LiDAR a moţnosti jeho vyuţitia Zuzana Kmeťová Národné lesnícke centrum – Ústav lesných zdrojov a informatiky Zvolen
Čo je LiDAR? LIDAR (Light Detection And Ranging, tieţ aj LADAR) je skratka na označenie optickej technológie, ktorá vyuţíva pulzné laserové svetlo na meranie vzdialenosti medzi objektom a LIDARom umiestneným v teréne, na vozidle alebo na palube lietadla.
Základné typy LiDARov • Pozemné • Mobilné • Letecké LIDAR dáta je moţné získať z prístrojov umiestnených na satelitoch, lietadlách, pozemných vozidlách, na statívoch resp. plošinách umiestnených mimo pobreţia. Letecké LIDARy sa vyuţívajú na modelovanie reliéfu pre inţinierske stavby, krízový manaţment prírodných katastrôf a iné vizualizácie. Stacionárne LIDARy sa vyuţívajú na detailné mapovanie infraštruktúry v konkrétnych lokalitách (napr. chemické prevádzky a pod.).
Získavanie dát leteckým LiDARom Červené body reprezentujú LiDARové body na povrchu terénu tvorené v určitom časovom intervale v tzv. vlnovom skenovacom cykle
Presnosť LiDARových dát LiDARové systémy zaznamenávajú pozičné (x, y) a výškové (z) údaje v preddefinovaných intervaloch. Výsledné LiDARové dáta sú vo forme veľmi hustého mračna bodov. Presnosť LiDARových dát závisí od: • • • •
letovej hladiny – výšky letu priemeru laserového lúča (závisí od systému) kvality údajov z GPS/IMU pouţitých postupov spracovania dát Dosiahnuteľná vertikálna presnosť: ±15cm
Kombinácia LiDAR + letecké snímky Spektrálne informácie obsiahnuté v leteckých snímkach v kombinácii s minimálne výškovými LiDAR údajmi = výrazne efektívnejšia automatická klasifikácia resp. fotointerpretácia Spojením LiDARu a leteckých snímok je moţné vytvoriť nové typy dátových výstupov, ktoré nebolo moţné získať zo snímok samotných. Príklad: Dva podobné druhy drevín sa zobrazujú na snímke veľmi podobne, ale vďaka dodatočným výškovým údajom odvodeným z LIDAR dát je ich moţné odlíšiť.
Mapovanie povrchu terénu LiDARom
Digitálny výškový model územia zaloţený na LiDARových dátach
Digitálny model terénu/reliéfu Švajčiarska – 0,5 bodu/m2
Fialová -8.0 bodov/m2 Žltá -0.2
Digitálny model terénu/reliéfu Švajčiarska – 0,5 bodu/m2
Moţnosti vyuţitia • • • • • • • • • • • •
Extrakcia povrchových objektov (budovy, infraštruktúra, vegetácia, a pod.) Vizualizácia terénu Topografické mapovanie Tvorba presných digitálnych modelov terénu, povrchu a digitálneho výškového modelu Územné plánovanie (vhodnosť pozemkov na výstavbu) Inţinierske stavby (cesty, ţeleznice, letiská, tunely) Plánovanie komplexnej cestnej infraštruktúry Mapovanie a manaţment líniových stavieb a podzemných vedení (cesty, potrubia, telekomunikácie) Rekultivácie nevyuţívaných banských oblastí Ţivotné prostredie - mapovanie/hodnotenie prírodných rizík (záplavy, zosuvy pôd, lavíny, erózia pôd, EIA) Geologické štúdie Hodnotenie/mapovanie prírodných zdrojov (LH, ochrana prírody, NATURA 2000)
Lesné hospodárstvo • • • • • • • • • •
meranie výšky stromov a korunovej vrstvy; profilácia korunového zápoja stanovenie objemu lesnej biomasy inventarizácia lesa, plánovanie hospodárskych opatrení v lesoch priame meranie 3D štruktúry lesných porastov a variability priestorovej štruktúry rastlinného materiálu (listy, vetvy, kmene stromov) podrobné mapovanie lesného terénu monitoring lesných biotopov manaţment horských povodí modelovanie rizika lesných poţiarov a správania sa ohňa v lese v závislosti od mnoţstva horľavého materiálu v korunovej vrstve optimalizácia plánovania lesníckych činností meranie maximálnych výšok stromov pre odhad veľkosti koreňovej sústavy (vyuţitie v poisťovníctve budov a stavieb)
Vertikálna štruktúra rôznovekého lesného celku s rozhraním les/bezlesie Modrou farbou sú znázornené plochy bez lesnej vegetácie
‚desert‘
‚forest‘
Mapovanie vegetačných typov s vyuţitím LiDARu – príklad z Alberty 1. 2.
3. 4. 5. 6.
zaloţené na digitálnych výškových modeloch z LiDARu a z nich odvodených tzv. wet area maps => vyššia presnosť, miera detailu a prevádzková efektívnosť týkajúca sa: Vylíšenia prírodných biotopov a vhodných stanovíšť pre rastlinné druhy vrátane zriedkavých druhov (typické druhy pre zamokrené a suché stanovištia) pre rôzne veľké plošné jednotky Výberu stanovištne vhodných druhov pre narušené plochy v rozmedzí zamokrené – suché stanovištia Analýzy trás a migračných ciest pre druhy fauny a flóry vrátane inváznych druhov Plánovania turistických chodníkov a prístupových trás do lesov a parkových oblastí pri minimálnom fyzickom, chemickom a biologickom dopade na miestne biotopy a migračné trasy Identifikácie najvhodnejších plôch na priemyselnú a rezidenčnú výstavbu Spresnenie existujúcich modelov stanovištnej klasifikácie, rastových a bonitných modelov
Vegetačný index z LiDAR dát ilustrujúci rozmiestnenie biotopov v skúmanom území (zelenou sú zamokrené stanovištia, hnedou sú suché stanovištia)
Mapa vegetačného indexu odvodená z LiDARu Východiská: 1. Z LiDARu odvodeného digitálneho výškového modelu 2. Z LiDARu odvodená mapa zamokrených stanovíšť (wet areas map) so všetkými povrchovými vodnými prvkami a prietokovými kanálmi vrátane minimálne 4 ha veľkých akumulačných území pre kaţdý prvok a kanál 3. Z mapy zamokrených stanovíšť odvodeného kartografického vylíšenia tzv. “hĺbky do vody” medzi vymapovanými prietokovými kanálmi a povrchovými vodnými prvkami 4. Konverzia “hĺbky do vody” na vegetačný index s dodatočnými korekciami z dôvodu sklonu a expozície pre kaţdú rastovú bunku Odvodený index je moţné pouţiť na ako ukazovateľ gradientu vegetačných typov na prechode od hydrických (napr. v depresiách) ku xerickým (v hrebeňových partiách resp. na strmých juţných svahoch)
Mapovanie inváznych drevín v pobreţných dunách Holandska
Mapovanie územia a kartografia V kombinácii s leteckými snímkami sa LIDAR vyuţíva pri mapovaní infraštruktúry (napr. cestnej siete) zastavanosti území a mapovaní vegetácie. 3D aspekt LIDAR dát je osobitne významným faktorom pri tvorbe terénnych modelov vrátane komplexných modelov horského terénu. Z LiDARu odvodený digitálny výškový model povrchu terénu bez vegetácie– juh Colorada, USA (3D perspektívny pohľad)
Poľnohospodárstvo LIDAR môţe pomôcť farmárom špecifikovať plochy s potrebou aplikácie priemyselných hnojív. S pomocou LIDARu je moţné vytvoriť topografické mapy ornej pôdy a pasienkov podrobne identifikujúce tvary terénu a slnečné expozície. Kombináciou výnosov z jednotlivých plôch a týchto údajov je moţné klasifikovať plochy podľa stupňa úrodnosti a nastaviť tak optimálny reţim obhospodarovania týchto plôch.
Presné topografické mapy z LiDARových dát umoţňujú poľnohospodárom efektívne plánovať hnojenie a sústrediť zdroje na najúrodnejšie časti ich pozemkov. Podobne sa dá optimalizovať aj výsadba plodín vzhľadom na lokálne vlhkostné pomery a riziko výskytu pôdnej erózie (Mississippi, USA)
Archeológia Plánovanie archeologických vykopávok v teréne a mapovanie prvkov pod úrovňou lesnej vegetácie. LIDAR tieţ umoţňuje vytvárať presné digitálne modely archeologických lokalít, ktoré poskytujú detailné informácie o mikroreliéfe danej plochy často neznámom kvôli vegetačnému krytu.
Vodné hospodárstvo Mapovaní údolných nív riek a záplavových území. Efektívny nástroj pri modelovaní záplav a ich dopadov v konkrétnom území.
Modelovanie a mapovanie záplav spôsobených zráţkovou vodou v mestách (búrky/lejaky) - Holandsko
Analýza vodných zdrojov a predpovedanie rizika záplav – mapa rizika záplav v údolnej nive rieky Des Plaines, Illinois, USA
Digitálna mapa pre stanovenie sadzieb poistenia nehnuteľností proti záplavám – príklad z Will County, Illinois, USA (zóny modrou sú zóny so zvýšeným rizikom záplav)
Územné plánovanie LIDAR dáta v kombinácii s digitálnymi ortofoto snímkami je moţné vyuţiť na tvorbu digitálnych modelov povrchu s vysokou úrovňou detailu a následne digitálnych modelov miest. Veľkou výhodou tejto technológie je moţnosť vytvárať modely aj pre veľké územia s minimálnymi nárokmi na čas.
3D pohľad farebného digitálneho modelu reliéfu z plného mračna bodov LiDARu – univerzitný areál v Boulderi, Colorado, USA
Lidar a hodnotenie kvality ţivota v mestách Spolu s ostatnými geoinformačnými technológiami je moţné LiDAR vyuţiť na mapovanie zástavby a zelených plôch v urbanizovaných oblastiach a vertikálnej štruktúry vegetácie => podrobný prehľad o stave a rozmiestnení vegetácie v urbanizovanom priestore - priamy vzťah k hodnoteniu kvality ţivotných podmienok obyvateľov LiDAR umoţňuje kalkulovať objem a výšku vegetácie a budov/objektov/stavieb v mestách Príklad z Krakova: LiDAR + satelitné snímky pilotné územie 3,5 x 5,0 km typický mestský set-up – kombinácia vysokých obytných/komerčných budov, rodinných domov, nákupných centier, priemyselných zón, parkov a ostatných zelených plôch Výsledok: vektorová vrstva obsahujúca detaily budov/objektov/stavieb a hranice nízkej a vysokej vegetácie => 3D priestorové indexy: Pomer objemu vegetácie k objemu zastavanej plochy, berie do úvahy len vysokú zeleň Index mestskej vegetácie – charakterizuje nielen vysokú zeleň a zastavané plochy, ale aj plochu nízkej zelene
Extrakcia budovy s vyuţitím leteckej snímky a LiDARových dát a/ letecká snímka b/ surová bodová LiDAR triangulácia c/ konečný model budovy
LiDARom vytvorený model Miller Hall, Queen’s University v Kanade
Identifikácia tzv. Urban Heat Islands (UHI) s vyuţitím LiDARu LiDAR dáta je moţné úspešne vyuţiť na mapovanie teplotných pomerov a výskytu tieňov (budovy, vysoká zeleň) v urbanizovaných oblastiach veľkých miest – osobitne významné informácie v súvislosti s narastajúcim výskytom horúčav a extrémnym prehrievaním zastavaných plôch Príklad z Londýna: -
-
Hodnotenie morfologických charakteristík vegetácie a budov/stavieb Severo-juţný LiDAR tranzekt naprieč Londýnom (19 hodnotených zón) Údaje o maximálnych/priemerných výškach vegetácie/budov/stavieb a hustoty zastavanosti územia Údaje o výskyte tieňov v rámci skúmaných mestských zón
Výsledok: Vegetácia má potenciál byť najefektívnejším nástrojom zniţovania tepelného stresu v letných mesiacoch v husto obývaných urbanizovaných územiach Nasledujúca snímka: Digitálny výškový model budov/stavieb v prekryve s digitálnym výškovým modelom vegetácie pre 19 hodnotených zón
Tieňové pomery na 1 skúmanej lokalite v dvoch rôznych obdobiach (3.6.2010 a 25.9.2009) a 5 rôznych častiach dňa. Čierne plochy sú tiene generované budovami, tmavošedé plochy sú tiene generované vegetáciou
Plánovanie cestnej a železničnej infraštruktúry Mapovanie dopravných koridorov si vyţaduje vysokú priestorovú presnosť a vysokú presnosť inţinierskeho plánovania. Letecký LIDAR je schopný poskytnúť veľké mnoţstvo údajov za veľké územné celky v krátkom časovom okamihu a ekonomicky efektívnym spôsobom zatiaľ čo pozemný LIDAR je schopný poskytnúť zvýšenú úroveň a kvalitu detailu v špecifických územiach. Analýza miestnych odtokových pomerov, optimalizácia odvodňovacích kanálov, priepustov a ďalších cestných telies
Digitálny výškový model a 33 cm vrstevnice pre výstavbu mostnej konštrukcie v Carroll County, Illinois, USA
Prieskum topografických trás – obnova diaľničnej infraštruktúry (priepusty resp. iné odvodňovacie telesá) Illinois, USA Kombinácia LiDAR dát, údajov z terénnych prieskumov a fotogrametrie => extrakcia detailov vozovky, 3D modely cestných telies, digitálny výškový model terénu
Optimalizácia výstavby cestných kriţovatiek z hľadiska prehľadnosti prekáţok a výhľadu na strane vodiča (tzv. línia viditeľnosti)
Hodnotenie sklonu vozovky s ohľadom na výkon jednotlivých typov vozidiel Severná Karolína, USA Potrebný výkon vozidla kalkulovaný na základe rýchlosti, zrýchlenia a sklonu vozovky Výhody pouţitia LiDARu: vyššia presnosť, úspora času a nákladov, vyššia hustota meraných bodov
Odhad intenzity dopravy Columbus, Ohio,USA LiDAR bol pouţitý na zber dát z dopravných koridorov o počte/type prechádzajúcich vozidiel, ich rýchlosti a objeme dopravy na kriţovatkách. Za pomoci špeciálneho SW sa z LiDAR dát extrahovali vozidlá, zoskupili sa do jednotlivých kategórií a odhadla sa ich rýchlosť. Úspešnosť extrakcie/klasifikácie: 85-99%
Mapovanie zosuvov pôd a skál - Výrazná úspora nákladov a pracovnej sily najmä v zalesnenom a horskom teréne so značným sklonom svahov, osobitne významné v okolí dopravných trás - Kombinácia leteckých snímok, overovania v teréne a výškových dát z LiDARu - Výhodou LiDARu je, ţe poskytne obraz o skutočnom povrchu terénu be zohľadu na vegetačný kryt
Návrh trasy elektrického vedenia (ostatných líniových stavieb) LiDAR je najefektívnejším nástrojom trasovania infraštruktúry elektrického vedenia (umiestnenie stĺpov, veţí, previs lán, protipoţiarne línie, zásahy do okolitej vegetácie a pod.)
Telekomunikačné a mobilné siete Schopnosť LIDARu poskytovať veľké súbory údajov s vysokou rozlišovacou schopnosťou v relatívne krátkom časovom intervale pre veľké územné celky ho radí k vysoko efektívnym nástrojom plánovania mobilných sietí. Získané detailné informácie je moţné zakomponovať do štatistických resp. GIS softvérov a vyuţiť na optimalizáciu infraštruktúry (stoţiare, antény) mobilných sietí.
Ďakujem za pozornosť
