OVĚŘENÍ PŘESNOSTI LASEROVÝCH DAT Z PROJEKTU NOVÉHO MAPOVÁNÍ VÝŠKOPISU ČESKÉ REPUBLIKY

Transkript

1 Univerzita Palackého v Olomouci Přírodovědecká fakulta Katedra geoinformatiky Filip FEDRZEL OVĚŘENÍ PŘESNOSTI LASEROVÝCH DAT Z PROJEKTU NOVÉHO MAPOVÁNÍ VÝŠKOPISU ČESKÉ REPUBLIKY Bakalářská práce Vedoucí práce: RNDr. Jakub MIŘIJOVSKÝ, Ph.D. Olomouc 2014

2 Čestné prohlášení Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci bakalářského studia oboru Geoinformatika a geografie vypracovala samostatně pod vedením RNDr. Jakuba Miřijovského, Ph.D. Všechny použité materiály a zdroje jsou citovány s ohledem na vědeckou etiku, autorská práva a zákony na ochranu duševního vlastnictví. Všechna poskytnutá i vytvořená digitální data nebudu bez souhlasu školy poskytovat. V Olomouci 9. května 2014

3 Děkuji vedoucímu práce RNDr. Jakubovi Miřijovskému, Ph.D. za podněty a připomínky při vypracování práce. Za poskytnutá data děkuji Českému zeměměřičskému a katastrálnímu úřadu a katedře Geoinformatiky Univerzity Palackého v Olomouci za poskytnutí GNSS přijímače.

4 Vložený originál zadání bakalářské/diplomové práce (s podpisy vedoucího katedry, vedoucího práce a razítkem katedry). Ve druhém výtisku práce je vevázána fotokopie zadání.

5 OBSAH SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK... 6 ÚVOD CÍLE PRÁCE POUŽITÉ METODY A POSTUPY ZPRACOVÁNÍ Použitá data Digitální model reliéfu 4. generace Digitální model reliéfu 5. generace Referenční data z geodetického měření Použité programy SOUČASNÝ STAV ŘEŠENÉ PROBLEMATIKY LIDAR Princip fungování Konstrukce Chyby Nové mapování výškopisu ČR Základní popis Zpracování Přesnost a kvalita DMR PRAKTICKÁ ČÁST Zájmové lokality Zpracování dat Charakteristiky přesnosti DMR VÝSLEDKY Výsledky pro DMR 4G Výsledky pro DMR 5G DISKUZE ZÁVĚR POUŽITÁ LITERATURA A INFORMAČNÍ ZDROJE SUMMARY PŘÍLOHY 5

6 SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK Zkratka Význam ALS Airborne laser scanning Bvp Balt po vyrovnání CW Continuous wave ČÚZK Český úřad zeměměřičský a katastrální DGPS Differential Global Positioning System DMR Digitální model reliéfu Esri Environmental System Research Institute GNSS Global Navigation Satellite System GPS Global Positioning System IMU Inertial Measurement Unit INS Inertial Navigation System JTSK Jednotná trigonometrická síť katastrální LIDAR Light detection and ranging LLS Letecké laserové skenování LMS Letecký měřičský snímek LRU Laser Ranging Unit MO Ministerstvo obrany České republiky MZe Ministerstvo zemědělství České republiky OMSD Opto-mechanical scanning device POS Positioning and orientation system PP Přírodní památka PPS Pulse-per-second RTK Real-time kinematics SM 5 Státní mapa 1:5 000 TIN Triangulated irregular network TOF Time-of-flight UTM Universal Transverse Mercator VGHMÚř Vojenský geografický a hydrometeorologický úřad VÚGTK, v.v.i. Výzkumný ústav geodetický, topografický a kartografický, v.v.i. VRS Virtuální referenční stanice WGS World Geodetic System WMS Web Map Service ZABAGED Základní báze geodetických dat 6

7 ÚVOD Letecké laserové skenování je dnes čím dál více používanou metodou sběru dat pro různá a mnohdy diametrálně odlišná odvětví, od aplikace jednoduchých laserových dálkoměrů při měření rychlosti až po vytváření přesných trojrozměrných modelů soch, památek a celého zemského povrchu včetně struktury atmosféry. Zvláště aplikace v případě skenování a následné modelace zemského povrchu nabízí značný pokrok proti starším metodám sběru výškových dat, díky mnohem vyšší přesnosti měření, vyšší hustotě měřených bodů a v neposlední řadě podstatně nižší časové náročnosti sběru dat a jejich zpracování. I z těchto důvodu přistoupil Český úřad zeměměřičský a katastrální (ČÚZK) při plánování tvorby nových a přesnějších výškopisných produktů, určených pro přesnost náročných aplikací, právě k leteckému laserovému skenování jako k efektivní a přesné moderní metodě sběru výškopisných dat. Udávaná přesnost vznikajících modelů je podstatná pro výběr správného produktu pro danou aplikaci, proto bude ověřování přesnosti a věrnosti těchto digitálních modelů terénu dlouho předmětem mnoha odborných prací a studií. 7

8 1 CÍLE PRÁCE Cílem bakalářské práce je ověřit přesnost dvou produktů (Digitální model reliéfu 4. generace a Digitální model reliéfu 5. generace) vzniklých z dat laserového skenování v rámci projektu Nového mapování výškopisu České republiky. První část práce je zaměřena na samotnou technologii laserového skenování s důrazem na chyby v přesnosti a následně i na samotný projekt Nového mapování výškopisu České republiky, včetně zpracování a tvorby výše uvedených produktů. Druhá část práce se zabývá statistickým porovnáním produktů vzniklých v rámci projektu Nového mapování výškopisu České republiky s vlastním geodetickým terénním měřením v oblastech s různou morfologií terénu. 8

9 2 POUŽITÉ METODY A POSTUPY ZPRACOVÁNÍ 2.1 Použitá data Pro potřeby práce byl použit Digitální model reliéfu České republiky 4. generace (DMR 4G) a Digitální model reliéfu České republiky 5. generace (DMR 5G) vzniklé v rámci projektu Nového mapování výškopisu České republiky z dat leteckého laserového skenování (LLS) a referenční body naměřené pomocí duálního GNSS přijímače Topcon HiPER II metodou RTK (Real Time Kinematic) s VRS (virtuální referenční stanice) referenční sítě TopNET. Data DMR 4G a DMR 5G poskytuje Český úřad zeměměřičský a katastrální (ČÚZK) pro potřeby diplomových, bakalářských a semestrálních prací zdarma v omezeném rozsahu, v případě DMR 4G a 5G po 20 mapových listech SM5 (ČÚZK). Data byla poskytována na základě písemné žádosti a následné elektronické objednávce na Geoportálu ČÚZK. Data byla posléze uvolněna ke stažení na Geoportálu ČÚZK. Bylo poskytnuto po 16 výdejních jednotkách (mapový list SM5) pro DMR 4G a DMR 5G z okolí městyse Jimramov a Nového Města na Moravě v pásmu Střed Digitální model reliéfu 4. generace Digitální model reliéfu 4. generace (DMR 4G) představuje přirozený nebo lidskou činností upravený zemský povrch. Vznikl interpolací nepravidelné sítě uzlových bodů z LLS v pravidelné čtvercové síti 5 x 5m (ČÚZK, 2012a). Výsledný digitální model je reprezentován ve formě gridu diskrétních bodů o souřadnicích X, Y a H. Polohové souřadnice jsou vedeny v matematickém souřadnicovém systému JTSK, přesněji v realizaci S-JTSK/Krovak East Nort EPSG: , kde x = -yjtsk a y = -xjtsk a vertikální souřadnice v referenčním systému Balt po vyrovnání (Bpv). Vzhledem k pravidelné síti 5 x 5 m není tento model schopen přesně vystihnout terénní nerovnosti a geomorfologické útvary menší než 5 m. Přesnost DMR 4G byla ověřována nad třemi sadami kontrolních dat (ČÚZK, 2012a): 1) Soubory kontrolních bodů na komparačních základnách (fotbalová hřiště, tenisové kurty, atd.) zaměřeny v síti 10 x 10 m pomocí GPS přijímačů metodou RTK. 2) Výšky vybraných bodů základního bodového pole (trigonometrických a zhušťovacích bodů) byly vybírány v rovinatém či mírně sklonitém terénu bez terénní kontroly, cílem bylo ověřit homogenitu DMR 4G. 3) Kontrolní geodetická měření realizovaná lokálně pro ověření přesnosti DMR 4G v oblastech s různým vegetačním krytem a častým výskytem terénních hran. 9

10 Po provedení kontroly přesnosti, bylo dosaženo zamýšlené a garantované maximální hodnoty úplné střední chyby DMR 4G, tedy 0,30 m v terénu bez souvislé vegetace a zástavby a 1 m v územích pokrytých hustou vegetací. Data jsou uložena v textovém formátu ve výdejních jednotkách odpovídajících kladu listů Státní mapy 1 : a následně v adresářích odpovídajících Státní mapě v měřítku 1 : (ČÚZK, 2012a) Digitální model reliéfu 5. generace Digitální model reliéfu 5. generace (DMR 5G) představuje stejně jako DMR 4G přirozený a lidskou činností upravený zemský povrch. Polohové souřadnice jsou také vedeny v matematickém souřadnicovém systému JTSK (EPSG: ) a vertikální v referenčním systému Bpv (ČÚZK, 2012b). Na rozdíl od DMR 4G se jedná o model ve formě nepravidelné trojúhelníkové sítě (TIN). Přesnost DMR 5G byla ověřována nad třemi sadami kontrolních dat stejně jako u DMR 4G. Z výsledků kontroly přesnosti vyplývá, že projektem Nového mapování výškopisu České republiky požadovaná přesnost 0,18 m v terénu bez souvislé vegetace a zástavby a 0,3 m v terénu pokrytém hustou vegetací, byla dosažena (ČÚZK, 2012b). Data DMR 5G jsou uložena v bezešvé databázi a pro výdej jsou ukládána do výdejních jednotek odpovídajících kladu listů Státní mapy 1 : v textovém formátu a následně do adresářů odpovídajících Státní mapě 1 : Dále jsou na žádost poskytována data s uměle vytvořenými body (interpolace v místech bez dat) a souhlas s hustotou dat pro manuální klasifikaci (ČÚZK, 2012b) Referenční data z geodetického měření Referenční data z vybraných oblastí byla naměřena v období mezi 15. a 30. březnem 2014 pomocí duálního GNSS přijímače Topcon HiPer II metodou RTK a korekcí ze sítě referenčních stanic TopNET (použitá Virtuální Referenční Stanice). Body byly měřeny v inverzní variantě matematického souřadnicového systému JTSK a výška v referenčním systému Bpv. 10

11 Tabulka 1 Technické parametry přijímače Topcon HiPER II (upraveno podle: HiPER II Dual Frequency GNSS Receiver, 2012) Sledování satelitů Počet kanálů 72 universálních kanálů Sledované signály GPS L1 CA, L1/L2 P-code, L2C Polohová přesnost GLONASS L1/L2 CA, L1/L2 P-code SBAS WAAS, EGNOS, MSAS Statická metoda L1 + L2 H: 3 mm + 0,5 ppm L1 V: 5 mm + 0,5 ppm H: 3 mm + 0,8 ppm V: 4 mm + 1 ppm Rychlá statická metoda L1 + L2 H: 3 mm + 0,5 ppm V: 5 mm + 0,5 ppm Kinematická L1 + L2 H: 10 mm + 1 ppm V: 15 mm + 1 ppm RTK L1 + L2 H: 10 mm + 1 ppm DGPS 2.2 Použité programy ArcGIS for Desktop 10.1 Advanced V: 15 mm + 1 ppm <0,5 m Z rozsáhlého balíku programů ArcGIS for Desktop 10.1 Advanced od firmy Esri, nabízejícího širokou funkcionalitu byl použit program ArcMap 10.1 pro zpracování textových souborů digitálních modelů, referenčních dat a vizualizaci některých výsledků. Microsoft Office Excel 2013 Program Microsoft Office Excel 2013 byl použit pro úpravu textových souborů DMR a pro další práci s daty z ArcMap 10.1, zejména pro výpočet statistických charakteristik a zpracování některých výstupů. RStudio (ver , R ve ver ) Program RStudio byl použit pro statistické testování souborů dat z digitálních modelů a referenčních dat. 11

12 3 SOUČASNÝ STAV ŘEŠENÉ PROBLEMATIKY Cílem této kapitoly je popsat princip fungování a konstrukci leteckých laserových skenerů s důrazem na zdroje chyby a jejich případné odstranění, tak i základní parametry projektu Nového mapování výškopisu České republiky. 3.1 LIDAR Laserové skenování (Laser detection and ranging - LIDAR) je technologie přímého měření vzdáleností uplatňující se v čím dál více oborech lidské činnosti, ať už v podobě jednodušších variant určených k měření rychlosti policií, které nahrazují klasické radary, přes totální stanice s laserovým dálkoměrem v geodetické praxi až k přístrojům určeným ke skenování nejrůznějších povrchů těles i struktury atmosféry a obsahu polutantů v atmosféře (Dolanský, 2004). Přestože se jedná o technologie různého určení, jsou všechny založeny na stejném principu fungování. Laserové skenery se dnes stávají důležitým zdrojem prostorových dat a zažívají svůj rychlý rozkvět. Laserový skener se řadí mezi aktivní systémy sběru dat, podobně jako radar, od něhož je odvozen název LIDAR (Laser Detection And Ranging), je tak na rozdíl od fotogrammetrie nezávislý na zdroji přírodního záření. Další výhodou oproti jiným metodám sběru výškových dat je rychlost jejich sběru, vysoká přesnost a relativně vysoká hustota, která je závislá na výšce letu a frekvenci skenování (Dolanský, 2004). Laserové skenery můžeme podle použité platformy rozdělit na pozemní laserové skenery, často označované jako terestrické skenery, a na letecké laserové skenery (Airborne laser scanner ALS), kterým se tato práce primárně věnuje. Pozemní laserové skenery svou konstrukcí patří k těm jednodušším, obvykle jsou krátkého dosahu pouze do 200 m a často jsou umístěné na pevném stanovišti (Wehr, 2009). Našly své uplatnění i v negeografických disciplínách jako je archeologie, architektura a další. Letecké laserové skenery měří ve vzdálenosti několika stovek metrů a jsou umístěny na pohybující se platformě. Jedním z důvodu zkoumání možností a rozvoje leteckého laserového skenování byla schopnost laserového paprsku pronikat vegetací, zvláště pak do lesních porostů, ve kterých ostatní metody sběru výškových dat nedosahovaly uspokojivých výsledků. Pro rozvoj ALS bylo důležitým krokem zpřístupnění signálu GPS pro civilní využití v 80. letech a rozvoj inerciálních navigačních systémů (Inercial Navigation System INS), které dovolily rekonstruovat polohu skeneru v prostoru a tak dopočítat souřadnice dopadu laserového paprsku. 12

13 3.1.1 Princip fungování Základní princip fungování laserového skenování vychází ze znalosti rychlosti šíření laserového paprsku prostorem a přesným změřením doby mezi jeho odesláním a zachycením jeho odrazu od objektu na skeneru tzv. Time-of-flight (Petrie a Toth, 2009). (1) Kde: t je celkový čas (TOF) [s] R je vzdálenost [m] c je rychlost světla [ms -1 ] Pro potřeby měření vzdálenosti je nutné laserový paprsek modulovat, buď tzv. pulzní modulací nebo sinusovou modulací, označovanou jako Continuous Wave (Obr. 1). Obr. 1 Rozdíl mezi pulzním měřením a CW měřením (zdroj: Wehr, 2009). Pulsně modulovaný paprsek je typický svým pravoúhlým tvarem o délce 10 až 15 ns, kdy potom čas mezi odesláním a zachycením odraženého paprsku je přímo úměrný vzdálenosti. Známe-li potom rychlost laserového paprsku a čas (TOF), lze vzdálenost vyjádřit vzorcem: Ze vzorce (2) lze odvodit prostorové rozlišení (range resolution), které závisí na přesnosti měření času (TOF), kdy pro dosažení centimetrového prostorového rozlišení je potřeba měřit čas v 66 ps intervalech, tedy frekvenci měření času okolo 15 GHz (Petrie a Toth, 2009): 13 (2)

14 Kde: ΔR je prostorové rozlišení [m] Δt je přesnost měření času V případě CW laserů je paprsek emitován po celou dobu měření a musí mít sinusový průběh intenzity. Porovnáním fázového posunu nosné vlny je potom možno určit vzdálenost. TOF je potom definován: (3) (4) Kde: T je perioda nosné vlny je fázový posun detekované nosné vlny [rad] Dosazením do rovnice (2) získáme vztah pro výpočet vzdálenosti pro CW modulaci: Kde perioda T odpovídá obrácené hodnotě frekvence laserového paprsku: (5) Ve vzorci (6) se poměr c/f rovná vlnové délce laserového paprsku λ, výsledný vzorec pro výpočet vzdálenosti při CW modulaci má pak podobu: (6) Prostorové rozlišení pak závisí na přesnosti měření fázového posunu (Δϕ) a podle vzorce (8) je potom na rozdíl od pulsní modulace ovlivňována dalším proměnou, vlnovou délkou (λ). Prostorové rozlišení tak lze měnit bez potřeby zpřesňovat měření fázového posunu, pouze změnou vlnové délky laseru. (7) Přestože CW lasery nabízí mnoho výhod jako vyšší přesnost a výkon, jsou dnes mnohem více rozšířené pulsní varianty laserových skenerů. Pulzní laserové skenery se svojí centimetrovou přesností jsou pro současné aplikace plně dostačující, proto se tato práce věnuje pulzním systémům. Je-li pak známa i přesná poloha skeneru v prostoru a orientace odeslaného paprsku, je pak možné určit souřadnice X, Y a Z bodu, kam dopadl paprsek. Potřebné údaje pro výpočty dodává několik základních komponent laserových skenerů Konstrukce Laserové skenery jsou složeny z několika základních komponent. Jednotlivé laserové skenovací systémy se liší konstrukcí, ale jejich princip je vždy stejný. Musí být přesně zjištěna vzájemná poloha mezi komponenty celého systému a provedena přesná kalibrace 14 (8)

15 jednotlivých komponent. Základní konstrukce se skládá z leteckého segmentu a pozemního segmentů, ty pak z jednotlivých základních komponent (Wehr, 2009). Letecký segment: platforma stroje s pevnou nosnou plochou nebo s rotující nosnou plochou, laserový skener, o laserová jednotka (Laser Ranging Unit LRU), o skener (Opto-mechanical scanning device OMSD), o kontrolní a řídící jednotka, polohový a orientační systém (Position and Orientation System POS), o DGPS, o IMU, a pozemního segmentů: Laserová jednotka referenční stanice GNSS, hardware a software pro zpracování dat. Laserová jednotka (Laser Ranging Unit LRU) obstarávající měření vzdáleností se skládá z laserového emitoru a přijímače. Obě základní části jsou koncipovány tak, aby měly shodnou optickou osu a tím bylo zaručeno, že od objektu odražený paprsek osvítí přijímač. Pro laserové skenery je používaná velká škála laserových emitorů od vysoce výkonných pevnolátkových až po polovodičové laserové emitory, které mají nižší výkon, ale mají širší možnosti využití, některé nabízejí možnost změny emitované vlnové délky paprsku (Dolanský, 2004). Nejběžněji používané lasery pro laserové skenování pracují v rozmezí 1,1 až 1,2 µm ležícímu v NIR. Mezi běžně používané pevnolátkové lasery patří rubínové lasery a modernější Nd:YAG lasery. Nd:YAG emitory používají umělý krystal Yttrium Aluminium Granátu (Y3Al5O12), který je dopovaný ionty Neodymu (Nd 3+ ). Nd:YAG lasery produkují paprsek v blízkém infračerveném spektru (NIR) se sedmi úzkými spektrálními čarami, pro laserové skenování jsou nejzajímavějšími spektrální čáry s hodnotou vlnové délky 1,0615 a 1,0624 µm. Úzké rozmezí, v němž je laser emitován, je výhodou pro odstranění ruchů na senzoru pomocí filtrů. Dále jsou běžně používané vlnové délky 0,9 a 1,5 µm. Rozdílné vlnové délky emitovaných laserových paprsků lze využít podobně jako v multispektrálním snímání, kdy je využito chování paprsku v určitém prostředí. Příkladem je použití laseru pracujících v NIR pro mapování pobřeží, nebo rozsahu povodní, kdy je v datech jasně viditelná hranice mezi pobřežím a vodou. Pro mapování pod hladinou se naopak používají lasery pracující v zelenomodré části spektra, která je schopna v závislosti na dalších proměnných (zákal a pohyb vody) pronikat až do hloubky 50 m (Morin, 2002). Laserové emitory používané v systémech ALS jsou optimalizované pro velice krátké pulzy (běžně kolem 10 ns) s vysokým špičkovým výkonem (do 15 kw) a vysokou 15

16 frekvencí pulzů (Wehr, 2009). Důležitým parametrem je velikost dopadajícího paprsku na skenovaný povrch d, která závisí na výšce letu a divergenci laserového paprsku podle vzorce (9). Divergence laserového paprsku definuje jako tzv. okamžité zorné pole (IFOV), které je definováno vlnovou délkou a velikostí clony aparatury D podle vzorce (10). Hodnota IFOV se obvykle pohybuje v rozmezí 0,3 a 2,7 mrad (Wehr, 2009). Při výšce letu 500 m nad povrchem je pak dopadající paprsek široký zhruba 30 cm (Dolanský, 2004). (9) Dráha paprsku je však ovlivňována atmosférickou refrakcí. Atmosférou je ovlivňován i tvar samotného pulsu, který se vrací v podobně nesoucí informaci jak o ozářeném objektu, tak i o atmosférických podmínkách. Tuto informaci jsou pak některé systémy schopné zaznamenat. Objem dat je mnohem vyšší než pro běžné laserové skenování a není proto vhodný pro skenování rozsáhlejších oblastí (Dolanský, 2004). Díky velikosti dopadajícího paprsku daného jeho divergencí se paprsek může odrážet od více vrstev. Nejvíce se toto projeví v oblastech s vyšší vegetací, zvláště pak u lesních porostů, kdy se paprsek dokáže odrážet od jednotlivých pater a nakonec i od zemského povrchu. Proto, aby mohly být signály od sebe rozeznány, musí mezi přijetím každého z nich dojít k výraznému utlumení síly přijatého signálu. Tato vzdálenost závisí na délce pulzu laserového paprsku, který musí být kratší než vzdálenost mezi jednotlivými přijatými odrazy (Wehr, 2009). (10) Kde: (11) ΔDtar je vzdálenost mezi jednotlivými body na povrchu [m] Tp je délka pulzu laserového paprsku [ns] V současnosti systémy rozeznávají až 5 odrazů, nicméně se běžně neměří více než 3 odrazy (Dolanský, 2004), a vzdálenost mezi jednotlivými body ozářenými jedním paprskem mohou být 1,5 mm (délka pulsu 10 ps), dosažení této hodnoty ale omezuje výpočetní náročnost zpracování, kdy tato data musí být zpracována během doby jednoho pulsu, proto se dnes běžně používají délky do 4 ns (Wehr, 2009). Přijímač se skládá z optické části zaostřující vracející se paprsek na optický přijímač, nejčastěji se jedná o polovodičovou fotodiodu, a transimpedančním zesilovačem. Fotocitlivá dioda je volena na základě požadované citlivosti, která by měla být co nejvyšší, a vlnové délky používaného laserového emitoru. Citlivost fotodiody lze vypočítat podle (Wehr, 2009): 16

17 Kde: η je kvantová účinnost q h v je náboj elektronu (12) je Planckova konstanta (6,625 x Js) je frekvence fotonu Pro vlnové délky do 1,1 µm se nejčastěji používají diody na bázi křemíku (Si) a pro vlnové délky v rozmezí 1 až 1,65 µm na bázi germania (Ge) nebo různých polovodičových slitin. Fotocitlivé diody používané v systémech ALS jsou často typu APD (avalanche photodiode detector) a to díky vnitřnímu zesilovači, což poskytuje vyšší citlivost diody (Wehr, 2009). Skener Skener se skládá z optické soustavy čoček kontrolujících divergenci laserového paprsku, zrcadel vychylující laserový paprsek v příčném směru (podélný posun je zajištěn samotným pohybem nosiče) a filtrů potlačujících odražené sluneční záření a další signály v pozadí. Filtry mají obvyklou vlnovou šířku 5 až 10 nm. Příčné vychýlení paprsku je označováno jako úhel záběru (FOV) či šířka řádku (Wehr a Lohr, 1999). V praxi je používáno několik různých prostředků k vychýlení laserového paprsku s různým úhlem záběru, nejčastěji se však pohybují v rozmezí 20 až 30, ale některé systémy nabízejí úhel záběru až 70 (Morin, 2002). Pro různé systémy je typický vzor, ve kterém se laserový paprsek pohybuje po skenovaném povrchu (Obr. 2) Obr. 2 Typické vzory pro skenery s rotujícím zrcadlem (a), s oscilujícím zrcadlem (b), se svazkem optických vláken (c) a pro eliptické skenery (d) (zdroj: Dolanský, 2004). 17

18 Skener s oscilujícím zrcadlem Více používanou variantou je oscilující zrcadlo, které je typické svým kontinuálním způsobem měření (paprsek je vždy odrážen k povrchu), kdy řady bodů na povrchu vykreslují typickou pilovitou strukturu. Výhodou tohoto systému je možná kompenzace pohybu letadla a chyb tímto pohybem způsobených pomocí údajů z INS. Měření je však zatíženo chybami, zejména nehomogenita hustoty bodů, vzniklými akcelerací zrcadla v krajních polohách a chybami vzniklými torzí osy zrcadla. Skener s rotujícím zrcadlem (polygon scanner) Pro skenování s rotačním zrcadlem jsou typické souběžné řady bodů na skenovaném povrchu, vzdálenost jednotlivých linek je funkcí rychlosti skenování (rotace zrcadla) a rychlosti nosiče. Vzdálenost jednotlivých bodů v lince pak závisí na frekvenci skenování. Poloha konstantně rotujícího zrcadla je určována přímo na motoru otáčejícím zrcadlem, nebo lépe pomocí uhlového měřítka připevněnému na rotujícím zrcadle. Konstantní rychlost rotace zaručuje absenci chyb vzniklých akcelerací zrcadla, jako například u oscilujícího zrcadla. Nedostatkem tohoto systému je přerušení skenování v důsledku rotace zrcadla, které odrazí paprsek mimo zorný úhel skeneru. Tato časová prodleva může být zkrácena použitím zrcadla s více plochami (Obr. 3). Obr. 3 Skenery s rotujícím zrcadly s více odraznými plochami (Zdroj: Wehr, 2009). Skener se svazkem optických vláken Skener se svazkem optických vláken byl původně navržen pro vojenské užití, kdy bylo nutné provádět skenování za vysokých rychlostí nosiče, což bylo nemožné realizovat pomocí konvenčních typů skenerů (Wehr, 2009). V případě skeneru se svazkem optických vláken jsou místo velkého zrcadla použity pouze dvě malá stejným směrem konstantně rotující zrcadla a čočky určená k nasměrování laserového paprsku do lineárního svazku optických vláken (Obr. 4). 18

19 Obr. 4 Konstrukce skeneru se svazkem optických vláken (zdroj: Wehr, 2009). Paprsek je díky této konstrukci vysílán k povrchu vždy pod stejným úhlem a snímání lze považovat za sekvenční a synchronizované (Wehr a Lohr, 1999). Zároveň tato konstrukce obsahuje velmi málo pohyblivých částí oproti jiným typům a zároveň jsou tyto části mnohem menší, čímž je dosaženo mnohem vyšší frekvence skenování a to až 415 Hz (Wehr, 2009). Frekvence může být tak vysoká, že se jednotlivé řady bodů mohou překrývat. Filtr nutný k zlepšení SNR (Signal-to-noise ratio) je díky konstrukci aplikován pouze na centrálním vlákně vedoucím k přijímači. Za nevýhodu lez považovat poměrně úzký úhel záběru kolem 7 a neměnný počet bodů v příčném směru včetně jejich vzdálenosti Δxacross (Dolanský, 2004), ta je závislá podle vzorce (13) na skenovacím úhlu (FOV), výšce nad terénem a počtu vláken. Rozestup jednotlivých řádků Δxalong je podle vzorce (14) závislý na letové rychlosti a frekvenci skenování f [Hz]. (13) Kde: H je výška nad povrchem [m] θ je FOV [ ] N je počet optických vláken v je letová rychlost [m/s] (14) 19

20 f je frekvence skenování [Hz] Vzhledem k vysoké frekvenci skenování je hustota bodů v podélném směru mnohem vyšší než v příčném směru, rozložení bodů na povrchu tak není ideální. Z tohoto důvodu se používá tzv. swing mode (Obr. 5), kdy jsou synchronně do stran vychylována optická vlákna přijímače a emitoru. Body na povrchu se tak více blíží ideálnímu rozdělení a zlepšuje detekci hran na povrchu, jako je liniové vedení a hrany budov (Wehr, 2009). Obr. 5 Eliptický skener bez tzv. swing mode (vlevo) a s tzv. swing mode (vpravo) (zdroj: Wehr, 2009) Eliptický skener Tento systém je založen na dvou zrcadlech (Dolanský, 2004) nebo jednom zrcadle (Wehr a Lohr, 1999) vychylujících paprsek, tak že na povrchu vykresluje kruhovou stopu, ta je pak vlivem pohybu nosiče deformována na eliptickou dráhu. Výhodou tohoto systému je, že povrch je skenován dvakrát z různé perspektivy. Prakticky je tak dosaženo vyšší hustoty bodů na povrchu. Šířka záběru je v případě konstrukce s jedním zrcadlem ovlivňována úhlem α, což je úhel mezi normálou zrcadla a osou jeho rotace (Obr. 6). Nevýhodou pak je mechanická složitost v případě dvou zrcadel, která vede k větší náchylnosti k chybám při synchronizaci zrcadel a u k přesnému určení úhlu paprsku, na druhou stranu systém s jedním zrcadlem je velice jednoduchý a byl použit už během 70. let v multispektrálním skeneru na Skylab a v 90. letech (Hug, 1994). 20

21 Obr. 6 Eliptický skener s jedním zrcadlem (Zdroj: Wehr, 2009) Obr. 7 Eliptický skener TopEye Mk II (zdroj: Wehr, 2009). V důsledku tvaru skenovaného terénu a různých typů skenerů lze rozmístění bodů na terénu považovat za pseudonáhodné (Dolanský, 2004). Rozmístění bodů v příčném směru závisí na výšce nosiče a na frekvenci skenování v podélném směru také na rychlosti pohybu nosiče. Proto pro popis parametrů skenování se mimo jiné uvádí i plošná hustota bodů na čtvereční metr. (15) (16) (17) (18) Kde: N je počet bodů v řádku F je bodová frekvence skenování [Hz] fsc SW h je řádková frekvence skenování [Hz] je šířka záběru [m] je výška letu [m] Θ je úhel záběru (FOV) [ ] v je rychlost letu [ms -1 ] dxalong je podélná vzdálenost bodů [m] dxacross je příčná vzdálenost bodů [m] 21

22 Kontrolní a řídící jednotka Laserová jednotka a skener jsou řízeny skrze kontrolní a řídící jednotku, která se stará i o nahrávání a synchronizaci všech údajů a dat, včetně dálkoměrných dat, jako jsou šikmé délky laserového paprsku, jejich úhly i intenzitu vráceného paprsku (zaznamenáváli ho systém). Kontrolní jednotka se stára o synchronizaci času pomocí vnitřních hodin, které jsou provázány s GPS časem pomocí Pulse-Per-Second signálem (PPS). Díky tomuto je každé měření označeno údajem o čase z vnitřních hodin a pomocí PPS i GPS časem a lze tak dálkoměrná data provázat s daty o poloze nosiče z POS. Obr. 8 Schéma fungování kontrolní a řídící jednotky (zdroj: Wehr, 2009). Kontrolní a navigační jednotka musí být vybavena dostatečně výkonnou elektronikou, ke zpracování všech dat, kdy pro pulzní systémy se objem dat pohybuje do 1 MB/s, ale v případě CW systémů, které zaznamenávají celý průběh nosné vlny, může snadno dosáhnout objem dat až 1 GB/s v závislosti na detailnosti zaznamenávané vlny a zvolené kompresy. Dnešní komerční systémy zvládají objem dat do 80 MB/s (Wehr, 2009). Navigační jednotka (Position and Orientation System POS) V moderních ALS systémech se navigační jednotka skládá z inerciální měřící jednotky (IMU) a GNSS přijímače, který pro DGPS měření vyžaduje referenční stanici na povrchu do vzdálenosti 25 km (Wehr, 2009). Informace z obou přístrojů se vhodně doplňují, zatímco IMU má vysokou rychlost zaznamenání dat až 200 Hz (Dolanský, 2004) a stára se o orientaci nosiče v prostoru (3 úhly náklonu ω, φ, κ) a zrychlení nosiče, GNSS přijímač zaznamenává polohu značně pomaleji (2-10 Hz) pomocí diferenčního měření polohy (DGPS). IMU bývá v ALS systémech montována co nejblíže samotnému skeneru, aby zaznamenala všechny pohyby v místě skeneru (vibrace konstrukce nosiče). Na Obr. 9 je IMU naistalována přímo na skener. 22

23 IMU Skener Chyby Obr. 9 Montáž IMU (nahoře) na skener (Zdroj: Wehr, 2009). Pro výpočet souřadnic skenovaného bodu na povrchu je nutné, aby do výpočtu vstoupily data z laserového skeneru a POS. Znám-li vztah mezi jednotlivými částmi, je následně možné rozebrat celkovou chybu měření na chyby jeho jednotlivých částí. Vztah pro výpočet je definován (Obr. 10): (19) Kde: je poloha dopadu laserového paprsku Rω, ϕ, κ RΔω, Δϕ, Δκ Rα, β ρ je vektor mezi zemí a INS v rámci lokálního souřadnicového systému je matice rotace INS rozdíl polohy mezi INS a LRF rotační matice mezi INS a LRF je rotační matice mezi LRF a laserovým paprskem je vektor laserového paprsku 23

24 Obr. 10 Vzájemné vztahy jednotlivých komponent ALS (zdroj: Habib, 2008) Chyba laseru a atmosférický model Podle principu fungování laserového skenování je vzdálenost vypočítána z času mezi vysláním a přijetím odraženého paprsku měřeného pomocí vnitřních hodin. Právě chyba při měření času vnitřními hodinami je zdrojem nejvýznamnějších nepřesností v měření. Tyto chyby lze rozdělit na chyby modulace laserového paprsku a chyby měření času. U pulzních typů laserových skenerů musí být laserový paprsek vyslán v přesně specifikovaném čase, je-li ale paprsek emitován s nezjištěným zpožděním, je výsledná vzdálenost zatížena touto chybou. Stejně tak musí mít emitovaný paprsek vždy stejný tvar a vlnovou délku, jinak může mít skener problém zaznamenat odražený paprsek. V obou případech pak dochází k vzniku hrubých chyb. Problémem je i detekce slabého signálu skenerem. Laserový paprsek při průchodu atmosférou ztrácí značnou část své energie, proto jsou skenery konstruovány pro zachycení slabých signálů. Energie odraženého paprsku je závislá na odrazivosti daného povrchu a jeho sklonu. Slabý signál v blízkosti dolního rozsahu skeneru je zatížen šumem na druhou stranu signál odražený od povrchu s vysokou odrazivostí určité vlnové délky pak vyzdvižen nad okolní terén. Komerční systémy mají z toho důvodu implementovanou automatickou jednotku kontroly síly příchozího signálu (Gain-based intensity correction), která v případě přijetí silného signálu omezí jeho sílu (Leica Geosystems AG, 2008). V neposlední řadě je laserový paprsek ovlivňován při průchodu atmosférou jejím stavem. Špatné atmosférické podmínky (obsah pevných částic, vodní pára, atd.), podobně jako hodnota odrazivosti povrchu, ovlivňuje sílu odraženého paprsku a může docházet i k zpětnému odrazu paprsku od částic v atmosféře. Tyto chyby mají náhodný charakter a dají se snadno odstranit filtrováním během zpracování dat. Laserový paprsek při svém průchodu atmosférou také podléhá atmosférické refrakci. Hodnota atmosférické refrakce je funkcí jeho vlnové délky, úhlu skenování a 24

25 atmosférických podmínek. Komerční systémy používají vlastní proprietární atmosférické modely, které však budou podobné modelu běžně používanému ve fotogrammetrii. (20) Kde: h je výška terénu nad referenční rovinou [m] H α je výška skeneru nad referenční rovinou [m] je úhel skenování Atmosférická refrakce způsobuje odchylku laserové paprsku ( (21) ) od přímého směru a prodlužuje jeho délku. Tato odchylka je přímo úměrná úhlu skenování (α), což znamená, že se nejvíce projevuje na okraji náletového pásu a nejméně v jeho nadiru. Korekce podle atmosférického modelu (K) je však konstantní. Chyba hodin Nejmarkantnější chybovým faktorem je přesnost měření času. Při rychlosti světla i malá odchylka měřeného času způsobuje chybný výpočet vzdálenosti, pro komerční systémy běžná přesnost od 0,05 do 0,2 ns činí odchylka vzdálenosti až 15 mm. Některé systémy při kalibraci zjišťují posun a následně jej použijí pro opravu měření (Morin, 2002). Chyba skeneru Zdrojem chyb u skenerů s různými typy zrcadel je přesné určení jejich pozice a následně úhlu laserového paprsku. Pozice zrcadla je řízena pomocí galvanometru, s jehož pomocí může být měřen i jeho úhel. Toto měření však dosahuje přesnosti pouze 0,02. k zvýšení přesnosti měření se tak používá uhlové měřítko připojené na pohybující se zrcadlo. Uhlové měřítko se skládá ze skleněného disku s vyleptanou stupnicí, další laserové zařízení pak odečítá ze stupnice hodnoty úhlu, pokud ale není nainstalováno kolmo k zrcadlu, budou odečítané hodnoty zatíženy chybou. Tato chyba se však dá modelovat a odstranit. Uhlové měřítko se tak stává zdrojem dalších možných chyb, přesto se přesnost pohybuje do 0,001 (Dolanský, 2004). Pro oscilující zrcadla je typická chyba, způsobovaná změnami rychlosti a zrychlení pohybu zrcadla. Pokud je motor, zrcadlo a uhlové měřítko umístěno v jedné ose, ovlivňuje jejich pohyb v krajních polohách jejich hybnost. Tuto problematiku lze popisovat ve třech bodech, krajní pozice A a C, kde je rychlost zrcadla nulová, ale zrychlení maximální (v této pozici mění zrcadlo směr svého pohybu), a v pozici B (nadir), kde je naopak zrychlení nulové a maximální rychlost. V bodě B je tedy hybnost definována: 25

26 (22) Kde: ω je uhlová rychlost [rad s -1 ] IG je monet setrvačnosti [kg m 2 ], definovaný: Kde: (23) r je vzdálenost hmotného elementu dm od těžiště [m] Jelikož se váha celého zařízení v čase konstantní je i výsledný moment setrvačnosti konstantní. Z toho vyplývá, že hybnost závisí pouze na uhlové rychlosti. Ihned po průchodu bodem B, začne zrcadlo zpomalovat až do bodu C, kde začne zrychlovat v opačném směru, vzhledem k vysokým silám, které nutí zrcadlo vykonat tento pohyb až 50x za vteřinu, dochází na ose k torzi. Výsledkem je, že se uhlové měřítko zpožďuje oproti zrcadlu a to oproti motoru. Tuto uhlovou deformaci osy lze vyjádřit vztahem: Kde: T je krouticí moment osy [N m] L je její délka [m] J je moment setrvačnosti [kg m 2 ] G modul tuhosti [N m rad -1 ] Výsledkem toho zpoždění je rozdíl mezi změřenými délkami, který jsou menší než skutečné a nejmarkantnější jsou na okrajích FOV. Typické je prohnutím terénu v profilu. To je v závislosti na typu skeneru konvexní nebo konklávní. Pokud by bylo uhlové měřítko nainstalováno mezi motor a zrcadlo, byly by měřené vzdálenosti delší než skutečné a tento průhyb bývá označován jako sensor smile (Dolanský, 2004). Parabola průhybu lze modelovat a následně vypočítat uhlovou korekci pro opravu hodnot. Zatímco kladná hodnota uhlové korekce c posouvá bod vzhůru, záporná jej snižuje. Kde: β je opravený skenovací úhel [ ] 26 (24) (25) β0 je úhel odečtený z uhlového měřítka [ ] c Chyba zpoždění je konstanta korekce Uhlové měření je zatíženo i chybou měření času v řídící jednotce. To sice neovlivňuje samotné měření, ale způsobuje systematickou chybu v poloze bodu na povrchu, rozdílným časem zaznamenání měřené vzdálenosti a úhlu zrcadla. Z toho vyplývá, že pro změřenou vzdálenost je zaznamenán špatný úhel zrcadla. V krajních polohách FOV, kdy je oscilující zrcadlo v klidu se tato chyba projevuje nejméně, naopak v nadiru nabývá nejvyšších hodnot. Zároveň se ale vliv na výšku výsledného bodu směrem k nadiru snižuje, výsledný průběh chyby v profilu pak připomíná osmičku.

27 Zpoždění dosahuje hodnot od 0 do 15µs a uhlový rozdíl pak velikosti 0,027 (Morin, 2002). Zpoždění lze určit pouze odhadem z vyneseného profilu naměřených dat (Obr. 11), ze kterého se odměří výsledný vliv chyby na polohu a manuálně se opraví její velikost a výpočet se opakuje. Cílem úprav je minimalizovat typický tvar v profilu. Jelikož se jedná o neměnnou vlastnost řídící jednotky, tak se určuje pro celý nálet pouze jednou. Chyba navigačního systému Obr. 11 Vynesený profil naměřených dat (Zdroj: Morin, 2002) Chyby navigačního systému lze rozdělit na chyby GNSS jednotky a IMU. Přesnost GNSS je závislá na podmínkách měření a nastavení systému, zvláště pak na počtu viditelných družic, jejich vzájemné polohy, referenční stanici, které by se měli nacházet do 50 km od nosiče (Šíma, 2011), a kontinuálnosti měření GNSS po celou dobu skenování. Samotné měření polohy začíná už před startem, kdy jsou řešeny ambiguity, pokud dojde k přerušení měření během letu, je nutné přerušit skenování, dokud nebudou ambiguity opět vyřešeny. Post-processingem pak lze dosáhnout vnitřní přesnosti 5-15 cm. Na chybě GNSS se dále také podílí vliv troposféry a ionosféry chybou od 5 do 30 cm (Morin, 2002). Potřebné je i přesné určení vzájemné polohy mezi GNSS přijímačem a jeho anténou (Šíma, 2011). IMU se na přesnosti podílí několika druhy chyb. Celková přesnost IMU je závislá na jeho kvalitě a běžně se pohybuje v rozmezí 0,005 0,01 (Dolanský, 2004). V oblastech, kde jsou zjištěny výrazné odchylky na geoidu, je nutné provést dodatečné zpracování dat z IMU pro zvýšení přesnosti. Absolutní chyby se v měření neprojeví, dokud nejsou srovnány s kontrolními plochami, a neovlivňují přímo měření, proto jsou prováděny až dodatečně. Měření IMU je dále zatíženo i odklonem, snosem a šumem, který se pohybuje od 0,1 do 0,75 /h (Morin, 2002). První dvě chyby mohou být odstraněny díky předletové kalibraci, na druhou stranu šum se v čase mění a nelze ho předem definovat, lze je však modelovat a zpětně odstranit. Modelovat se ale musí pro jednotlivé náletové pásy. V datech se šum projevuje odklonem jednotlivých náletových pásů a při delším skenování vykazují jednotlivé pásy ohyb nebo torzi. Nejvýznamnější chybou je nesprávné určení prostorových vztahů mezi skenerem a INS během rektifikace systému (chyba rektifikace) a je nutné ji vyřešit před začátkem skenování. Výsledná hodnota je funkcí výšky letu, směru letu, skenovacího úhlu a nejvíce 27

28 se projevuje na překryvu jednotlivých pásů, zvláště pak na výškově členitých částech reliéfu nebo budovách. Při letové výšce 700 m, úhlu laserového paprsku 15 od nadiru a chybě 0,1 činí chyba výšky výsledného bodu 32 cm a chyba v jeho poloze až 131 cm (Krabill et al, 2000). Chyby integrace Chyba integrace je vázána na práci řídící a kontrolní jednotky, řídící vztažení všech naměřených dat (data ze skeneru a polohová data z POS) k jedné časové ose. Každá součást ALS má vlastní vnitřní hodiny, ty jsou koordinovány pomocí GPS času a odchylky jednotlivých hodin jsou zjištěny během předletové kalibrace. Dále všechny hodiny provádějí měření času různou frekvencí, GNSS běžně frekvencí 2 Hz, IMU pak 200 Hz a laser pak v závislosti na typu a aplikaci, běžně Hz (Baltavias 1999). Z toho vyplývá, že pro jednotlivé měření laserovým paprskem nejsou dostupná přímo měřená data o poloze z GNSS, tato data jsou proto interpolována a v případě klidného letu nedochází k chybám. Dojde-li během letu k turbulencím, sníží se tak i přesnost určení polohy nosiče. Tato chyba se nedá nijak modelovat a částečně se jí dá předcházet pouze ve fázi plánování letu. 28

29 3.2 Nové mapování výškopisu ČR Projekt Nového mapování výškopisu ČR vznikl v roce 2008 na Zeměměřičském úřadě v reakci na požadavek zpřesnění původních a dnes již často zastaralých výškových dat ZABAGED, které jsou používány pro koncepční plánování rozvoje obcí, krizovém řízení a jsou důležité pro tvorbu řady státních mapových děl a geografické informační systémy státní správy a samosprávy a v neposlední řadě i při projektování pozemních dopravních a vodohospodářských staveb. Většina výškových dat obsažených v ZABAGED, kromě datové sady DMR 3G, která vznikala v letech 2003 až 2008 stereofotogrammetrickým mapováním pro Ministerstvo Obrany ČR (Brázdil, 2010), vychází z vojenského mapování výškopisu, které probíhalo v letech 1952 až 1957 a z topografického mapování v měřítku 1: z let 1957 až 1971, které byly digitalizovány v letech 1995 až 2000, takto vzniklý model ZABAGED výškopis byl v následujících letech doplněn a zdokonalen pomocí stereofotogrammetrického vyhodnocení terénních hran a zhuštěním výškových kót v oblastech s malým sklonem, čímž bylo z modelu odstraněno mnoho hrubých chyb. V letech 2008 až 2010 byl odvozen gridový model ZABAGED mříž 10 x 10 m. I přes mnohé aktualizace a zpřesňování jsou dnes data nehomogenní, nedostatečně přesné (viz Tabulka 2) a vysoce generalizované, proto byl na základě analýz z let 2006 až 2008 konstatováno, že současné modely nedostačují současným potřebám, zejména nejsou schopné vystihnout tvary mikroreliéfu. V roce 2009 byla podepsaná dohoda o spolupráci ČÚZK, Ministerstva Obrany ČR (MO) a Ministerstva Zemědělství ČR (MZe) na realizaci projektu Nového mapování výškopisu ČR v letech 2009 až V roce 2006 ve spolupráci ČÚZK a VGHMÚř bylo provedeno pokusné letecké snímkování společně s LLS z výšky 2730 m. Důvodem bylo ověření možnosti provést současně pořízení LMS a LLS. Z výsledků však vyšlo najevo, že LLS z výšky přes 2000 m již nedojde k předpokládanému zlepšení (Pavelka, 2011), proto bylo doporučeno provádět skenování do výšky 1500 m, kdy lze i reálně dosáhnou hustoty 1 bod/m 2 (Brázdil, 2010). 29

30 Tabulka 2 Závěry hodnocení výškopisných modelů ČR (Zdroj: Brázdil, 2010) Název databáze Obsah Střední chyba výšky ZABAGED výškopis ZABAGED zdokonalený výškopis ZABAGED mříž 10 x 10 m DMR 2,5. generace Vektorizované vrstevnice ZM 10 uložené jako 3D objekty ve formátu DGN Aktualizované a zpřesněné vrstevnice ZM 10, doplněno o terénní hrany náspů, výkopů, břehů, nádrží apod. Odvozený model z databáze ZABAGED zdokonalený výškopis do formy mříže (GRID) 10 x 10 m Výškový model ve formě mříže (GRID) 100 x 100 m DMR 3. generace Výškový model ve formě nepravidelné sítě TIN získaný stereofotogrammetrickou metodou Základní popis 0,7-1,5 m v odkrytém terénu 1-2 m v intravilánech 2-5 m v zalesněných územích 0,7-1,5 m v odkrytém terénu 1-2 m v intravilánech 2-5 m v zalesněných územích 1,5-2,5 m v odkrytém terénu 2-3 m v intravilánech 3-7 m v zalesněných územích 3-5 m v odkrytém terénu 5-8 m v intravilánech m v zalesněných územích 1-2 m v odkrytém terénu 1-2 m v intravilánech 3-7 m v zalesněných územích K leteckému laserovému skenování byl vybrán systém Litemapper 6800, který se skládá z laserového skeneru firmy RIEGL LMS-Q680 (Obr. 13) a dalších částí (GNSS, IMU) od firmy IGI. Jako nosič ALS byl použit armádní fotogrammetrický letoun L-410 FG (Obr. 12). Obr. 12 letoun L-410 FG (zdroj: Lang, 2014) 30

31 Obr. 13 Laserový skener LMS-Q680 (Pavelka, 2011) Tabulka 3 Technické parametry ALS Litemapper 6800 (upraveno z: Riegel laser measurement systems GmbH, 2008) Součást systému Vlastnosti Technické parametry Skener RIEGL LMS Q-680 Frekvence laserových pulzů 80, 120, 180, 240 khz Vlnová délka Preciznost měření délky rajonu Divergence laserového paprsku Registrovaný počet odrazů Skenující mechanika NIR 0,02 m Úplný úhel záběru 60 Vzorek skenování 0,5 mrad Přesnost měření úhlů 0,001 Aparatura GNSS Frekvence snímání polohy 2 Hz Střední souřadnicové chyby (mx, my, mh) Plná návratová vlna Rotující zrcadlo s více odraznými plochami Rovnoběžné stopy 0,10 m Aparatura IMU Frekvence snímání úhlových prvků 400 Hz Střední chyby měření úhlů (ω, φ, κ) 0,003, 0,003, 0,007 31

32 Z organizačních důvodů LLS bylo území ČR rozděleno do tří pásem (Obr. 14). Část území pásma Střed byla naskenována již v listopadu 2009 a zbytek pásma pak v roce 2010 (Pavelka, 2011), pásmo Západ bylo naskenováno v roce 2011 a až v roce 2013 bylo dokončeno skenování pásma Východ. Obr. 14 Rozdělení ČR na pásma pro ALS Všechny tři pásma byla rozdělena do bloků s délkou od 20 do 30 km a pevnou šířkou 10 km, umožnila-li to charakteristika dvou sousedních bloků, byly spojeny do tzv. dvoubloků, které dosahovaly délky až 60 km. Převážná orientace bloků byla ve směru východ západ a území bylo do bloků rozděleno s ohledem na výškovou členitost reliéfu. Pro všechny bloky byly s ohledem na období skenování zpracovány dvoje parametry skenování (Tabulka 4), jeden pro jarní období od oblevy do a druhý pro vegetační období od 1. 5., kdy bylo přistoupeno k náletu z nižší výšky a snížení skenovací frekvence, což zlepšilo propustnost laserového paprsku vegetací. Z Tabulky 4 vyplývá, že díky příčnému překryvu bylo dosaženo dvojnásobné hustoty měřených bodů, čímž byly minimalizovány skryté prostory za budovami a v zalesněných oblastech vyššího počtu zaměřených bodů (Brázdil, 2010). Vzhledem k bezchybné práci GNSS a IMU byly vypuštěny příčné náletové osy (viz Tabulka 4), které měly zabezpečit lepší vyrovnání a georeferencování měřičských pásů (Dušánek, 2014). 32

33 Tabulka 4 Parametry skenování (zdroj: Brázdil, 2010) Parametr Jarní období Vegetační období Střední výška letu nad terénem m m Počet podélných os Vzdálenost podélných os 830 m 715 m Počet příčných os 2 2 Příčný překryt pásů 50% 50% Frekvence laserových pulzů 120 khz 80 khz V rámci projektu Nového mapování výškopisu ČR vznikají tři produkty (Brázdil, 2010): Digitální model reliéfu území České republiky 4. generace (DMR 4G) Ve formě mříže (GRID) 5 x 5 m s úplnou střední chybou výšky σz = 0,7 m v odkrytém terénu a 1 m v zalesněném území, který je od začátku roku 2014 dostupný pro celou plochu ČR (Dušánek, 2014). Digitální model reliéfu území České republiky 5. generace (DMR 5G) Ve formě nepravidelné sítě vybraných výškových bodů (TIN) s úplnou střední chybou výšky σz = 0,18 m v odkrytém terénu a 0,3 m v zalesněném terénu., který od začátku roku 2014 pokrývá 37 tisíc km 2 v pásmech Západ a Střed (Dušánek, 2014). Digitální model povrchu území České republiky 1. generace (DMP 1G) Ve formě nepravidelné sítě vybraných výškových bodů (TIN) s úplnou střední chybou výšky σz = 0,4 m pro přesně prostorově vymezené objekty (budovy) a 0,7 m pro objekty přesně neohraničené (lesy a další prvky rostlinného půdního krytu), který od začátku roku 2014 pokrývá 36 tisíc km 2 v pásmech Západ a Střed (Dušánek, 2014) Zpracování Předzpracování Úkolem předzpracování surových dat z LLS byla analýza a nalezení jednotlivých odrazů v záznamu návratové vlny, dále jejich georeferencování a transformování do pracovního souřadnicového referenčního systému UTM/WGS 84-G873 a výškového referenčního systému Balt po vyrovnání (Bpv), který byl vybrán po dohodě s MO (ČÚZK, 2012b). Poloha nosiče (L-410 FG) byla zaznamenána pomocí palubního GNSS a diferenčních oprav ze sítě stanic CZEPOS, vědecké výzkumné sítě VESOG a částečně i ze sítě vojenské sítě POLOM. Trajektorie letu nosiče byla zaznamenána frekvencí 2 Hz a později zpřesněna interpolací na frekvenci 400 Hz, která odpovídá frekvenci snímání orientace IMU, a doplněna o úhly vnější orientace (Dušánek, 2014). Výsledkem je 33

34 mračno bodů georeferencované v souřadnicovém referenčním systému UTM na elipsoidu GRS 80 a v referenčním systému elipsoidických výšek vztaženého k elipsoidu GRS 80. Dále proběhlo vyrovnání měřičských pásů a převod rovinných souřadnic do pracovního referenčního systému pomocí transformačního klíče VGHMÚř verze 2010 (úplná střední chyba souřadnic mh = mn = 0,02 m) a transformace výškových dat do systému Bvp pomocí kvazigeoidu CZ-2005 od VÚGTK, v.v.i. ve verzi 2010 s úplnou střední chybou mh = 0,06 m. Celý postup byl vzhledem ke svému rozsahu integrován do ucelené technologie LASER SUPPORT 2010, který zajistili VGHMÚř s VÚGTK, v.v.i. a pracovníci ZÚ (ČÚZK, 2012b). Robustní filtrace V rámci robustní filtrace jsou všechny body z mračna tříděny do kategorií, jakými jsou reliéf (včetně skal), vegetace, stavby a výškové překážky leteckého provozu a dále identifikovaná chybná měření. Pro separaci dat byl použit software SCOP++ verze 5.4 od firmy INPHO GmbH a robustní filtrace vyvinutá Technickou universitou ve Vídni. Tento algoritmus pracuje iterativně a vybírá nejnižší bod v pravidelné mřížce a z těchto bodů je interpolován digitální model a pomocí něj jsou hodnoceny zbývající body (Dušánek, 2014). Výsledkem jsou samostatné soubory mračen bodů pro jednotlivé kategorie. Správnost klasifikace bodů silně závisí na ročním období, kdy byla data získána. V období, kdy není vegetace silně rozvinuta (březen-duben), se přesnost klasifikace pohybuje kolem 90 % a v období červen září pak kolem % (ČÚZK, 2012b). Manuální kontrola Vzhledem k nespolehlivosti robustní filtrace obzvláště v letním období, prochází výsledky manuální kontrolou. Největší chyby se nachází v oblastech s hustou zástavbou a dále ve skalnatých a zalesněných oblastech. V letním období byl pak problém s vegetací na polích (Dušánek, 2014). Kontrola probíhá interaktivně pomocí programu DT Master od firmy INPHO GmbH, který dovoluje prohlížet výšková data ve 3D vizualizaci a přeřazovat chybně začleněné body do správných kategorií. Zpracování dat pro DMR 4G Výběr reprezentativních uzlových bodů DMR 4G V kategorii reliéf se nemusí nacházet pouze body ležící přímo na terénu. Z tohoto důvodu bylo nutné provést výběr reprezentativních bodů, které mají největší pravděpodobnost, že leží na terénu (ČÚZK, 2012a). Oblasti byly rozděleny na čtverce 5 x 5 m a v každém čtverci byl hledán bod s nejnižší výškou a dále byl porovnán s ostatními, jestli se jeho výška extrémně neodlišuje, pak by se jednalo o zbloudilý paprsek. Byl-li paprsek označen za zbloudilý, tak byl použit bod s druhou nejnižší výškou, který splňoval podmínky. 34

35 Kontrola reprezentativních uzlových bodů DMR 4G Takto vybrané uzlové body prošly manuální kontrolou pomocí programu DT Master od firmy INPHO GmbH. Takto byly odstraněny nepřirozené anomálie v reliéfu a kontrolovány oblasti, kde se nacházejí vodní plochy a zástavba. Transformace uzlových bodů do S-JTSK Vzhledem k civilnímu určení DMR 4G jsou souřadnice uzlových bodů převedeny z pracovního souřadnicového referenčního systému do souřadnicového referenčního systému JTSK. Transformace byla provedena pomocí aplikace LASER SUPPORT 2010 s využitím koeficientů lokální dotransformace poskytnutých VÚGTK, v. v. i. Interpolace Pro interpolaci nepravidelné sítě reprezentativních uzlových bodů do pravidelné čtvercové sítě 5 x 5 m byla použita interpolační funkce programového systému SCOP++ s využitím adaptabilní lineární predikce, která je modifikací lineární predikce, kdy v závislosti na distribuci vstupních bodů jsou pro interpolaci používány různě velké výpočetní jednotky. Zpracování dat pro DMR 5G Výběr reprezentativních výškových bodů reliéfu v zemědělsky obhospodařovaných oblastech Vzhledem ke skenování v období vegetace se dá předpokládat, že většina naskenovaných bodů leží na nízké vegetaci, což způsobuje chyby při kategorizaci bodů. Proto proběhla generalizace bodů uvnitř čtvercové sítě 5 x 5 m, kdy byl vybrán jako pravděpodobný reprezentativní bod ležící na terénu, ten s nejnižší výškou. Zároveň se kontrolovala výška oproti okolním bodům, jestli se silně neodlišuje, pak by se jednalo o zbloudilý paprsek a bod by byl nahrazen bodem s druhou nejnižší výškou. V mřížce 5 x 5 m byly zpracovány oblasti orné půdy podle databáze LPIS Ministerstva zemědělství a oblasti vzniklé manuální digitalizací nad stínovaným reliéfem splňujících následují kritéria (ČÚZK, 2012b): zemědělsky obhospodařované areály (louky, pastviny a orná půda), nerovnosti v terénu mající dočasný charakter, definovaná oblast neobsahuje žádné ostré zlomy (strouhy a terénní hrany). Výsledkem jsou nerovnoměrně rozprostřené skutečně naměřené výškové body terénu. Výběr reprezentativního výškového bodu terénu v ostatních areálech Výběr bodů v ostatních areálech probíhal v mřížce 1 x 1 m a jako pravděpodobný reprezentativní bod reliéfu je brán bod s nejnižší výškou. Postup je podobný jako v případě zemědělsky používaných oblastí. Interpolace výškového modelu terénu v oblastech neobsahujících naměřená data Cílem byly interpolovat pravděpodobné výšky bodů v oblastech, kde data nebyla pořízena, například pod budovami a částečně v oblastech s hustou vegetací. Model tak 35