VYUŽITELNOST METODY MOBILNÍHO LASEROVÉHO SKENOVÁNÍ PRO ÚČELY KATASTRU NEMOVITOSTÍ UTILIZATION OF THE MOBILE LASER SCANNING METHOD FOR THE CADASTRE OF REAL ESTATE OF THE CR Abstract Pavel Taraba 1 The attention of the Czech office for surveying, mapping and cadastre (ČÚZK) in the area of GNSS was in 2012 focused on following issues: finalization of CZEPOS network transformation into a dual network, completion of accuracy improvement of the conversion table for enhanced global transformation between ETRS89 and S-JTSK, elaboration of the pilot project assessing utilization of the mobile laser scanning method for the cadastre of real estate of the CR, in particular. 1 Úvod Jednou z hlavních problematik z oblasti GNSS, kterým v loňském roce Český úřad zeměměřický a katastrální (ČÚZK) věnoval zásadní pozornost, bylo posouzení možného využití mobilního laserového skenování pro potřeby katastru nemovitostí ČR. 2 Mobilní laserové skenování Laserové skenování umožňuje velmi rychle získat 3D model předmětu zájmu a tím, že není závislé na denním světle, umožňuje provádět potřebná měření bez ohledu na denní dobu, tedy i v nočních hodinách. Oproti statickým skenerům, kdy jsou zpravidla skenovány jednotlivé objekty nebo jejich uskupení, mobilní skenování umožňuje pořídit v krátkém čase data (mračno bodů) z větší plochy, např. obce a jejího okolí, nebo delší linie, např. silničního nebo železničního úseku a jeho okolí. Hlavní přístrojovou částí, která představuje srdce systému je skenovací jednotka, jež slouží k získání vlastního obrazu skenované reality. Je tvořena dvojicí na vozidle upevněných rotačních laserů, jejichž roviny rotace jsou vůči sobě postaveny ve tvaru písmene V rozevřeného ve směru jízdy. Jednotka je doplněna 1 Taraba Pavel, Ing., Český úřad zeměměřický a katastrální, Pod Sídlištěm 9/1800, 182 11 Praha 8, tel.: 284041235, e-mail: pavel.taraba@cuzk.cz
aparaturou GNSS, která slouží k určení souřadnic okamžité polohy vozidla a tím posléze i jeho trajektorie, a inerciální jednotkou (IMU), která umožňuje určit okamžitou orientaci podélné osy vozidla vůči směru jízdy (průběhu jeho trajektorie), okamžitý podélný i příčný sklon vozidla a při krátkodobém zhoršení nebo výpadku příjmu signálů satelitů GNSS i výpočet jeho trajektorie. Součástí systému jsou zpravidla 2 až 4 digitální kamery, které snímají okolí a jejichž záznamy slouží k následné identifikaci jednotlivých prvků. Údaje ze všech komponent jsou k sobě přiřazeny pomocí záznamu času a následně jsou za použití zpracovatelského software určeny geocentrické souřadnice všem bodům získaného mračna bodů. Převod souřadnic do jiného souřadnicového systému je pak již jen věcí transformace mezi dvěma souřadnicovými systémy. Takto získané výsledné mračno bodů je následně vektorizováno, kdy zpracovatel manuálním postupem vyhodnotí, který bod mračna bodů je tím bodem, jehož souřadnice bylo potřebné určit. 3 Posouzení možného využití laserové skenování v KN Posuzovány byly výsledky získané z dat, která byla pořízena firmou Geovap, spol. s r.o., pomocí mobilního laserového systému LYNX, pro který výrobce udává, že při dodržení jím doporučených zásad pracovního postupu, jsou výsledné souřadnice bodů mračna určeny s absolutní prostorovou přesností 5 cm. Jestliže budeme považovat tento údaj za hodnotu kritéria střední souřadnicová chyba, tzn., že výsledné souřadnice mají mírně nižší přesnost, než jak ideálně udává výrobce, pak při využití zpřesněné globální transformace mezi ETRS89 a S-JTSK, jejíž přesnost je charakterizována hodnotou střední souřadnicové chyby 2,5 cm, dospějeme k odhadu výsledné přesnosti souřadnic v systému S-JTSK libovolného bodu z mračna bodů na úrovni výsledné střední souřadnicové chyby 5,6 cm, tedy hodnotě postačující i pro body PPBP. Je však třeba mít na paměti, že dosažení této přesností lze předpokládat pouze u těch bodů, jejich stabilizace nebo signalizace (způsob a tvar) umožňuje jejich bezproblémovou a jednoznačnou identifikaci v následné vektorizaci mračna bodů. U těch bodů, pro které toto neplatí, např. bodem je roh domu a jeho poloha může být rozmlžena soklem, nesvislostí zdiva, pro laser ne zcela dobře viditelným průnikem stavby s terénem (travní porost), je nutno počítat s nižší přesností, pravděpodobně na úrovni střední souřadnicové chyby 7 až 8, spíše 10, cm. 3.1 Posuzovaná data Firma Geovap, spol. s r.o., provedla skenování v intravilánu tří obcí, jejichž způsob zástavby i reliéf terénu se vzájemně liší. Stěžejní význam měly práce provedené v intravilánu obce Kasalice (okres Pardubice), kde k mračnu bodů získanému mobilní skenovací jednotkou byla připojena mračna získaná
statickými skenery, která pokrývala místa pro mobilní skenovací jednotku nedostupná. Takto získané výsledné mračno bylo dále zpracováno použitím programu GeoStore V6 a k němu nadstavbové aplikace LAS, který slouží k vektorovému vyhodnocení polohopisu a výškopisu. Finální výsledky pak byly konfrontovány s výstupem z DKM, která vznikla na základě terestrického měření, jež v lokalitě provedla postupem podle Návodu na obnovu katastrálního operátu také firma Geovap, spol. s r.o. Další skenování bylo provedeno pouze mobilní skenovací jednotkou v malé části intravilánu obcí Žamberk a České Libchavy. Výsledky pak nebyly konfrontovány s výsledky nově provedeného terestrického měření, ale pouze se souřadnicemi z DKM. V obou případech se jednalo o DKM, ve kterých má většina bodů souřadnice s kódem kvality 3. (DKM v lokalitě Žamberk vznikla v r. 2005 přepracováním mapy zaměřené v r. 1949 podle instrukce A, v lokalitě České Libchavy v pak r. 1998 na podkladě měření ZMVM.) Za účelem získání nezávislých výsledků a nezávislého ověření výsledků předaných od Geovap, spol. s r.o., byla v intravilánu obce Kasalice vybrána část, pro kterou bylo možné předpokládat, že bude obsahovat výsledky získané v místech zhoršené kvality příjmu GNSS a tím i horší přesnosti trajektorie vozidla, úseky na styku mračen získaných mobilním a statickým skenerem i místa pro skenování zcela nevhodná, ať již z důvodu silného vegetačního krytu nebo polohy za zděným plotem, či vnitřní trakty uskupení budov. V této části bylo postupem podle Návodu na obnovu katastrálního operátu provedeno pracovníky Katastrálního úřadu pro Pardubický kraj nezávislé kontrolní měření terestrickými metodami a pracovníky VÚGTK, v.v.i. nezávislá kontrolní vektorizace příslušné části mračna bodů s využitím zápůjčky stejného zpracovatelského programu od firmy Geovap, spol. s r.o., tedy GeoStore V6 a jeho nadstavby LAS. Získané výsledky od všech tří subjektů pak byly shromážděny v ČÚZK (na odboru 22), kde byly analyzovány, proveden jejich rozbor a pro účely dalšího rozhodování bylo vypracováno jejich shrnutí. Zásadní informací pro posouzení výsledků je, že část mobilního skenování v obci Kasalice byla provedena před provedením zjišťování průběhu hranic, takže část bodů nereprezentovala shodu výsledků laserového skenování s terestrickým měřením, nýbrž shodu aktuálního skutečného stavu s jeho zákresem v DKM. 3.2 Výsledky firmy Geovap, spol. s r.o. Vzhledem k tomu, že 1. etapa mobilního mapování v intravilánu obce Kasalice časově předcházela vyšetření hranic a provedení signalizace jejich lomových bodů před terestrickým měřením a druhou etapou použití
mobilního laseru, nastala situace, že z celkového počtu 1177 bodů muselo být z dalšího testu vyloučeno 325 bodů, tj. 27,6 %, u kterých se ukázalo, že z mračna bodů byl vyhodnocen bod, který ve skutečnosti nebyl bodem vyšetřeným při zjišťování hranic. Posuzováno tedy bylo 852 bodů s těmito výsledky: rozdíl souřadnic do hodnoty 1x mxy = 14 cm: 736 (86,4 %) rozdíl souřadnic do hodnoty 2x mxy = 28 cm: 736 + 60 = 796 (93,4 %) rozdíl souřadnic nad hodnotu 2x mxy, tedy více než 28 cm: 56 (6,6 %) Zjištěné rozdíly oproti normálnímu rozdělení jsou zhotovitelem přičítány skutečnosti, že i množina 852 testovaných bodů obsahovala body, které byly součástí mračna pořízeného v 1. etapě mobilního skenování, tedy před vyšetřením vlastnických hranic a signalizací jejich lomových bodů. Zhotovitel v technické zprávě uvádí, že mezi nimi není žádný, na kterém byla provedena signalizace. I v lokalitách Žamberk a České Libchavy byly z vyhodnocení nejprve vyloučeny body, na kterých aktuální stav zjevně nesouhlasil s průběhem vlastnických hranic. V lokalitě Žamberk bylo posuzováno 566 bodů s výsledky: rozdíl souřadnic do hodnoty 1x mxy = 14 cm: 384 (67,8 %) rozdíl souřadnic do hodnoty 2x mxy = 28 cm: 384 + 119 = 503 (88,8 %) rozdíl souřadnic nad hodnotu 2x mxy, tedy více než 28 cm: 63 (11,2 %) V lokalitě České Libchavy bylo posuzováno 418 bodů s výsledky: rozdíl souřadnic do hodnoty 1x mxy = 14 cm: 269 (64,4 %) rozdíl souřadnic do hodnoty 2x mxy = 28 cm: 269 + 68 = 337 (80,6 %) rozdíl souřadnic nad hodnotu 2x mxy, tedy více než 28 cm: 81 (19,4 %) Podrobný popis pracovního postupu, rozbor přesnosti, shrnutí dosažených výsledků i závěry a doporučení zhotovitele jsou obsahem jím předané technické zprávy. 3.3 Výsledky Katastrálního úřadu pro Pardubický kraj Hlavním účelem bylo získat nezávislé výsledky porovnání výsledků laserového skenování Geovap, spol. s r.o., s výsledky nezávisle provedeného terestrického měření (lokalita Kasalice). Posuzováno bylo 123 bodů s výsledky: rozdíl souřadnic do hodnoty 1x mxy = 14 cm: 120 (97,6 %) rozdíl souřadnic do hodnoty 2x mxy = 28 cm: všechny (100,0 %) rozdíl souřadnic nad hodnotu 2x mxy, tedy více než 28 cm: žádný (0 %)
3.4 Výsledky VÚGTK, v.v.i. Účelem bylo na vhodném vzorku mračna získat výsledky nezávisle provedené vektorizace a porovnat je s výsledky vektorizace provedené Geovap, spol. s r.o., a také s výsledky nezávislého terestrického měření, které provedli pracovníci KÚ. Již na počátku práce se ukázalo, že program GeoStore V6 s nadstavbou LAS je pro vektorizaci mračen vhodnějším nástrojem než program MicroStation. Z výsledků vyplynulo: ze 13 bodů, které KÚ zaměřil a které nebyly obsaženy ve výsledcích získaných z mračna, pouze 3 body nebylo možné v mračnu identifikovat (vždy z důvodu vegetačního krytu), u 5 bodů by k jejich vyhodnocení napomohla včasná signalizace, 1 bod na styku staveb, který měl být určen jako bod na přímce, a u 4 bodů se jednalo o nejasnou situaci v průběhu vlastnických hranic (situace byla v mračnu dobře viditelná, vyhodnocení bodů by napomohla jejich signalizace a pomocný detail v náčrtu zjišťování hranic) z 19 bodů, které VÚGTK v mračně neidentifikoval, pouze 3 byly doměřovány terestricky, 3 byly v mračně hůře viditelné a jejich identifikaci by napomohla včasná signalizace či pomocný detail v náčrtu zjišťování hranic, ve zbývajících případech se jednalo o body, které byly v mračně dobře viditelné a jejich identifikaci by napomohlo důslednější využití podpůrných dat (fotografie místa pořízená kamerou mobilní skenovací jednotky, náčrt ze zjišťování hranic apod.) celkový počet bodů, které byly obsahem mračna a VÚGTK je neidentifikoval nebo rozdíl obou vektorizací překročil odchylku 28 cm, je 37, pro všechny z nich platí, že jejich souřadnice z vektorizace Geovap, spol. s r.o., se v dopustných mezích (do 0,28 m) shodují se souřadnicemi určenými měřením KÚ a přičemž u 9 z nich bylo možné konstatovat, že jsou v mračnu hůř viditelné 3.5 nejdůležitější závěry Všechny výsledky byly vzájemně porovnány a jejich shrnutí obsahuje (mimo jiné) závěry: výsledky, které nezávisle na sobě získaly Geovap, spol. s r.o., KÚ a VÚGTK, v.v.i., jsou pro posouzení možného využití metody relevantní, vzájemně se potvrzují a je tedy možné je považovat za ověřené, byly potvrzeny počáteční předpoklady, že použitím metody mobilního laserového skenování je možné určit pouze body dobře viditelné
z trajektorie vozidla a i při nasazení doplňujících měření statickými skenery je nutné počítat s tím, že v případě plošného mapování je nutné metodu doplnit terestrickým měřením, metodou lze získat výsledky s přesností předepsanou pro podrobné body zaměřované pro potřeby katastru nemovitostí (body s kódem kvality 3), jednou z etap zpracování měřených dat je proces jejich vektorizace, kdy jsou data zpracována jednou a způsobem se zásadním vlivem lidského faktoru; metoda tak poskytuje i v případě, že mračno bylo získáno z několika opakovaných skenování, pouze jeden výsledek se spolehlivostí jednoho měření, při uplatnění metody je třeba plně respektovat specifické požadavky na způsob označování a signalizace bodů; body, jejichž pozice není jednoznačně a spolehlivě zřejmá, musí být v etapě zjišťování průběhu hranic označeny a ve zjišťovacím náčrtu vyznačeny tak, aby je následně bylo možné v mračně jednoznačně identifikovat, tedy způsobem, který spolehlivě zastoupí realizaci bodu výtyčkou s odrazným terčem, hranolem nebo anténou GNSS, je zřejmé, že označování bodů musí být prováděno výraznějším způsobem, než je tomu za současné situace při použití terestrických metod nebo při použití GNSS, metoda je oproti letecké fotogrammetrii méně závislá na počasí (povětrnostních podmínkách vhodných pro pořízení dat), což umožňuje zkrátit čas mezi zjišťováním průběhu hranic a podrobným měřením na minimum; měření je možné provádět bezprostředně po dokončení signalizace a také i jen v menších dílčích lokalitách, které lze následně spojit v jeden celek 4 Závěr Lze předpokládat, že metoda v budoucnu najde své uplatnění při zeměměřických činnostech pro účely katastru nemovitostí. ČÚZK proto přistoupil k pracím s cílem stanovit v Návodu pro obnovu katastrálního operátu podmínky pro možné využití této metody. Literatura [1] Kouřím, Bohumil: Pilotní projekt na posouzení využitelnosti 3D laserového skenování pro účely katastru nemovitostí, TZ, GEOVAP, spol. s r.o. [2] Taraba, Pavel: Shrnutí a posouzení výsledků pilotního projektu, interní mat. ČÚZK