Távérzékeléssel az árvízi biztonságért

Távérzékeléssel az árvízi biztonságért HUNAGI Konferencia 2013. április 4. Dr. Tomor Tamás Intézetigazgató Károly Róbert Főiskola

•  Árvízi megelőzés / felkészülés / tervezés •  Védekezés / beavatkozás •  Kárelhárítás / rendezés

Pilot – projekt: A TIKÖVIZIG és az ÉKÖVIZIG kezelésébe tartozó Tisza-szakaszok védelmi terveinek korszerűsítése (SH/2/6 projekt)

2

A TIVIZIG és az ÉMVIZIG kezelésébe tartozó tiszai szakaszok

3

A projekt által érintett ártéri öblözetek elhelyezkedése

Észak-Magyarországi Vízügyi Igazgatóság

Tiszántúli Vízügyi Igazgatóság

4

Az adatgyűjtés módszerei és az elvégzett feladatok •  •  •  • 

Légi lézerszkennelési felmérés Légi hiperspektrális adatfelvételezés Terepi geodéziai felvételezés és adatgyűjtés Területhasználat-térképezés és biomassza tömegbecslés •  Töltésszakadás-szimuláció •  Védelmi tervdokumentáció összeállítása

5

A fejlesztéshez elvégzett felmérés I. •  LIDAR légi geodéziai felmérés és orthofotó készítés terepi ellenőrző mérésekkel: –  Általa a Tisza töltés és annak közvetlen környezetének kellően pontos térképezéséhez, tervezéséhez nagyon gyorsan nyerhetők adatok. –  A LIDAR rendszerrel cmes pontosságú 3D felszín modell készíthető a környezetről, amely osztályozásával meghatározhatóak a mesterséges tereptárgyak, a különböző vegetációk térbeli pozíciói.

A légi lézerszkenner rendszer hardverösszetevői: a lézerszenzor, a hordozó eszköz (repülőgép), a navigációs rendszer (GPS és inerciális navigációs rendszer – INS).

A légi felvételezéssel nagy adatmennyiség érhető el, még azokon a területek is, ahol nincs rálátás (pl. zárt növényállományok). 6

Az alkalmazott LIDAR technológia Alkalmazott légi jármű

LIDAR rendszer felépítése, működése

Riegl légi lézerszkenner 7

Légi lézerszkennelési felmérés RIEGL LMS-Q680i rendszer specifikáció Rendszer paraméterek A lézer tartománya Javasolt maximális repülési magasság

Akár 5000 m Akár 3000 m föld felett

Lézer impulzus tartomány

80 – 400 kHz

Letapogatási gyakoriság

0 - 70 kHz

Látómező (Field of view (FOV))

30-60°

Többszörös visszhang impulzusonként

1-4

Rögzítés intenzitása

igen

Bólintás kompenzáció

igen

Légi lézerszkennelési felmérés A felmérés menete •  Lidar Felmérés Repülés: –  Átrepülések –  RIEGL LMS-Q680i felmérés repülés, pontsűrűség 4 pont/m2 –  GPS földi állomás és földi felmérés

•  Az adatok feldolgozása: –  –  –  –  –  – 

A GPS pálya DGPS feldolgozása (GrafNav) A Lidar pontfelhő feldolgozása Sávbeállítás a Lidar repülési vonalak között Minőség ellenőrzés földi ellenőrző méréseket használva A földi pontok osztályozása (DTM) Több átadási formátum létrehozása

Légi mérőkamerás felmérés LEICA RCD105 kamera A LEICA RCD105 digitális középformátumú kamerával a LIDAR felméréssel egy időben készültek képek.

A terepi kontrollmérések elhelyezkedése 4 mintaterületen (sárga pont jelöli a terepi kontrollmérés helyzetét)

Légi lézerszkennelési felmérés A projekt területe és a repülési útvonal

Légi lézerszkennelési felmérés A végproduktumok tulajdonságai Georeferált pontfelhő: •  Az átlagos pontsűrűség 4 pont/m2. Az első és utolsó visszavert jel és az ezekhez tartozó intenzitási értékek egyidejűleg kerültek felvételezésre •  A projekt területének alakja miatt keresztirányú sávok is lerepülésre kerültek •  Az egyes sávok közötti hosszirányú átfedés mértéke 20% •  A lézeres mérés relatív pontossága +/-15 cm horizontálisan és vertikálisan egyaránt •  420 db UTM vetületű, LAS kiterjesztésű állomány került átadásra TIFF-ek: •  A terepi felbontás 10 cm •  A keresztirányú átfedés átlagosan 30% •  A hosszirányú átfedés átlagosan 60% •  5700 felvétel készült összesen

RGB csatornákat és közeli infravörös csatornát tartalmazó ortofotó

Ortofotó és kinagyított részlete

Lidar pontfelhő felülnézetből

Lidar pontfelhő 3 dimenziós képe

Lidar pontfelhő profil képe

A fejlesztéshez elvégzett felmérés II.

• 

Hullámtér földhasználati kategóriáinak és a vegetációnak a térképezése légi hiperspektrális technológiával: –  A n ö v é n y i ö s s z e t é t e l p o n t o s meghatározására. –  Előnye: nagy terepi felbontás (0,5-1,5 m), könnyű alkalmazhatóság, és időben bármikor alkalmazható. –  A hiperspektrális adatok osztályozásából társulás, ill. faj szintű adatnyerés biztosítható. –  A vegetáció-analízisre nem ellenőrzött és ellenőrzött osztályba sorolási módszerek alkalmazhatóak. –  A h u l l á m t é r b i o m a s s z a h o z a m á n a k meghatározásával elkészítésre került a vegetáció digitális térbeli adatbázisa. 18

Hiperspektrális légi szenzor AISA DUAL légi HIPERSPEKTRÁLIS kamerarendszer precíziós OXTS GPS/INS rendszerrel

Az Eagle kamera a látható és a közeli infra tartományban (VNIR), míg a Hawk középinfra tartományban (SWIR) képes képalkotásra; a 400-2450 nm közötti intervallumot 498 csatorna programozható sávszélességgel fedi le. A mérőrendszer további részei

Légi hiperspektrális kamerarendszer repülőgépbe építve

Hiperspektrális szenzor

Légi hiperspektrális távérzékelés képekben Felvételezés közben készült fotó a Tiszáról A felvételezéshez használt Piper Pa-23-250 „Aztec” típusú repülőgép

A pilóta és a segédoperátor

A hiperspektrális szenzor beépítése

A pilóta felvételezés közben

20

Hiperpektrális felvételek előfeldolgozása

Vegetáció térkép készítése

Hiperspektrális felmérés – betekintés (RGB csatornák)

Digitális domborzatmodell és a vegetáció digitális térbeli adatbázisának létrehozása •  Digitális domborzatmodell: –  A LIDAR rendszerrel a felmért területről cm-es pontosságú 3D felszín modell készült, amely osztályozásával meghatározhatóak a Tisza folyó paraméterei, valamint a környező objektumok térbeli pozíciói. •  A vegetáció digitális térbeli adatbázisa: –  geometriai felbontás: min. 0,5*0,5m-es pixelméret –  pontosság: minimálisan 75%-os megbízhatóság növény-kategóriánként, a teljes pontosság minimálisan 80% –  vetületi rendszer: EOV és UTM34N 24

Terepi geodéziai felvételezés és adatgyűjtés A Tisza Tiszafüred – Rakamaz közötti szakaszán végzett geodéziai mérések műszaki végrehajtása az alábbiakra terjedt ki: •  zsilipek: koordináta, fenékszint (vízoldali és mentett oldali), nyílás felső szintje (átmérő), aknák tetőszintje •  kilométerkövek: tszf (mBf) •  VO-kövek: tszf (mBf) •  sorompók (tengely-középpont koordináta) •  jelzőtáblák: közlekedési és szakaszhatár-jelző tábla (koordináta), egyéb keresztezések (nyomócsövek, öntözőcsövek, kábelek, közút, vasút, termékvezetékek): koordináták, légvezetékek esetén a töltéstengelyben mért magasság.

Tisza keresztező létesítmények 1. kilométerkő (a GPS0147 terepi pontnál)

Tábla (a GPS0144 terepi pontnál)

Felhajtó töltéstengely (a GPS0146 terepi pontnál)

Műtárgy (a GPS0133 terepi pontnál)

Jelzőtábla (a GPS0145 terepi pontnál)

Vascső (a GPS0142 terepi pontnál)

Területhasználat térképezés •  A földhasználat kategorizálásánál az osztályozás alapját a terepi mintavételezés során meghatározott referenciapontok képezték. •  A terepi mérések során szubméteres pontosságú GPS készülékkel faj szintű adatfelvételezés történt. •  A képosztályozásra a 0,5 m terepi felbontású geometriailag és radiometriailag korrigált hiperspektrális felvételeket és a Lidar adatokból előállított DTM és DSM rétegeket alkalmaztuk.

Rakamaz – Nagy-Morotva vegetáció térképe

Biomasszatömeg becslés A fatömegbecsléshez több paramétert alkalmaztunk: •  nDSM max: DTM a Lidar DSM és DTM-ből előállított felszínmodellt •  lombkoronahatár: az nDSM-en elvégzett felszíni simítás után lomkorona-szegmentumok •  fafaj azonosítás: a hiperspektrális felvételek osztályozásával az erdőterületeken végzett osztályozás •  Lidar réteg indexek: a különböző visszaverési értékek arányai és intenzitás réteg Borítás vizsgálat: •  A felszínborítás vizsgálatához a hiperspektrális felvétel közeli infravörös (799 nm) és vörös (677 nm) spektrális csatornáiból számított növényi vegetációs index (NDVI) és a terepen mért borítás értékek alapján számítottunk modellt.

Fa átmérő (cm)

Terepi adatgyűjtés Tiszakeszi mintaterület 32 30 28 26 24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0

y = 0,9112x - 6,119 R² = 0,6812 5

10

15

20

25

30

35

40

Fa magasság (m)

Fa magasság és átmérő közötti regresszió terepen mért adatok alapján, nemes nyár mintaterületen Mintavételi pontok

Fatérfogat becslés •  A regressziós egyenlet à fa átmérők meghatározása a LIDAR nDSM magassági adatokból. •  Fa magassági és törzsátmérő paraméterek alapján fatérfogat becslés Király-féle függvény segítségével (Király, 1968). •  A különböző fafajokra más, előre meghatározott paraméterek alkalmazása (összesen 9 paramétercsoport). •  A fatérfogatok alapján a különböző fafajok élőnedves sűrűségének (t/m3) kiszámítása. Király-féle fatérfogat függvény összesfára

Tiszakeszi mintaterület

FloodArea - Töltésszakadás szimuláció •  A FloodArea egy 2D hidrodinamikai alkalmazás árhullámok és töltésszakadások szimulációjára. •  Teljes mértékben integrálva van az ESRI ArcGIS 9.x (és ArcView 3.x) termékekbe, mint bővítmény. •  A fő célja, hogy lehatárolja az árvíz során elöntött területeket. •  Gátszakadás szcenáriók modellezése •  Árvízi szükségtározók szabályozott kivezetése •  További funkciók: •  szimuláció készítése különböző adatforrások felhasználásával •  az elöntések időbeni dinamikájának vizsgálata •  folyásirány- és sebesség meghatározása

Töltésszakadás-szimuláció

Szakadási pont

Az árvízi célú felmérésekhez rendelkezésre álló infrastruktúra a Károly Róbert Főiskolán

35

GIS – RS - Infrastruktúra 1. SGI szuperszámítógép SGI UV 2000 (24 db 2,4GHz Intel Xeon E5-4610 típusú 6-magos CPU - összesen 144 processzormag; 1536 GB RAM) 2 db SGI Octane III nagyteljesítményű grafikus munkaállomás SGI C2108-TY11 szerver SGI C1104-2TY9 dualnode szerver RAID tárolóegység

GIS – RS - Infrastruktúra 2. Légi LIDAR és orthokamera rendszer Leica ALS-70 HP és Leica RCD 30 RGBN nagy teljesítményű digitális légi LIDAR szenzor beépített nagy pontosságú GPS/INS rendszerrel és 60 MP mérőkamerával Légi hiperspektrális kamerarendszer AISA DUAL légi HIPERSPEKTRÁLIS légi kamerarendszer precíziós OXTS GPS/INS rendszerrel Minikamera-rendszer UAV hiperspektrális, UAV RGB, UAV thermális rendszerek

GIS – RS - Infrastruktúra 3. •  •  •  •  •  •  • 

•  • 

FIELDSPEC JR terepi SPEKTROFOTOMÉTER LEICA digitális szintező rendszer LEICA digitális ipari GPS totálmérőállomás TRIMBLE M3 geodéziai mérőállomás TRIMBLE R3 GPS geodéziai műholdas helymeghatározó rendszer pár Földi 3D TRIMBLE Spatial Imaging lézerszkenner GNSS Bázisállomás: GPS/L2C/L2E/L5/ GLONASS/Galileo/SBAS (Omnistar, EGNOS, WAAS) vételére A/0 OCÉ CS2436 Plotter és CS4244S szkenner Kettős célú hordozható hőkamera

GIS – RS - Infrastruktúra 4. •  ENVI 5.0 képfeldolgozó szoftverrendszer •  Ecognition Classroom OBIA (Object Based Image Analysis) célú szoftver objektum alapú képelemzésre •  ERDAS IMAGINE 8.7 távérzékelési és képfeldolgozó szoftver •  ArcGIS ArcView 10 •  LEICA Geo Office geodéziai feldolgozó szoftverrendszer •  Digiterra Explorer advanced - mobil térinformatikai szoftver •  JUNO TERRASYNC terepi GPS szoftverrendszer •  Visual Studio Pro 2008

GIS – RS - Infrastruktúra 5. §  CESSNA C-206 "Skywagon" távérzékelési célú egymotoros repülőgép §  PIPER PA-23-250 "Aztec" távérzékelési célú kétmotoros repülőgép §  UAV légieszköz minikamerák hordozása céljából (beszerzés alatt) §  Elektronikus navigáció VFR és IFR elektronikus térképekkel és megjelenítő eszközökkel §  GNS430AW NAV/COM/GPS navigációs rendszer §  GMA-347 vagy kompatibilis audió panellel, GI-106A vagy egyenértékű kijelzővel, antenákkal és duplexerrel §  Komplex passzív összeütközés figyelmeztető rendszer PCAS XRX és PCAS MRX §  S módú válaszjeladó GARMIN GTX-330 transzponder antennával §  406 MHz vészjeladó beépített GPS-el 406 INTEGRA AF és személyes vészjeladók (PLB) 406 MHz XS-4 §  Repülésvezérlő rendszer (robotpilóta) §  SHADIN AMS 2000 berendezés, tartozék RCA 2600-2 csúszásjelzővel §  Műholdas kommunikációs egység (2 db)

Köszönöm a figyelmet!

Dr. Tomor Tamás [email protected]