvolit období vegetačního klidu (jehličnaté lesní porosty, kterých je v ČR většina, asi budou stálým problémem) mimo zimu, kdy je nevhodné počasí a možnost sněhové pokrývky. Tato kritéria jsou tedy prakticky stejná jako u fotogrammetrického snímkování.

Obr. 5: Plán snímání ČR metodou ALS. Po zkušenostech z pilotního projektu byla nastavena základní výška letu 1500m nad terénem. V závislosti na relativní výšce a členitosti terénu byly určeny 3 absolutní výšky letu – 1800, 2100 a 2400 m n. m. Dále jsou definovány lety pro střední výšku nad terénem 1250 m z důvodu hladiny obvyklé výšky oblačnosti (pod touto výškou je podstatně více vhodných dní ke snímání). Hustota bodů určených souřadnicemi x,y a nadmořské výšky H bodů se předpokládala 1 bod na m2 Díky příčnému překrytu snímaných pásů mezi 35 až 50 % byla však dosažena průměrná hustota větší – 1.6 bodu na 1 m2. Lety zajišťuje letectvo AČR inovovaným letadlem Turbolet L- 410 FG (viz obr. 11.2).

Obr. 6: L - 410 FG.

Vždy s odstupem půl roku až roku po nasnímání třetiny území bude k dispozici produkt DMR 4G- ve formě mříže (GRID) o rozměru 5 x 5 m vzniklý interpolací z prvotně zpracovaných měřených dat. Podrobné modely, vyznačující s vyšší přesností a podrobností, ve tvaru nepravidelné trojúhelníkové sítě (TIN) označené DMR 5G a DMP 1G vzniknou až po nasnímání celé ČR do roku 2015. Střední výšková chyba mřížového modelu bude 0.30 m v otevřeném terénu bez zástavby a vzrostlé vegetace a 1.00m v lesích a husté zástavbě. Týž parametr produktu DMR 5G má dosáhnout 0.18 m v otevřeném terénu a 0,30 m v lesích a husté zástavbě. Ze stejných souborů dat ALS lze získat poprvé i digitální model povrchu (DMP 1G) ve verzi nepravidelné trojúhelníkové sítě bodů se střední výškovou chybou 0.40 m na povrchu staveb až 0.7 m na povrchu vzrostlé vegetace. Realizace ovšem záleží na mnoha okolnostech; výše uvedené produkty jsou plánované. Ihned je vytvářen digitální model reliéfu 4. generace (DMR 4G), jakožto jeden z realizačních výstupů společného projektu Českého úřadu zeměměřického a katastrálního (ČÚZK), Ministerstva obrany (MO) a Ministerstva zemědělství (MZe) České republiky s názvem „Projekt tvorby nového výškopisu České republiky“ (tab.2).

Problematika ALS v ČR Současné výsledky ALS při relativních výškách letu 1200 a 1500m poskytují při průměrné hustotě bodů 1.6bodu/ m2 střední výškovou chybu do 0,19m – tj. cca 4-5x vyšší než vykazuje DMR ZABAGED® (zde je vhodné připomenout, že pravděpodobnost výskytu střední náhodné chyby do 0,19m je 68,27 %, do jejího dvojnásobku 95,45 % a teprve náhodné chyby o velikosti větší než 3násobek střední chyby lze považovat za hrubou chybu. Za předpokladu normálního rozdělení chyb by jejich četnost neměla přesáhnout 0,27 %. Při tvorbě výškového modelu lze použít metody geodetického, stereofotogrammetrického měření nebo leteckého laserového skenování. Geodetické metody se při velkoplošné tvorbě výškových modelů neuplatní pro značné kapacitní a časové nároky. Přesnost stereofotogrammetricky určených výškových bodů klesá kvadraticky s relativní výškou letu; u ALS je to ale jinak – přesnost měření vzdálenosti laserovým dálkoměrem není dramaticky závislá na relativní výšce letu. Přesnost dat ALS je především funkcí počtu bodů / m2. Prof. Kraus sestavil empirický vzorec na základě obsáhlých zkoušek v Rakousku (koeficient b před tangentou je proměnlivý, původně se udával 50, může být až 120; pro naši oblast je vhodná konstanta 20): 6 (1) mh   b  tg , n

kde n je počet bodů na m2 , α je úhel sklonu georeliéfu. Faktory mající vliv na přesnost leteckého laserového skenování přesnosti nejsou v současné době ještě zcela prozkoumány. Obecně přesnost dat ALS ale závisí především na přesnosti určení prvků vnější orientace a odstranění systematických chyb systému skeneru. Až při identifikaci bodů reliéfu hraje roli hustota bodů a stav vegetace. Průměr laserové stopy na zemském povrchu při užívaných výškách letu v ČR je asi 50cm. Při dopadu na řadu objektů již není možno přesně určit jejich výšku (schody, obrubníky, ploty aj. - viz obr. 11.3). Z důvodu komparace systému a zjištění či odstranění systematických chyb se pro každý blok (10x20 až 30 km) využívají zpravidla dvě komparační základny – jako vhodné byly vybrány např. plochy sportovních hřišť (kompaktní větší plocha s předpokládanou rovinatostí, min 30x30m), na které byla zaměřena síť kontrolních bodů v mříži 10 x 10 m přesnou aparaturou GPS se střední souřadnicovou a výškovou chybou do 0.03 m.

. Obr. 7: Nejistota polohy odraženého paprsku od povrchu při širší stopě laseru. Nezanedbatelný problém představuje přesnost kalibrace aparatur pro určení prvků vnější orientace i vlastního senzoru, jejíž současné možnosti mají určitou hranici. Záleží zejména na přesnosti kalibrace jednotky IMU, offsetu aparatury GPS instalované na palubě letadla i mechanických součástek skeneru provedené výrobcem či organizací, která skenování provádí). Dalším problémem je drsnost, struktura a vegetační kryt snímaného povrchu i jeho odrazivost. Za nepříznivých okolnosti mohou vznikat chyby v řádu cm až několika dm. Korekce systematických chyb výškových modelů může být též problematická – k jakým kontrolním, respektive bodům geodetických základů vzniklý model vztáhnout? Horní plocha kamenů, kterými jsou převážně stabilizovány trigonometrické body je zpravidla vyšší o 0.10 – 0.15 m nad okolním terénem. Přímý „zásah“ kamene laserovým paprskem by byl vysloveně náhodný. Výšky trigonometrických bodů byly většinou zaměřeny geodeticky trigonometrickým měřením výškových úhlů, které mohlo být zejména v rovinatém terénu nepříznivě ovlivněno refrakcí natolik, že chyba v určení výšky mohla dosáhnout velikosti několika decimetrů! Kontrola přesnosti laserového skenování pomocí technické nivelace, vycházející z okolních nivelačních bodů, je zejména kapacitně náročná. Také dnes velmi frekventované metody globálních navigačních družicových systémů, zejména operativních metod jako je RTK, nemusí zaručovat potřebnou přesnost výšek kontrolních bodů, pokud není k dispozici dostatečně přesný model kvazigeoidu České republiky s chybami do 0.05 m. V současnosti tudíž není a asi ani v blízké budoucnosti nebude možné dosáhnout absolutní výškové přesnosti digitálních výškových modelů vzhledem k referenčnímu výškovému systému (Balt po vyrovnání) lepší než 0.10 až 0.15 m. Relativní či lokální přesnost je samozřejmě vyšší, pokud se skenování realizuje z menší relativní výšky letu (v praxi již od 200 m). Další otázka je samozřejmě transformace laserových dat do plošného systému: zde máme starý systém JTSK s omezenou a nekompaktní přesností, zlepšený systém JTSK, WGS 84 či UTM. Transformace laserových dat, primárně referencovaných pomocí IMU do JTSK není jednoduchá (Kostelecký, 2009) a má konečnou přesnost. Naskýtá se otázka, jestli je možno vytvořit ještě přesnější výškový model ČR; na to není jednoduchá odpověď: k dosažení vyšší přesnosti by bylo třeba více letadel, jelikož v našich podmínkách je cca 300 vhodných letových hodin ročně. To by znamenalo též další letecký laserový skener (jeho cena je v desítkách milionů korun) a samozřejmě daleko více dat. Současné možnosti jsou tedy poměrně na hraně možností. Kdo by to zaplatil a komu by data s vyšší přesností sloužila; přesnost by nebyla zcela homogenní a hlavně jistá. Co vlastně letecké laserové skenování přináší? Zejména kvalitativně vyšší DMT pro tvorbu přesnějšího ortofota – to je hlavní cíl projektu. Využití laserových dat ale nalezne zcela určitě celou škálu dalšího využití – v lesnictví (např. výška porostů, kdy se berou z dat první

odrazy), archeologii (nalezení terénních příznaků historického osídlení a zemědělské činnosti zejména v lesních areálech); kvalitnější výškopis, takto vytvořený, je obecně velkým pokrokem v geodézii. Nutno dodat, že ke zpracování i využití dat je třeba přistupovat jako k nové technologii a věnovat jí nemalé vědecké úsilí.

Dokumentace historických objektů Existuje mnoho aplikací nově vzniklých dat z LLS. Jedním z možných výstupů je tzv. stínovaný reliéf. Vhodným umělým osvětlením modelu (obyčejně je zdroj světla umístěn nahoře vlevo) vzniká šedotónový stínovaný reliéf. Jeho výhodou je, že vystupují i malé výškové objekty. Nevýhodou je fakt, že některé, např. lineární objekty, ve směru osvětlení nebudou příliš viditelné. Existuje celá řada možného stínování včetně jejich kombinací. Obecně stínovaný reliéf dává i neodborníkovi plastickou představu o průběhu terénu. Při pohledu z výšky a při dostatečné hustotě bodů potom lze interpretovat objekty, běžně v terénu neviditelné. To lze využít např. při letecké archeologii, dokumentaci zaniklých obcí či při hledání pozůstatků historické důlní činnosti. Terénní příznaky zůstávají na zemském povrchu velmi dlouho, samozřejmě v případě, že se nejedná o zemědělskou plochu, kde častou orbou tyto příznaky mizí. I tak lze ale najít v polích zajímavé objekty – např. zbytky opevnění z rakousko – pruské války u Litoměřic (obr. 8).

Obr. 8: Ortofoto (Geodis Brno,s.r.o., 2006, Mapy.cz,a.s. 2011,NAVTEC ), a LLS (ČÚZK, Pardubice, 2011).

Obr. 9: Masivní příkop vojenského opevnění u Litoměřic (vlevo) a přiblížení situace uvnitř reduty (vpravo,Vaverka, 2012).

Dokumentace historické těžby nerostných surovin Z hlediska těžby nerostných surovin je situace mírně jiná. Jedná se obyčejně o lokality, které jsou v horách a ty bývají zalesněné. LLS se provádí na jaře či na podzim, kdy je doba vegetačního klidu. Pokud se jedná o listnaté porosty, laserový paprsek projde často až na zemský povrch z důvodu neexistujícího olistění. Horší je to v případě jehličnatých porostů,

kde je průchod laserového paprsku značně ztížen. Na zemský povrch projde i méně než 10% impulzů. Pokud je ještě provedeno skenování v době vzrostlé vegetace či v lokalitách s lesním podrostem, nemají výsledná data takovou vypovídací schopnost. Svou roli hraje i zpracování dat – probíhá filtrace a klasifikace odrazů; snahou je samozřejmě odfiltrovat vegetaci a získat „čistý“ průběh terénu, což se nedaří vždy úplně kvalitně. Data v současné době nejsou stále ještě plně k dispozici veřejnosti, jelikož není ukončeno zpracování.

Obr. 10: Ortofoto (Geodis Brno,s.r.o., 2011, Mapy.cz,a.s. 2011,NAVTEC ), a LLS (ČÚZK, Pardubice, 2011). Zbytky důlní činnosti v okolí města Krupka.

Obr. 11: Ortofoto (Geodis Brno,s.r.o., 2011, Mapy.cz,a.s. 2011,NAVTEC ), a LLS (ČÚZK, Pardubice, 2011). Zbytky důlní činnosti v okolí Jáchymova (KV). Oblast mezi doly Eduard a Rovnost, kde se těžil uran, byla využívána již ve středověku pro těžbu kovových rud. Na spodním obrázku je jasně vidět neuvěřitelný potenciál dat LLS pro tento účel ve srovnání s ortofotem (horní obrázek). Pozemní průzkum je složitý, pomalý a nedává takovýto přehled.

Obr. 12: Ortofoto (Geodis Brno, s.r.o., 2011, Mapy.cz,a.s. 2011, NAVTEC ), a LLS (ČÚZK, Pardubice, 2011). Zbytky důlní činnosti v oblasti Zlatého Kopce u Božího Daru. Data LLS, překrytá polopropustnou turistickou mapou (horní obrázek) a originální stínovaný reliéf (zbytky neodfiltrované vegetace).

Obr. 13: Data LLS (ČÚZK, Pardubice, 2011). Zbytky důlní činnosti v oblasti Zlatého Kopce u Božího Daru.

Obr. 14: Data LLS (ČÚZK, Pardubice, 2011). Zbytky důlní činnosti v oblasti Zlatého Kopce u Božího Daru.

Obr. 14: Data LLS (ČÚZK, Pardubice, 2011). Zbytky důlní činnosti v oblasti Zlatého Kopce u Božího Daru.

Obr. 15: Data LLS (ČÚZK, Pardubice, 2011). Zbytky důlní činnosti v oblasti Zlatého Kopce u Božího Daru.

Obr. 16: Data LLS (ČÚZK, Pardubice, 2011). Zbytky důlní činnosti v oblasti Zlatého Kopce u Božího Daru. Hraniční pásmo – za hranicemi naší republiky již není povoleno provádět mapovací práce.

Závěr Důlní činnost je historickým projevem lidské činnosti. V oblasti Krušných hor je velmi dobře viditelná na LLS datech; najít lze středověké pozůstatky těžby až po nedávnou těžbu uranu a současnou těžbu hnědého uhlí v podkrušnohorské pánvi. Vzhledem k tomu, že ČVUT v Praze, Fakulta stavební má v nedaleké obci Mariánská objekt, který se využívá na výuku i pro rekreaci, předpokládáme, že po zpřístupnění dat LLS širší veřejnosti lze provádět v rámci závěrečných prací studentů v této oblasti zajímavé práce, spojené s verifikací zbytků historické těžby v terénu včetně propojení s odborníky geology a historiky.

Obr. 17: Data LLS (ČÚZK, Pardubice, 2011). Současná povrchová těžba hnědého uhlí u Chomutova.

Literatura: Šíma, J. Abeceda leteckého laserového skenování. In Geobusiness. 2009, č.3. Šíma, J. Průzkum absolutní polohové přesnosti ortofotografického zobrazení celého území České republiky s rozlišením 0,50, 0,25, resp. 0,20 m v území na Západočeské univerzitě v Plzni. In Geodetický a kartografický obzor. 2009, č. 9. Šíma, J.: Nové zdroje geoprostorových dat pokrývajících celé území státu od roku 2010 – první výsledky výzkumu jejich kvalitativních parametrů. In: Sborník sympozia GIS Ostrava 2011. VŠB-TU Ostrava, 2011. ISBN 978-80-248-2366-9. Šíma, J.: Příspěvek k rozboru přesnosti digitálních modelů reliéfu odvozených z dat leteckého laserového skenování celého území ČR. In: Geodetický a kartografický obzor, 2011, č. 5. Šíma, J. O skutečné přesnosti ortofotomapy. In: Geobusiness, 2012, č.2, s.34-39. Faltýnová, M., Pavelka, K. Aerial Laser Scanning in Archaeology. Geoinformatics [online]. 2011, vol. 6, no. 1, p. 103-108. Internet: http://geoinformatics.fsv.cvut.cz/pdf/geoinformaticsfce-ctu-2011-06.pdf. ISSN 1802-2669.

Bílá, Z. ,Faltýnová, M.,Pavelka, K. Discovering of human activity traces in the landscape by using ALS in the Czech Republic. In Proceedings of EARSeL Workshop Advances in Remote Sensing for Archaeology and Cultural Heritage Management. Gent: University of Gent, 2012, vol. 1. Faltýnová, M. Archeologie ve stínovaném reliéfu. In Sborník studentské vědecké konference, Telč 2012 [CD-ROM]. Praha: České vysoké učení technické v Praze, Fakulta stavební, 2012, ISBN 978-80-01-05134-4. Faltýnová, M. Letecké laserové skenování a DMT v archeologii. In Juniorstav 2012 - 14. odborná konference doktorského studia [CD-ROM]. Brno: VUT v Brně, Fakulta stavební, 2012, s. 440. ISBN 978-80-214-4393-8. ¨ Faltýnová, M., Dušánek, P. Airborne Lidar Dataset of The Czech Republic and its Use for Archaeological Survey. In Proceedings of ELMF 2012 [CD-ROM]. Nailsworth: Intelligent Exhibitions Ltd, 2012,