Výškopisná data ČR – laserové skenování Státní mapová díla (3) Prezentace starých mapových děl z území Čech, Moravy a Slezska ◼ http://oldmaps.geolab.cz ◼ http://chartae- antiquae.cz/cs/mapsets/ ◼ https://maps.arcanum.com/en/ Interpretace – 2. vojenské mapování ◼ stanice pro výběr mýta, boží muka, kříže a kapličky – podél cest, ◼ strážnice – podél železnic, červenou barvou označené, zkratka W.H., ◼ dále na železnicích: mosty – dřevěné – kamenné, ◼ průmyslové stavby – blíže určené popisem (cihelny, brusírny) ◼ myslivny, cisterny a studny Více viz Vichrová (2006) – studijní materiály v ISu Stav výškopisných DB v ČR před laserovým skenováním (≈ 2009) Název databáze Obsah Střední chyba výšky (σz) ZABAGED® – výškopis Vektorizované vrstevnice ZM 10 uložené jako 3D objekty ve formátu DGN. 0,7–1,5 m v odkrytém terénu 1–2 m v intravilánech 2–5 m v zalesněných územích ZABAGED® – zdokonalený výškopis aktualizované a zpřesněné vrstevnice ZM 10, doplněné o terénní hrany náspů, výkopů, břehů, nádrží apod. 0,7–1,5 m v odkrytém terénu 1–2 m v intravilánech 2–5 m v zalesněných územích ZABAGED® – grid10 × 10 m Odvozený model z databáze ZABAGED® – zdokonalený výškopis do formy gridu (GRID) 10 × 10 m 0,7–1,5 m v odkrytém terénu 1–2 m v intravilánech 2–5 m v zalesněných územích ZABAGED® – Grid 100 × 100 m Výškový model ve formě gridu (GRID) 100 × 100 m 3–5 m v odkrytém terénu 5–8 m v intravilánech 10–15 m v zalesněných územích DMR 3. generace Výškový model ve formě nepravidelné sítě TIN získaný stereofotogrammetrickou metodou 1–2 m v odkrytém terénu 1–2 m v intravilánech 3–7 m v zalesněných územích MO Východiska projektu (≈ 2009) ◼ DMR 3. generace vytvořilo MO ČR stereofotogrammetrickým mapováním v letech 2003 až 2008. ◼ všechny ostatní v tabulce uvedené výškopisné databáze vycházejí z : ◼ z vojenského topografického mapování ČSSR prováděného v letech 1952 až 1957 pro vojenskou topografickou mapu v měřítku 1:25 000. ◼ následně z mapování pro topografickou mapu v měřítku 1:10 000 vytvářenou společně civilní i vojenskou zeměměřickou službou ČSSR v letech 1957 až 1971. Východiska projektu (≈ 2009) ◼ i přes následné aktualizace a modifikace se však nepodařilo udržet homogenitu a aktuálnost uvedených výškopisných databází. ◼ jedním z hlavních nedostatků současných digitálních modelů reliéfu je jejich nedostatečná přesnost a vysoká míra generalizace. ◼ ta neumožňuje s požadovanou přesností interpretovat objekty mikroreliéfu ani prostorově lokalizovat jiné geografické objekty v třídimenzionálních geografických informačních systémech. Východiska projektu (≈ 2009) ◼ dosud postrádaným produktem je digitální model povrchu (DMP) ◼ již delší dobu je požadován zejména v resortech MO ČR, Ministerstva vnitra ČR a Ministerstva dopravy ČR k zajištění tvorby mezinárodních databází standardů ICAO (International Civil Aviation Organization) pro účely řízení letecké dopravy na území ČR. Projekt nového mapování výškopisu ◼ na základě vyhodnocení: ◼ uživatelských potřeb výškopisných dat z území celé ČR. ◼ zhodnocení možných metod tvorby a aktualizace výškopisných databází. ◼ bylo navrženo zajistit tvorbu nového výškopisu ČR metodou leteckého laserového skenování. Projekt tvorby nového výškopisu území České republiky ◼ letecké laserové technologie nahrazují dříve využívané metody tvorby 3D dat. ◼ není oficiálně (tj. ve vyhlášce) deklarováno jako státní mapové dílo. ◼ nejnovější, nejrychlejší a nejnákladnější technologie ◼ výškopisné databáze jsou potřebné v systémech veřejné správy a také pro další státní mapová díla. Proč nová výškopisná data ◼ tehdejší existující data byly místy zastaralá (zejména v určitých územích typech). ◼ svou přesnosti a kvalitou limitovaly rozvoj geoinformačních a řídících systémů; ◼ proto vznikl projekt noveho mapováni vyškopisu ČR. ◼ umožní tvorbu DMT i DMP. Digitální model terénu (DMT) Digitální model povrchu (DMP) Digitální model terénu (DMT) Digital Terrain Model (DTM) Digitální model povrchu (DMP) Digital Surface Model (DSM) Letecký laserový skener (LLS) ◼ rozmítá laserový paprsek v rovině přibližně kolmé na dráhu letu. ◼ měří vzdálenosti od skeneru k pozemním bodům, ◼ výsledným produktem jsou soubory (mračna) výškových bodů Mračno bodů – ukázka Mračno bodů – ukázka Hlavní charakteristiky projektu ◼ kvalita LLS je základním předpokladem pro dosažení požadovaných parametrů výsledných produktů ◼ ovlivňují ji zejména: ◼ výška letu ◼ rychlost letu ◼ stabilita letu ◼ meteorologické a klimatické podmínky a ◼ parametry laserového skeneru Hlavní charakteristiky projektu ◼ Bylo navrženo provádět letecké laserové skenování maximalně ze střední výšky 1500 m nad terénem; ◼ reálně přitom lze dosáhnout hustoty měření až 1 bod/m2; ◼ přibližně 10 až 25 % paprsků pronikne lesním porostem; ◼ provádění leteckého laserového skenování převážně v mimo-vegetačním období; ◼ základní parametry letů jsou zřejmé z následujícího obrázku a z udajů uvedených v tabulce . Hlavní charakteristiky projektu Parametr Hodnoty Nadmořská výška letu (letová hladina) (H) 1800 m 2100 m 2400 m Střední výška letu nad terénem (h) 1500 m 1500 m 1250 m Minimální nadmořská výška skenovaného území (H3) 100 m 400 m 700 m Střední nadmořská výška skenovaného území (H2) 300 m 600 m 1150 m Maximální nadmořská výška skenovaného území (H1) 500 m 800 m 1600 m Vzdálenost letových drah (a) 833 m 833 m 769 m Překryt skenování (q) 45 – 59 % 45 – 59 % 30 – 64 % Maximální vychýlení paprsku (Θmax) 30° 30° 30° Minimální délka paprsku v nadiru (h1) 1300 m 1300 m 800 m Maximální délka paprsku v nadiru (h3) 1700 m 1700 m 1700 m Minimální radiální vzdálenost (r1) 750,5 m 750,5 m 462,0 m Maximální radiální vzdálenost (r3) 981,5 m 981,5 m 981,5 m Maximální délka paprsku na okraji skenování (d3) 1963 m 1963 m 1963 m Hlavní charakteristiky projektu Obr. 1. Parametry leteckého laserového skenování. Hlavní charakteristiky projektu – shrnutí ◼ parametry uvedené v tabulce zajišťují, že pro území o nadmořské výšce od 100 do 800 m bude dosažen průměrný překryt skenování 52 % ◼ skenování po blocích o rozměrech až 10 × 30 km v závislosti na vertikální členitosti skenovaného území ◼ jednotlivé bloky budou skenovány v závislosti na převládající nadmořské výšce území v bloku v jedné z následujících letových hladin (tj. z absolutních výšek letu) 1800 m n. m., 2100 m n. m. a 2400 m n. m. Možnosti využití laserového snímání povrchu pro vodohospodářské účely (Uhlířová a Zbořil, 2009 = VÚV TGM) Cíl: ◼ zpřesnění polohy os vodních toků, ◼ identifikace příčných překážek v korytě toku ◼ posouzení vhodnosti použití dat LLS v příbřežních zónách jako vstupu do 1D nebo 2D hydrodynamických modelů pro stanovení záplavových území. Experimentální sběr dat z výšky 1200 – 1500 m a hustota mračna je cca 1,2 bod/m2. Poskytnuty sady dat: ◼ Klasifikované mračno bodů (1,2 bod/m2) – např. vrstva terén, budovy, vegetace atd., střední souřadnicová chyba - 0,18 m. ◼ Digitální model reliéfu (5 x 5 m), střední souřadnicová chyba - 0,30 m. Možnosti využití laserového snímání povrchu pro vodohospodářské účely (Uhlířová a Zbořil, 2009) Možnosti využití laserového snímání povrchu pro vodohospodářské účely (Uhlířová a Zbořil, 2009) Vyhodnocení záplavového území (Uhlířová a Zbořil, 2009) ◼ Fotogrammetrie, LLS, ZABAGED Možnosti využití laserového snímání povrchu pro vodohospodářské účely (Uhlířová a Zbořil, 2009) Možnosti využití laserového snímání povrchu pro vodohospodářské účely (Uhlířová a Zbořil, 2009) Výsledky studie doporučující, rozdíly a zpřesnění patrné, modelování neproběhlo – nebylo pokryto povodí. Digitální výškopisné produkty ◼ Digitální model reliéfu území České republiky 4. generace (DMR 4G) ◼ ve formě mříže (GRID) 5 × 5m se střední chybou výšky ◼ σz = 0,30 m v odkrytém terénu a ◼ σz = 1 m v zalesněném terénu ◼ měl být vytvářen po částech území ČR, kde již proběhne letecké laserové skenování; ◼ v termínech vždy do půl roku po naskenování příslušného území; ◼ z celého území ČR měl být vytvořen do jednoho roku po ukončení skenování. Výsledné výškopisné produkty ◼ Digitální model reliéfu území České republiky 5. generace (DMR 5G) ◼ ve formě nepravidelné sítě vybraných výškových bodů („TIN“) se střední chybou výšky ◼ σz = 0,18 m v odkrytém terenu a ◼ σz = 0,3 m v zalesněném terénu ◼ tento model měl být vytvořen snímkování celého území ČR, tedy do konce roku 2015; ◼ bude vytvářen postupně v částech území, kde již proběhne skenování, a to v termínech do dvou let po naskenování tohoto území. Výsledné výškopisné produkty ◼ Digitální model povrchu území České republiky 1. generace (DMP 1G) ◼ ve formě nepravidelné sítě vybraných výškových bodů („TIN“) se střední chybou výšky ◼ σz = 0,4 m pro přesně prostorově vymezené objekty (budovy) ◼ σz = 0,7 m pro objekty přesně neohraničené (lesy a další prvky rostlinného půdního krytu) ◼ tento model měl být vytvořen do tří let po ukončení skenování území ČR; ◼ byl vytvářen postupně v částech území, kde již proběhne skenování, a to v termínech do dvou let po naskenování tohoto území. Postupy zpracování výškopisných dat ◼ zajišťoval zeměměřický odbor Zeměměřického úřadu v Pardubicích ve spolupráci s oddělením fotogrammetrie Vojenského geografického a hydrometeorologického úřadu v Dobrušce ◼ jako základní technologické vybavení se využily především softwarové nástroje ze skupiny programů SCOP++ z produkce německé firmy INPHO GmbH a software a nadstavby ArcGIS z produkce firmy ESRI. Postupy zpracování výškopisných dat – důvěryhodnost a přesnost ◼ pro DMR 5G bylo na území ČR zaměřeno cca 800 komparačních základen ◼ zpravidla horizontální bodové mikropole o rozměrech cca 100 × 100m se zaměřenou sítí výškových bodů v mříži obvykle 10 × 10m a se zaměřenými významnými vodorovnými hranami vybraných objektů, například budov nebo bazénů. Postupy zpracování výškopisných dat ◼ vstupními daty pro vytvoření výškopisných modelů byly: ◼ data z leteckého laserového skenování; ◼ ortofoto ČR; ◼ existující výškopisné databáze ; ◼ geodeticky zaměřená data z komparačních zakladen; ◼ případně další geodeticky zaměřená výškopisná data. Postupy zpracování výškopisných dat ◼ základním technologickým postupem při zpracování výškopisných dat je automatizovaná filtrace dat s využitím programu SCOP++ LIDAR ◼ automatizovaná separace zaměřených výškových bodů ze vstupních mračen dat do čtyř samostatných datových souborů: ◼ odrazy od země; ◼ odrazy od staveb; ◼ odrazy od vegetace; ◼ chybné odrazy od objektů mimo zemský povrch. Postupy zpracování výškopisných dat ◼ odhalení hrubých chyb s využitím dosavadních výškopisných modelů; ◼ identifikace prostorů s nadměrnými rozdíly současného a nového výškového modelu; ◼ individuální posouzení vybraných prostorů tak, aby již pro generování DMR 4G byly odhaleny a opraveny hrubé chyby způsobené zejména neprostupností laserového paprsku hustým lesním porostem. Postupy zpracování výškopisných dat ◼ k zajištění požadované kvality DMR 5G a DMP 1G budou data celoplošně manuálně kontrolována a interaktivně opravována. ◼ základními nástroji budou programy DT Master ze skupiny programů SCOP++ a ArcGIS Spatial Analyst a ArcGIS 3D Analyst ze skupiny programů ESRI. Postupy zpracování výškopisných dat ◼ výsledné produkty DMR 4G, DMR 5G a DMP 1G byly transformovány do souřadnicových referenčních systémů S-JTSK a WGS 84/UTM; ◼ a “rozřezány” do standardizovaných ukládacích jednotek; ◼ v případě uložení dat v S-JTSK je základní ukládací jednotkou prostor o velikosti 2 x 2,5 km vymezený kladem statní mapy 1 : 5 000 (SM 5); ◼ v případě uložení dat v referenčním souřadnicovém systému WGS 84/UTM se předpokládalo data ukládat po blocích o velikosti 10 x 10 km vymezených rovinnou souřadnicovou sítí WGS 84/UTM. Hlavní zásady normalizace ◼ produkty byly zpracovány podle jednotných pravidel na celém území ČR. ◼ byly zpracovány v souřadnicových referenčních systémech WGS 84/UTM a SJTSK a ve výškovém systému Baltském – po vyrovnání (Bpv). ◼ navržená formální struktura datových bází TIN a GRID bude odpovídat základním požadavkům mezinárodních standardů OGC. ◼ k jednotlivým datovým sadám byla doplněna metadata v souladu s požadavky ISO 19115. Sektory zpracování LLS – plán Sektory zpracování LLS – realita https://ags.cuzk.cz/geoprohli zec/?m=META_DMP_1G Závěry – aktuální k roku 2010 ◼ bylyvytvořeny zcela nové výškopisné databáze o území ČR. ◼ DMR 5G se stane základní a trvale aktualizovanou výškopisnou databází ◼ budou z ní generovány odvozené výškopisné produkty a databáze pro různé aplikace a informační systémy veřejné správy ČR. Závěry – aktuální k roku 2010 ◼ významných efektů bude dosaženo při aplikaci přesných výškopisných modelů v oblastech ◼ krizového řízení ◼ nové výškopisné modely umožní rozvoj a uplatnění simulačních technologií a trenažérové techniky při výcviku na plnění úkolů krizového charakteru. Závěry – aktuální k roku 2010 ◼ v resortech MŽP ČR a MZe ČR umožní DMR 5G například: ◼ výpočty objemů srážek a odtoků z povodí, ◼ přesné vymezení záplavových území, ◼ zpřesnění průběhů vodních toků včetně jejich spadů a odtokových charakteristik, ◼ stanovení odtokových směrů vod a na jejich základech efektivní ovlivňování zemědělské výroby včetně užívání chemických hnojiv a tím zvýšení ochrany povrchových i podzemních vod. Závěry – aktuální k roku 2010 ◼ resortu MMR ČR, resortu MD ČR a orgánům územní samosprávy bude poskytnut jeden z nejdůležitějších územně analytických podkladů ◼ pro plánování a projektování pozemní, dopravní a vodohospodářské výstavby v jejich působnosti. Závěry – aktuální k roku 2010 ◼ V resortu ČÚZK umožní kvalitní výškopis: ◼ tvorbu nové generace ortofot ČR s rozlišením 0,25 m v území s absolutní polohovou přesností lepší než 0,5 m. ◼ následně pak i zvýšení přesnosti Základní báze geografických dat České republiky (ZABAGED) až o 50 % současné polohové přesnosti. ◼ zkvalitněna tvorba vrstevnic ve státních mapových dílech v měřítku 1 : 5 000 a 1 : 10 000 (návaznost na DMVS). Závěry – aktuální k roku 2010 ◼ četným uživatelům ve státní správě i územní samosprávě budou poskytnuty přesnější a kvalitnější kartografické podklady a geografické databáze pro územně orientované plánování a řízení rozvoje v jejich působnosti Výsledky leteckého laserového skenování ČR ◼ DMR 4G ve formě mříže 5 x 5 m (GRID) s úplnou střední chybou výšky 0,30 m v odkrytém terénu a 1 m v zalesněném terénu (výsledek předběžného automatizovaného zpracování) ◼ Termín: konec roku 2013 ◼ DMR 5G ve formě nepravidelné sítě bodů („TIN“) s úplnou střední chybou výšky 0,18 m v odkrytém terénu a 0,30 m v zalesněném terénu (finální poloautomatické zpracování dat) ◼ Termín: konec roku 2015 ◼ DMP 1G ve formě nepravidelné sítě bodů („TIN“) s úplnou střední chybou výšky 0,4 m pro přesně vymezené objekty a 0,7 m pro objekty přesně neohraničené (lesy a další prvky rostlinného půdního krytu) ◼ Termín: konec roku 2015 Ukázka dat – DMR 4G Ukázka dat – DMR 5G Ukázka dat – DMP 1G Ukázka dat – DMP 1G Výškopis dat z laserscanningu Současná dostupnost odvozených produktů https://ags.cuzk.cz/geoprohlizec/ https://ags.cuzk.cz/av/ ZABAGED a DMR5G (Čada a Šilhavý, 2013) ◼ Porovnání přesnosti datové sady ZABAGED výškopis – vrstevnice 3D (výškopis ZABAGED) s výškopisem vzniklým z dat leteckého laserového skenování (DMR5G) v testovacích oblastech v Plzeňském kraji. ◼ Cíl: identifikace, lokalizace a klasifikace hrubých chyb výškopisu ZABAGED. ◼ Metoda s vysokým stupněm automatizace byla aplikována na 250 testovacích plochách s celkovou rozlohou 85 km. ◼ Výsledná přesnost výškopisu ZABAGED je charakterizována úplnou střední výškovou chybou 0,86 m, systematickou chybou -0,23 m a výskytem hrubých chyb (větších než 2,6 m) na 3,1 % rozlohy testovacích ploch. Hrubé chyby (Čada a Šilhavý, 2013) 1. chyba ve výškopisu ZABAGED® – nedostatečně podrobné zobrazení reliéfu, 2. chyba ve výškopisu ZABAGED® – lokální neaktuálnost výškopisu, 3. neodstraněná chyba v automaticky filtrovaných datech DMR z LLS. Model ZABAGED systematicky VÝŠ než DMR5 Chyby v DMP 1G (Paleček, 2015) ◼ Nereálné převýšení – většinou odraz od objektů pohybujících se vzduchem mezi zemským povrchem a zdrojem laserového paprsku. Chyby v DMP 1G (Paleček, 2015) ◼ Rozlišení skutečných a neskutečných objektů nízko nad terénem Příklad skutečného (vlevo) a neskutečného objektu podobného vzhledu i relativního převýšení vůči svému okolí. Chyby v DMP 1G (Paleček, 2015) ◼ Nadbytečná filtrace budov a vegetace – přehlednost - odstranění části stromového porostu podél liniových prvků, jako jsou silnice, cesty, železnice, vodní toky, případně uvnitř obcí. Odstranění vegetace z okolí silnic a vodního toku. Chyby v DMP 1G ◼ Odstranění budov z modelu – namísto budov pouze inverzní tvary Chyby v DMR 5G (Paleček, 2015) ◼ Přehrazení vodních toků – vytváření bariér, modelování. Chyby v DMR 5G (Paleček, 2015) ◼ Chybné zařazení bodů (vegetace x reliéf) Chyby v DMR 5G (Paleček, 2015) ◼ Kolísání hustoty bodů (Uhlířová, Zbořil 2009) Analýzy výškopis – aktuálně https://ags.cuzk.cz/av/ Novější funkce: • Vlastnosti reliéfu • Výpočet objemu