Počítačová podpora v archeologii III Letecké laserové skenování (ALS/LIDAR) a možnosti jeho využití v archeologii úvodní informace o projektu Jan John Anotace Text přináší úvodní informaci o metodě leteckého laserového skenování (ALS/LIDAR) a projektu, který je zaměřen na uvedení této metody do naší archeologie. Klíčová slova archeologie letecké laserové skenování lidar Letecké laserové skenování V průběhu uplynulého desetiletí našla metoda leteckého laserového skenování (ALS Airborne Laser Scanning) uplatnění v řadě oborů lidské činnosti (stavebnictví, lesnictví, meteorologie, geodezie atp.). Mezi těmito disciplínami dnes nechybí ani archeologie, neboť zmíněný nástroj přináší zcela nové možnosti v oblasti bezkontaktní dokumentace krajiny za použití principů známých z dálkového průzkumu Země (viz např. Bewley a kol. 2005; Devereux a kol. 2005; Gojda 2005). V souvislosti s uvedenou metodou se v archeologické komunitě již v podstatě zažil akronym LIDAR (Light Detection And Ranging), pravděpodobně proto, že je krátký a dobře zapamatovatelný. Je však třeba mít na paměti, že se tento termín vztahuje obecně k metodě laserového skenování, nejen toho leteckého. Samotný princip ALS je založen na kombinaci několika přístrojů. Klíčový je laserový skener emitující vysokou rychlostí (např. 10 000 emisí za sekundu) krátké laserové impulsy, směřující pod různými úhly směrem k zemskému povrchu. Ty jsou následně po odrazu od povrchu opět zachycovány citlivým detektorem. Díky sledování časových rozdílů mezi vysláním impulsu a přijetím jeho odrazu lze velice přesně (zpravidla na několik centimetrů) určit polohu bodů, od nichž se signál odrazil (viz Dolanský 2004, 10 11). Skener je přitom umístěn na létajícím stroji (nejčastěji malý dvoumotorový letoun nebo helikoptéra) vybaveným přesným přijímačem GPS a vnitřním navigačním systémem, což umožňuje sběr dat během průletů ve vzájemně se překrývajících pásech, širokých dle výšky letu. Tato kombinace přináší jednu z podstatných výhod leteckého laserového skenování, a to možnost rychlého sběru georefencovaných dat na velkých plochách. Podobně jako letecký průzkum, může být ALS využito jak k dokumentaci krajiny a památek, tak při vyhledávání neznámých lokalit. Oproti klasickému leteckému průzkumu je ovšem metoda méně závislá na stavu atmosféry (denní doba, oblačnost) a navíc umožňuje vytváření modelů terénu, z nichž jsou odfiltrovány nežádoucí objekty (vegetace, stavby), což je např. při použití letecké dvousnímkové fotogrammetrie prakticky nemožné. / 24
Obr. 1. Poloha jednotlivých polygonů, podrobených na jaře 2010 leteckému laserovému skenování. Surová data ALS jsou zpravidla upravována do dvou typů digitálních modelů. Jedná se o tzv. model povrchu (DSM Digital Surface Model) a model terénu (DTM Digital Terrain Model). Rozdíl spočívá v tom, které odrazy laserového impulsu jsou do výpočtu zahrnuty. Pokud se v trase laserového paprsku při jeho cestě k zemskému povrchu nacházejí nějaké menší překážky, např. koruny stromů či nadzemní elektrické vedení, část impulzu se od nich odrazí (průměr laserového paprsku u země mívá několik desítek centimetrů). Z jednoho vyslaného impulzu je tak často zaznamenáno několik odrazů. Obecně lze říci, že pokud jsou ve výpočtu zahrnuty první odrazy, vzniká model povrchu včetně vegetace a nadzemních objektů. Pokud jsou použity jen poslední odrazy, vzniká model holého terénu, ze kterého mohou být navíc pomocí specializovaných programů (např. SCOP++, Terra Scan) odfiltrovány nežádoucí objekty, jako např. budovy. Úvodní informace o projektu V roce 2010 byl pod vedením Martina Gojdy zahájen na katedře archeologie Západočeské univerzity v Plzni dvouletý grantový projekt, mezi jehož hlavní cíle patří testování metody laserového skenování v našich podmínkách a získání zkušeností se zpracováním a vyhodnocováním tohoto druhu dat. Metoda dokumentace terénních reliktů pomocí digitálních modelů terénu je na plzeňské katedře archeologie rozvíjena již několik let a v praxi se osvědčuje (viz např. John 2008, Hložek 2010). Současný projekt na tyto aktivity přirozeně navazuje, přičemž využití leteckého laserového skenování přináší nové možnosti, především v oblasti rychlosti a rozsahu získávání dat. V první fázi projektu bylo v oblasti severozápadních Čech zvoleno 6 testovacích polygonů o celkové rozloze 60 km 2 (viz obr. 1). Záměrně byly zvoleny oblasti s vyšším počtem dochovaných antropogenních / 25
Letecké laserové skenování (ALS/LIDAR) a možnosti jeho využití v archeologii Obr. 2. Hradiště Vladař u Záhořic (okr. Karlovy Vary): A digitální model povrchu (DSM), B - digitální model terénu (DTM). V obou případech se jedná o stínovaný rast s velikostí pixelu 1 1 m. / 26
Obr. 3. Hradiště Vladař u Záhořic (okr. Karlovy Vary): pohled na trojrozměrný DTM směrem od severozápadu. V dolní části obrázku je řez provedený na DTM v nejjižnější části předhradí. terénních reliktů v zalesněném prostředí (pravěká hradiště a mohylová pohřebiště, zaniklé středověké vesnice, hrady, těžební areály atd.). Tyto oblasti byly v březnu 2010 nasnímány společností Milan Geoservice GmbH. Právě období časného jara je pro skenování za účelem vytváření modelů terénu nejvýhodnější, neboť vegetace je ještě dobře prostupná a zároveň již chybí sněhová pokrývka. V rámci této akce byla během jednoho dne zaměřena více než jedna miliarda bodů. Jako příklad získaných dat nám může posloužit významná výšinná lokalita Vladař u Záhořic, které je v současné době věnována značná pozornost (cf. Chytráček Šmejda 2005). Toto rozsáhlé hradiště donedávna postrádalo přesnější zaměření, a to právě v důsledku své velikosti. První kvalitní plán vyhotovil Antonín Majer až v roce 2003 s pomocí systému GPS, do té doby byla lokalita zdokumentována jen pomocí nepřesných náčrtů (Majer 2004). V prostoru 3,6 2,9 km (polygon 2 na obr. 1) zde bylo zaměřeno zhruba 60 milionů jednotlivých bodů, což představuje pokrytí cca 10 reálných bodů (odrazů) na m 2. Z porovnání výsledných modelů povrchu a terénu na obr. 2 je patrné, jak detailním způsobem jsou nyní terénní relikty na lokalitě polohopisně i výškopisně zdokumentovány. / 27
K dobře známým výhodám digitálních modelů terénu patří široké možnosti jejich další zpracování do různých odvozených forem, jako jsou trojrozměrné vizualizace a řezy (obr. 3), vrstevnicové plány, mapy svažitosti, rekonstrukční mapy vodotečí atd. Oproti metodě sběru dat pro digitální modely přímo v terénu (např. za pomoci totální stanice) je u leteckého laserového skenování velmi důležitá následná kontrola dat přímo na snímaných lokalitách, aby bylo možno spolehlivě vyloučit různé pseudo-objekty, které se mohou na výsledných modelech objevit (typickým příkladem jsou konvexní objekty vzniklé navršením ořezaných větví během lesních prací). Důkladnější rekognoskace terénu ve zvolených polygonech je plánována na přelom roku 2010 a 2011, již předběžné průzkumy však ukazují zajímavou skutečnost, a to že lze díky umělému nízkému nasvícení a vzniku stínových příznaků na digitálních modelech sledovat i takové objekty, které jsou přímo v terénu prakticky neviditelné. Závěr V první fázi projektu se podařilo úspěšně získat data leteckého laserového skenování ze šesti zkušebních polygonů o celkové rozloze 60 čtverečních kilometrů. Již nyní je naprosto zřejmé, že tato metoda přináší revoluci do dokumentace terénních reliktů, zejména v zalesněných oblastech. Jedná se o postup, který je výrazně rychlejší a ekonomičtější než pozemní měření a při jeho plošné aplikaci lze očekávat značný pokrok v dokumentaci a mapování archeologického dědictví, zejména u rozsáhlých památek, jako jsou např. úvozové systémy zaniklých cest. Literatura Bewley, R. H. Crutchley, S. P. Shell, C. A. 2005: New light on an ancient landscape: lidar survey in the Stonehenge World Heritage Site. Antiquity 79/305, 636 647. Devereux, B. J. Amable, G. S. Crow, P. Cliff, A. D. 2005: The potential of airborne lidar for detection of archaeological features under woodland canopies. Antiquity 79/305, 648 660. Dolanský, T. 2004: Lidary a letecké laserové skenování. Acta Universitatis Purkynianae 99, Studia geoinformatica, Ústí nad Labem. Gojda, M. 2005: Lidar a jeho možnosti ve výzkumu historické krajiny. Archeologické rozhledy 57/4, 806 810. Hložek, J. 2010: Předhradí vrcholně středověkých hradů v Čechách cesta ke korpusu. Nepublikovaný rukopis disertační práce, Západočeská univerzita v Plzni, Katedra archeologie. Chytráček, M. - Šmejda, L. 2005: Opevněný areál na Vladaři a jeho zázemí. K poznání sídelních struktur doby bronzové a železné na horním toku Střely v západních Čechách. Archeologické rozhledy 57/1, 3 56. John, J. 2008: Počítačová podpora dokumentace terénních reliktů v archeologii. In: Macháček, J. (ed.): Počítačová podpora v archeologii 2. Brno-Praha-Plzeň. Majer, A. 2004: Mapování velkých územních celků s užitím globálního pozičního systému. Archeologické výzkumy v jižních Čechách Supplementum 1, 307 320. Mgr. Jan John, Ph. D. Katedra archeologie Západočeské univerzity v Plzni Sedláčkova 15 306 14 Plzeň jjohn@kar.zcu.cz / 28