Seminární práce z předmětu DPZ Téma: Letecké skenování biomasy (laserové) Autoři: KUNCOVÁ Lucie JANEČKOVÁ Petra
Obecné principy a pojmy Lidar V mnoha oborech je pojem lidar chápán různě. Ačkoliv základem je vždy stejný princip-měření vzdálenosti pomocí laserového paprsku, je jeho použití v praxi často diametrálně odlišné. Lidar je systém, pomocí kterého lze rekonstruovat digitální tvar libovolného tělesa (socha, architektonická památka, skalní masív nebo rozsáhlé podzemní komplexy). Další variantou použití je mapování koncentrací polutantů v atmosféře, měření oblačnosti, ozónové vrstvy a jiných jevů v meteorologii a pro potřeby ochrany životního prostředí. S lidary se také můžeme setkat v běžném životě (přístroj pro měření rychlosti projíždějících vozidel v rukou policie). Princip lidaru Vlastní princip lidaru lze považovat za velmi jednoduchý. Celý přístroj obsahuje zdroj laserového záření a velmi přesné hodiny. Jako zdroj laserového záření lze v současné době použít poměrně velkou škálu různých editorů. U výkonných lidarů se používají pevnolátkové lasery rubínové nebo modernější Nd:YAG. Jako detektory jsou používány světlocitlivé diody spektrálně synchronizované na stejnou vlnovou délku jako je vysílané vlnové záření. Různých vlnových délek lze s výhodou použít při napodobení multispektrálního průzkumu, kdy ze znalostí spektrálního chování materiálu, ze kterého je zkoumaný objekt, lze odvozovat další nepřímé informace. Protože je svazek paprsků laserového záření vysílán směrem k objektu, od něhož se odražen vrací k detektoru, musí být detektor velmi citlivý-energie světla klesá s druhou mocninou vzdálenosti (budeme-li uvažovat difusní odraz). Lasery v lidarech jsou používány jak v pulsním, tak v kontinuálním režimu s fázovou modulací. Optická soustava zajišťuje koncentraci záření do velmi úzkého svazku a zároveň souosost detektoru a editoru. To je zpravidla zajištěno polopropustným hranolem. Poslední optický člen soustavy, jímž je zrcadlo nebo hranol, je zpravidla umístěn na mechanickém prvku, který zajišťuje směrování paprsku vždy pod jiným úhlem. Tím je zajištěno snímání. Navíc je snímání jednotlivých měření v takovémto případě mnohonásobně rychlejší. Poslední částí lidaru jsou hodiny. Jedná se o velmi přesné hodiny, které mají za úkol měřit čas od vyslání svazku paprsků po jejich detekci na detektoru. Ze znalosti rychlosti šíření švětla lze určit vzdálenost lidaru od objektu a tedy ze znalosti směru vyslaného svazku paprsků a odvozené vzdálenosti určit polohu každého měřeného bodu. U kontinuálního režimu laseru je navíc paprsek frekvenčně modulován a vzdálenost je určována i za pomoci fázového posunu. Lidary pro mapování terénu letecké laserové skenování Letecké laserové skenování je velmi mladou technologií umožňující sběr bodů pro tvorbu digitálního modelu reliéfu a modelu terénu, a to i v zalesněných oblastech. Ačkoliv je tato technologie velmi mladá, již našla své uplatnění v mnoha praktických aplikacích, jako je například tvorba 3D modelu města, analýza vegetačního pokryvu, sledování nadzemních vedení apod. laserové skenování je vyvinuto pro rychlé a operativní mapování rozsáhlých území, kde nadstandardní metody (tachymetrie, GPS, fotogrammetrie) již nestačí. Celý proces měření a následného zpracování je z velké části automatizován. Všechna data jsou získána již primárně v digitální podobě, a proto je také vyhodnocení prováděno na počítačích.
Konstrukce laserových skenerů Laserové skenery se skládají z několika samostatných technologií. Ačkoliv se jednotlivé komerční systémy navzájem odlišují, mají naprosto totožný základ-gps a INS jako navigační systém a dále laserovou a skenovaní jednotku. Vnitřní parametry jednotlivých jednotek musí být určeny s vysokou přesností, proto každá z těchto samostatných jednotek musí být před měřením kalibrovýma. Laserová jednotka (LRF) Laserová jednotka obsahuje laserový vysílač a přijímač, jejichž optická osa je totožná. Velikost stopy laserového paprsku je závislá na výšce letu a na divergenci světelného paprsku. Většina komerčních LRF používá vlnovou délku záření v rozsahu 1100-1200nm, což odpovídá blízkému infračervenému záření. Intenzita odraženého světla je dána vlastnostmi povrchu, na který laserové záření dopadlo. Z hodnot intenzity odraženého světla lze generovat pseudo-snímek a interpolací lze získat rastrový obraz. To umožňuje velice dobře od sebe odlišit objekty s vysokou a nízkou odrazivostí v daném pásmu záření. Pro měření vzdálenosti je světlo modulováno buď pulsně nebo sinusovou modulací. Pulsní modulací vysílač emituje krátké impulsy s pravoúhlým průběhem o délce 10-15ns. Dráha světelného paprsku je ovlivňována atmosférickou refrakcí, která je závislá na úhlu paprsku od svislice a na lokálních atmosférických podmínkách. Vyslaný pravoúhlý puls se navíc po odrazu od povrchu nevrací ve svém původním tvaru, ale vytváří daleko složitější tvar, který popisuje vlastnosti atmosféry a povrch objektu (obr. 1). Díky své šířce se laserový paprsek postupně odráží od jednotlivých vrstev objektů na zemském povrchu. Tato vlastnost se projeví nejvíce na vzrostlé vegetaci a dále pak i na hranách výškových objektů. Při mapování lesních ploch lze tedy získat jak odraz od svrchní části koruny, tak i od jednotlivých pater a rovněž i od vlastního terénu. Aby dva odrazy byly od sebe jednoznačně odlišeny, musí mezi nimi být dostatečně velký útlum signálu. V praxi se převážně používají systémy s pulsní modulací, které svou současnou centimetrovou přesností dostačují. Přesnost měření délky je u nich ale závislá především na přesnosti měření času mezi vysláním pulsu a jeho detekcí po odrazu Skener Pro vychylování paprsku mimo svou je ve skeneru umístěno zpravidla rotující zrcadlo, které paprsek vychyluje v příčném směru. Posun paprsku v podélném směru je zajištěn vlastním pohybem plošiny (letadla). Celkový úhel záběru v příčném směru pak definuje šířku záběru, čili zorné pole. V praxi je zpravidla zorné pole 20-30, nicméně existují i systémy až se 70. Při konstrukci skeneru je použito několik odlišných technologií. Skener s rotačním zrcadlem-měření tímto druhem skeneru je charakteristické paralerními řadami bodů. Poloha zrcadla, které se otáčí stále stejným směrem, je určována buď přímo z motoru nebo je k zrcadlu upevněn úhlový senzor. Výhodou typu konstrukce
s úhlovým senzorem je velmi malá chyba při úhlovém měření. Nevýhodou je poměrně dlouhý čas mezi jednotlivými cykly, kdy paprsek je odrážen mimo zorné pole. Skener s oscilujícím zrcadlem-body na terénu mají při použití této metody charakteristické pilovité uspořádání. Výhodou je, že paprsek je odrážen vždy směrem k povrchu a měření je tedy kontinuální. Operátor může řídit jak rychlost skenování tak i úhel záběru. Další výhodou je možnost kompenzace turbulentních pohybů letadla. Tyto pohyby způsobují zvlnění okrajů skenované scény nebo homogenní hustotu bodů na povrchu. Nevýhodou je vznik torze mezi zrcadlem a úhlovým senzorem díky změnám rychlosti a zrychlení. To má také za následek nerovnoměrnou hustotu bodů na povrchu kdy v nadiru je hustota nejnižší a díky zpomalování zrcadla je na okraji zorného pole nejvyšší. Skener se svazkem optických vláken-místo zrcadla, které odráží paprsek k povrchu, je užito malé zrcadlo k nasměrování paprsku do lineárního svazku optických vláken. Svazek vysílá laserový puls stále pod stejným úhlem. výhodou je, že tento systém obsahuje méně pohyblivých dílů, které jsou zároveň daleko menší. Rychlost snímání tedy může být vyšší než v předchozích dvou případech. Nevýhodou je velmi úzký úhel záběru (7 ) a pevný počet bodů v příčném směru včetně jejich úhlové vzdálenosti. Eliptický skener-používá soustavu dvou zrcadel, které vychylují paprsek tak, že stopa na povrchu opisuje elipsu. Výhodou tohoto systému je dvojnásobné měření povrchu z různých míst, takže pokud nějaká část povrchu nebyla změřena při prvním průchodu, může být změřena při průchodu druhém. Nevýhodou je větší mechanická složitost a tím i větší náchylnost k chybám při synchronizaci pohybu zrcadel a určení aktuálního úhlu. Tato metoda je použita v systému ASLRIS Kontrolní jednotka Skener a laserová jednotka vzájemně spolupracují pomocí kontrolní jednotky. Vnitřní hodiny této jednotky jsou pravidelně synchronizovány s hodinami GPS aparatur pomocí PPS signálem generovaným vnitřními hodinami GPS přijímače.
Navigační jednotka Navigační jednotka využívá dvou fyzikálních zákonitostí. Využívá vlastnosti velmi rychle rotujících těles, které se snaží udržet svojí osu rotace ve směru zemské tíže. Dále využívá setrvačnosti těles. Oba jevy je možno měřit pomocí několika gyroskopů (měří náklon celého systému k tížnici) a akcelometru (měří zrychlení). Přestože současné gyroskopy a akcelometry měří velmi přesně extrémně malé hodnoty, vlivem působení systematických chyb se bude vypočtená trajektorie letu od skutečné stále více odchylovat a po určitém čase odchylka překročí povolené meze. Proto je nutné tato měření doplnit měřením GPS. GPS Pro určování polohy letadla v referenčním systému je používána soustava GPS přijímačů s využitím metody DGPS. Nejednodušší formou je kombinace jedné referenční stanice na známém geodetickém bodě a jedné stanice na palubě rozmístěny tři stanice, lze s jejich pomocí provádět výpočty nejen aktuální polohy nýbrž i hodnoty jednotlivých náklonů letadla. Další funkcí GPS na palubě letadla je synchronizace času všech ostatních měřících systémů. Mapování vegetace Registrace několikanásobného odrazu se s výhodou využívá také u biometrických analýz. Typickým příkladem je měření objemu biomasy v lesních porostech. V případě lesních porostů je vždy část světelného impulsu odražena od vrchních partií korun stromů. Protože ale velikost stopy při výšce letu 500 m je kolem 30 cm, může část svazku paprsků procházet mezerami mezi listy až na terén. Z dat několikanásobného odrazu lze určovat další parametry lesa objem, poškození, druhové zastoupení, výšku porostu nebo počet stromů (Elberink a Maas, 2000). Metoda se hodí i pro zkoumání prostorové skladby, struktury jednotlivých vegetačních pater, což může mít například značný efekt při studiu růstu lesů a jeho vnitřních zákonistostí (Lefsky, 1999). Vlastní struktura je definována jako organizovaný systém v prostoru a čase, včetně polohy, rozšíření, množství, typu a spojitosti nadzemních částí vegetace (Parker, 1995). Pro porozumění růstu lesa je nutné znát množství informací nejen o biologii rostlin, ale i prostorovém uspořádání jejich částí. K tomu právě laserové skenování velkou měrou přispívá. Znázornění výsledků lze následně provést několika způsoby (obr. XY), případně rozšířit o plnou 3D reprezentaci dat.
Příklad realizace ve světě Lesní zásoby a vyhodnocení biomasy s použitím metod leteckého laserového skenování (příklad ze Sibiře) (Forest inventory and biomass assessment by the use of airbone laser scanning method (example from Siberia)) I.M.Danilin, E.M.Medvedev Použití metod leteckého laserového skenování poskytuje nové možnosti dálkového průzkumu země pro lesní vegetaci a specificky narušené lesní ekosystémy (poškozené lesními požáry, těžbou dřeva, hmyzem apod.), jejichž velikost na Sibiři rok do roku vzrůstá. Vysoká efektivita leteckého skenovacího průzkumu (přes 50-70 tisíc měření za sekundu) kombinovaná s prostorovým rozlišením a vysokou přesností (cm) vytváří efektivní algoritmy morfologické analýzy, zajišťující automatickou extrakci informací o důležitých vlastnostech narušených lesních ekosystémů. Analýzou stavu složení, spojenou s GPS daty, digitálním leteckým videem a velmi přesnými fotografickými snímky (10-15 cm aktuální lineární rozlišení), je možno získat velmi spolehlivou interpretaci různých druhů a vrstev lesní vegetace, rozlišených podle druhů stromů, hustoty, stupně poškození a jiných parametrů. Následné procesy laserového profilování dat a digitální letecké snímkování používají originální software ALTEXIS, integrální počty, Fourierovu řadu a hlavně volnou dráhovou analýzu, kde je možné dostat důležité a přesné informace o vegetaci (lesní struktury, skladba druhu stromů a zásoby dřeva). Návrat metod s použitím alometrických funkcí poskytuje přesný a efektivní výzkum stavu biomasy při zpracování laserově profilovaných dat. Metodika metod leteckého laserového skenování používaná pro letecký průzkum a vyhodnocení biomasy na porušených lesních porostech na Sibiři je zvažována dále. Jsou zde popsány výsledky praktické aplikace leteckého laserového skenování provedené přístrojem Optech Inc. ALTM-2050 na vývoj lesní biomasy v centrální Sibiři. Úvod Laserové mapování terénu a průzkum je důležitou součástí nejnovějších metod a technologií geoinformatiky a digitální fotogrammetrie a je daleko přizpůsobivějším řešením množství otázek, týkajících se ekologického monitorování, lesního soupisu a mapování. Laserové mapování lesního terénu a průzkum můžou být prováděny nezávisle a/nebo (?) v
komplexu s vesmírem, letecké digitální video a fotografie kombinované se základním vzorkováním. V Severní Americe metody laserového mapování používají satelity a letecké plošiny (aircraft platforms), které byly vyvinuty a hodně praktikovány v geodézii, kartografii a lesní inventarizaci a průzkumu. V Rusku byly vyvinuty laserové metody doporučené pro řízené lesních zdrojů před základní deskou letadla (na palubě letadla) a před objevením satelitních laserů. Toto hlavní šetření bylo uskutečněno Leningradským lesním výzkumným ústavem (Leningrad Forestry Research Institute), V.I.Solodukhinem se spolupracovníky, kteří demonstrovali vysokou efektivitu lesního laserového profilování kombinovaného s obvyklými leteckými fotografiemi pro účely inventarizace dřevních porostů. V průběhu posledních let s objevením a dostupností civilního odvětví ekonomiky především satelitních umísťovacích a navigačních systémů (amerického GPS a ruského GLONASS), satelitního a leteckého laserového skenování a digitálního videa a fotografie, se zdá, že nové možnosti pro dálkový průzkum země pozemských ekosystémů a lesního krytu s vysokou přesností měření reliéfu a výšek základních objektů okolo +-10-15 cm a polohování se pohybuje s přesností 15-20 cm a vyšší. Metody a oblast výzkumu Areál výzkumu byl vytvořen Mil-8 helikoptérou s laserovou skenovací sadou ALTM 2050 od Optech Inc. z Kanady. Video a foto scény byly nahrávány simultánně Sony DCR-PC 1100 megapixel mini DV videokamerou s Carl Zeiss Vario-sonarem a KODAK DSC-EOC 1c digitálním fotoaparátem s rozlišením 5000x3000 pixelů CCD, které poskytuje 10 cm lineární rozlišení (na Zemi) z 300 m výšky letu a okolo 300 m cesty skenovací šířky. (Danilin et al., 2000; Medvedev, 2004; Medvedev et al., 2004). Šířka políčka krytá jednoduchým přeletem letadla záleží na úhlu skenování laserového systému a výšce letu. Typické operační specifikace jsou rychlost letu 200-250 km/hod (55-70 m/s), výška letu od 300 do 3000 metrů, skenovací úhel od 0 do 20 stupňů a rychlost snímání od 2000 do 50000 pulsů za sekundu. Tyto parametry mohou být vybrány jako uznané měření bodů každých pár metrů se stopou 10-15 cm, poskytujících dost informací k vytvoření digitálního modelu terénu a model lesní vegetace adekvátní pro množství lesnických a lesních inženýrských aplikací včetně plánu lesnických operací, projektování a uspořádání lesních cest, stanovení těžby dřeva a objem základních prací. Pozice letadla v čase při každém měření je určena fází rozdílu GPS. Pro laserový letecký průzkum jsou používány letecké a základně založené přijímače Ashtech Z-12, Ashtech Z-Field Surveyor, Ashtech Z-Surveyor. Rotační pozice paprskového zaměřovače jsou kombinovány s pohybem letadla, chybných a kursovních (hlavních) hodnotách, určených inerciálním navigačním systémem a rozsah měření k dosažení vektoru z letadla k základním bodům. Když jsou tyto vektory sečteny s lokalizací letadla, poskytnou přesné souřadnice bodů na povrchu terénu. Chyba jednorázového měření geografických souřadnic při používání přístroje ALTM-2050 a Ashtech GPS nepřesahuje 0,1% výšky letu. Laserově snímaná data a digitální video obrázky a fotografie mají zkušební kvalitu, jsou předzpracovány na palubě letadla a později zpracovány na zemi použitím speciálního softwaru, který podporuje získávání geometrických parametrů a velmi přesně koordinuje oddělování stromů a dobře čitelných morfostrukturálních charakteristik lesního krytu podél letového kurzu. Všechny obrázky a databáze jsou prezentovány ve 3D zobrazení, protože zákazníci můžou pracovat s digitálním modelem terénu a ve video, fotografickém nebo více pohodlném režimu. V roce 2003 byla studována a zkoumána hlavní metodika mapování lesního krytu a struktury stavu, interpretovaná přístrojem ALTM 2050. Výzkum byl umístěn podél 200 km letu a vzorkování lesního porostu pro výzkum v Turukhanském regionu v Krasnoyarském
kraji (centrální Sibiř), bez pánve řeky Bakhta (pravý přítok řeky Yenisej) (63-64 N, 91-92 E) v subzóně sibiřské střední tajgy, kde v lesích dominují modřín (Larix sibirica) - jedle (Picea obovata) Sibiřská borovice (Pinus sibirica), na některých místech kombinované s břízou (Betula pendula), mechem a mokřinami. Pro základní zkoušení vzdušného průzkumu dat bylo stanoveno 35 vzorových území podél lesního pásu pro výzkum, reprezentujícícho všechny dominantní lesní typy a polohové podmínky. Na vzorových územích byly vybrány vzorové stromy, měřeny a skáceny s 2 cm DBH a 1 m výškového rozpětí pro analýzu kmene a určení stavu fytomasy. Obr.1. Letecký snímek s 15 cm lienárním rozlišením na povrchu. Barevná fotografie stavu modřínu (Larix sibirica) bez laserového skenového profilu v údolí řeky Bakhta v centrální Sibiři (63 34 47.3 N 90 42 11.2 E) Výsledky a diskuze Interaktivní zpracování laserových a digitálních fotografických dat je zaváděno s originálním Altexis softwarem, který byl vytvořen pro zpracování dat kombinujících laserové skenování a letecké fotografování. ALTEXIS 2.0 poskytuje metrologické zabezpečení pro letecká průzkumná zařízení zahrnující kalibraci procedur pro LIDAR a digitální kamery. Také může být použit k monitorování kvality pilotáže a zhodnocení spolehlivosti sebraných leteckých dat z průzkumu. Mimo ALTEXIS verze 2.0 je realizován široký rozsah zpracovacích algoritmů dat: generování DTM, analýza geomorfologie terénu, vytvoření orthofota, automatický výběr laserových bodů, identifikace geografických objektů, modelování elektrického vedení, stanovení parametrů lesního inženýrství apod. Jako výsledek zpracování laserově lokalizovaných dat dostaneme primární profil země, který se skládá z vegetace a topografického (zemního) profilu. Topografický povrch je následně interpolován s vyrovnáním a spojením bodů, kde laserový paprsek dosáhl základního průniku skrz koruny stromů/listí. Eliminací topografického profilu dostaneme vegetační/stromový profil. Analýza lesní vegetace a struktury stavu lesa sjednocená s leteckou digitální fotografií a video daty dovoluje přesnou interpretaci různých typů a vrstev lesní vegetace rozdělených podle druhů stromů, hustoty a jiných parametrů.