Ugrás a tartalomhoz

Fotointerpretáció és távérzékelés 3., A lézer alapú távérzékelés

Verőné Wojtaszek Malgorzata (2010)

Nyugat-magyarországi Egyetem

3.7 A LIDAR alkalmazási lehetőségei

3.7 A LIDAR alkalmazási lehetőségei

A légi lézerszkennelés eredménye a georeferált ponthalmaz, amely a felszín és a felszínen lévő objektumok (épületek, távvezetékek, fák, stb.) magassági értékeit jelenti. Jelenleg a LIDAR rendszerek a kibocsátott lézernyalábból eredő első és utolsó, valamint több köztes visszaverődést is tudnak rögzíteni. A szenzorok legújabb generációja továbbá a lézerimpulzus teljes jelalakjának regisztrálására is képes. Ezek a technikai megoldások lehetővé teszik nagysűrűségű adatok felvételezését. A LIDAR szenzorok képesek a visszaverődés intenzitását (un. lidar intenzitását) is mérni. A visszaverődés értéke az x,y,z koordinátájú mérési pont spektrális tulajdonságaitól függ. Például a hóval borított terület reflektanciája 90%-os, ezzel szemben az aszfalt reflektanciája csak 5%. Az intenzitási értékekből georeferált raszteres képek állíthatók elő, melyek segítséget nyújthatnak az adatok feldolgozásában, a vizsgált terület használatának meghatározásában, a felszíni objektumok azonosításában.

A LIDAR alkalmazásának előnyei és korlátai

A lézeres adatnyerés gyorsasága (másodpercenként több ezer mérés is lehetséges), mérési pontok sűrűsége (m2-ént több mérés), illetve felmérés pontossága a más módszerekkel nyert adatokkal szemben olyan nagy előnyt jelent, hogy jelenleg a LIDAR-os felméréseket egyre több területen alkalmazzák. A LIDAR-nak a pontosság mellett számos más előnye is van. A technológia lényegesen kevésbé időjárásfüggő, mint a hagyományos mérőkamerás légifényképezés. A LIDAR felvételeket bármelyik napszakban elkészíthetjük, azok minősége nem függ a napállástól (árnyéktól), sőt az éjszaka kimondottan kedvező a munkák számára.

A LIDAR alkalmazásának előnyei és nehézségei a következőkben foglalhatók össze:

Előnyei:

  • Aktív rendszer (rendelkezik saját energiaforrással), így teljesen független a természetes megvilágítástól és napszaktól, a felmérések éjszaka is kivételezhetők.

  • Teljes felhőborítás esetén is elvégezhető a felmérés, amennyiben a repülés magassága nem haladja meg a felhőzet aljzatát. Nagyon erős esőzés és köd azonban akadályozza a lézerfény terjedését.

  • A lézerenergia képes áthatolnii a növényzeten. Sűrű mintavételezés mellett, az adatok feldolgozása során viszonylag könnyű elkülöníteni a fakorona és a felszín visszaverődését. Ennek a különleges jellemzőnek köszönhetően a lézeres technológia alkalmazható pl. erdős területek topográfiai felmérésére (DDM létrehozása).

  • Az adatok nagy pontosságúak mind vertikális, mind horizontális irányban.

  • A rövidebb hullámhosszúságú lézerenergia (kék, zöld tartomány) használható a vízmélység és víztestek medrének felméréséhez.

Nehézségei:

  • Nincs visszaverődés a vízfelszínről, ami megnehezíti a partvonal azonosítását.

  • A légköri inhomogenitások befolyásolják a detektálást.

  • Magas eszköz- és üzemeltetési költség (bár a mérések költséghatékonysága rendkívül nagy).

  • Új technológia: az adatok feldolgozása csak félig automatizálható (manuális munka is szükséges), speciális szakértelmet igényel, nincs szabványosítva.

3.7.1 Digitális felszínmodellek előállítása

A terepi információ gyűjtésének leghatékonyabb módja a távérzékelés. Jelenleg a nagyméretarányú topográfiai térképészetben meghatározó a mérőkamerás légifényképezés alkalmazása. Gyors technikai fejlődésének köszönhetően azonban a térképészetben a műholdas távérzékelésnek egyre nagyobb szerep jut. Ez egyrészt a felvételek egyre nagyobb felbontásának, másrészt pedig a sztereo felvételező rendszerek kifejlesztésének köszönhető. A lézeres adatnyerési eljárás bevezetése, az adatnyerési hatékonyság mellett a térbeli mérések minőségi javulását hozza magával. A lézeres technológia az adatnyerés gyorsasága, sűrűsége és pontossága szempontjából a leghatékonyabb. Már egyetlen felmérésből téradatok nyerhetők.

A lézeres adatgyűjtés célja leggyakrabban a felszínre és felszíni objektumokra vonatkozó térbeli adatok nyerése. Ezek az adatok a nagyfelbontású digitális domborzatmodell (DDM, angolul: Digital Terrain Model – DTM) és digitális felszínmodell (DFM, angolul: Digital Elevation Model) előállítására használhatók. A DDM a topográfiai felszín tereptárgyak nélkül mért magassági adatokat tartalmazza) a DFM pedig magában foglalja a tereptárgyak magasságát is (3-18. ábra).

3-18. ábra LIDAR adatokból generalizált DDM (az utolsó visszaverődés) és DFM (az első visszaverődés).

A topográfiai célú, háromdimenziós adatnyerés legjobb módszerének a légi lézeres szkennelés bizonyult. A lézersugár képes a felszínborításon (pl. erdőborítás esetén a korona szinten) áthaladva eljutni a földfelszínig és innen verődik vissza. Így egy impulzus visszaverődése - magassági törések esetén – több részletben rögzíthető. A felszíni adatokat az utolsó visszaverődés hordozza. A felületi adatok pedig az első visszaverődésből állíthatók elő. A DDM vagy DFM modellek előállításának egyik kritikus lépése a felszíni és nem-felszíni mérési pontok elválasztása. A modellek minősége továbbá erős összefüggésben van a modellek generalizálása során alkalmazott interpolációs módszerekkel. A LIDAR rendszerek felhasználásával előállított domborzatmodellek pontossága eléri a repülési magasság 1/8 000 részét. Így például 1 200 méter repülési magasság esetén 15 cm, 6 000 méter esetén 75 cm pontosság érhető el (Alabér L., év?). A LIDAR-nak a pontosság mellett számos más előnye is van. A mért pontok sűrűségéből adódóan a felszínről szinte folytonos adatokat nyerünk. Az adatgyűjtés és feldolgozás gyorsaságával ez a technikai módszer a többi hagyományos módszernél hatékonyabb.

A LIDAR adatok alkalmasak az erdővel borított, beépített területek, nehezen megközelíthető területek modelljeinek előállítására. A lézeres adatok lehetővé teszik a kis magasságkülönbséggel rendelkező területekről precíz DDM előállítását, ami más technológiával nem érhető el.

A DDM és DFM modellek alkalmazásának példaterületei:

  • az út-, vasút-hálózat tervezése,

  • magas feszültségű vezetékek, távvezeték hálózat tervezése,

  • földalatti vezetékek tervezése,

  • térbeli tervezések,

  • árvízi helyzet modellezése, lefolyás modellek számítása.

3.7.2 Partvonalak felmérése

Az erózió, mint a talaj degradáció egyik típusa nemcsak mezőgazdasági területeken lép fel, de nagyon komoly problémát okozza partvidékeken is. Az erózió során elmozdult talaj a lerakódás helyén (lehet az szárazföld, vagy élő víz) szedimentációt okoz. A víz által szállított talaj az élő vízbe kerülve a meder változását eredményezi, illetve a nitrogén és a foszfor tartalma miatt a víz szennyeződését, a biológiai folyamatok változását is eredményezheti. Az erózió elleni védekezés, a folyamat lassítását célzó beavatkozások az érintett területek aktuális, pontos felmérését igénylik. Ennek végrehajtásában a LIDAR-os pásztázásnak egyre nagyobb szerepe van. Példaként bemutatható a németországi Sylt partjának monitoringja (3-19. ábra), melynek során a part változását folyamatosan LIDAR-os felmérések segítségével követik nyomon. Az adatokból előállított DDM modellek a part vonalának térbeli változását pontosan tükrözik. A téli viharok után a topográfiai felmérésekkel párhuzamosan - víz mélységmérő segítségével - a tenger mélységét és a meder domborzatát is mérik. Ez lehetővé teszi az erózió és a szedimentáció mértékének meghatározását, valamint a szedimentáció hatására feltöltött területek azonosítását (mederváltozás felmérését).

A tengeri partvidékre jellemző felületkoptató eróziós (abrázió) folyamat és dinamikájának rendszeres vizsgálatát Hollandiában is LIDAR-os adatok alapján végzik.

3-19. ábra Sylt sziget LIDAR DFM-je és földi referencia kép. Forrás: http://www.gisdevelopment.net/technology/rs/ma03234a.htm

Ilyen jellegű mérési adatokat felhasználtak továbbá a vízgazdálkodásban, az árvízvédelmi tervezésekben és az árvízvédelmi rendszerek építésében (árvíz által veszélyeztetett területek kijelölése, a hullámok terjedésének szimulálása, a vízelvezetési alternatívák vizsgálata), az infrastruktúra tervezésében, a területrendezésben, a környezeti hatások vizsgálatában, stb.

3.7.3 A vízmélység mérés

A lézer technológia egyik speciális felhasználási területe a vízmélység mérés. A mélységmérő LIDAR-ok a látható spektrumtartomány kék és zöld sávjában működnek. Kedvező körülmények között (alapvetően a víz tisztaságától függően) a lézerenergia 70 m-es mélységbe is eljut, és használható a meder topográfiai mérésekre. A partvidék vizsgálatához gyakran un. hibrid LIDAR rendszereket alkalmaznak, melyek mind a közeli infravörös, mind a látható spektrum zöld szakaszában is működnek. A NIR energia felhasználható a föld- és vízfelszín visszaverődési pontok méréséhez. Az energia zöld tartománya pedig a vízmélység (meder topográfia) mérését teszi lehetővé. A hibrid rendszerek alkalmazásával egyidejűleg mérhető a földfelszín és a víztestek medrének topográfiája (3-20. ábra).

3-20. ábra A mélységmérő LIDAR eredményeinek megjelenítése –a víztest medrének domborzata. Forrás: http://pl.wikipedia.org/wiki/LIDAR

3.7.4 Városi modellezés

A lézeres mérési technológia a leghatékonyabb adatgyűjtési módszernek bizonyult a városi területek felmérésében. Az urbanizáció, iparosodás és vele járó infrastruktúra gyors fejlődésével szükségessé váltak az épületekre, a terepre, terepi tárgyakra vonatkozó naprakész, pontos és megbízható háromdimenziós adatok. A georeferált, nagy sűrűségű (5 pont/m2) mérési pontok alapján modellek készíthetők, melyek részletes információt adnak a terület domborzatáról és felszínborításáról. A lakó- és ipari területek digitális megjelenítése a tervezésben és építészetben egyre fontosabb szerepet játszik, csak úgy, mint az infrastruktúra tervezésében. A modellek segítségével például a mobiltelefon tornyok optimális elhelyezése tervezhető, a zaj terjedése is modellezhető. A periodikusan ismétlődő mérési adatok az érintett területen végbemenő változások nyomon követéséhez, monitoringjához használhatók fel. A más forrásból származó adatok együttes felhasználásával, mint például légifényképek vagy nagyfelbontású űrfelvételek és lidaros mérési pontok, valósághű, megjelenítések – virtuális valóság - állíthatók elő (3-21. ábra).

3-21. ábra Beépített területnek megjelenítése lézeres DFM és ortofoto felhasználásával.

A város modellezés eredményei a következő speciális területeken használhatók fel:

  • az épületek térképezése és magasságuk felmérése,

  • tervezett épületek és környezetükk szimulálása,

  • a meglévő adatok felújítása,

  • zöld területek, rekreációs területek felmérése,

  • infrastruktúra fejlesztése,

  • adatforrás GIS adatbázis részére.

3.7.5 A LIDAR erdészeti alkalmazásai

Az erdőgazdálkodás, leltározás illetve monitoring az erdővel borított területek fafajokra vonatkozó információnak és az erdőállomány mennyiségi és minőségi jellemzőinek ismeretét igényli. Ehhez a távérzékelési adatokat az erőforrás kutató műholdak megjelenése óta eredményesen alkalmazzák. A passzív távérzékelési rendszerek és radarok - széles skálájú spektrális és geometriai felbontás mellett - alapvetően kétdimenziós adatokat biztosítanak. Egyes felmérésekhez azonban, mint pl. a famagasság meghatározásához és a fatömeg becsléshez szükség van magassági adatokra is. A magassági értékek sztereo felvételekből nyerhetők. A lézeres technológia nagy előnye, hogy egy mérés helyzeti (x,y) koordinátái mellett magassági (z) értéket is tartalmaz. A LIDAR-os felmérés során a kibocsátott impulzus egy része a fakoronáról reflektálódik, míg egy része eljut a földfelszínig és innen verődik vissza (3-22. ábra).

3-22. ábra Egy lézernyaláb többszörös visszaverődése erdős területen. Forrás: http://images.google.hu/imgres?imgurl=http://www.toposys.com/toposys-de/lidar-systems/images

A mérési pontok a felhasználás céljától függően szűrhetők, szelektálhatók. A légi lézerszkennelési technológia nemcsak a távérzékeléssel nyerhető adatok mennyiségi és minőségi javítását jelenti, de olyan új alkalmazási lehetőségeket is nyújt, melyek azelőtt nem, vagy csak nehezen voltak megoldhatók. Például a lézeres adatokból erdős területre DDM modellek generálhatók, különböző szintű (koronaszint, bokorszint) felületi modellek állíthatók elő (3-23. ábra).

3-23. ábra Az utolsó visszaverődés adataiból erdős területen generalizált DDM és az első visszaverődés adataiból generalizált DFM. Forrás: http://www.cfr.msstate.edu /forestry/SITL/sitl_ikuko/vis_ikuko.htm

A fák magassága két modell (DFM; DDM) különbségéből számítható. Ehhez azonban mérési adatok között szűréssel el kell különíteni a helyi maximális értékeket, melyek azonosíthatók a fák korona csúcsaival. A fák interpretálása céljából a LIDAR adatokat gyakran multispektrális felvételek felhasználásával egészítik ki.

Az erdőállományra vonatkozó lézeres adatokból a következők paraméterek határozhatók meg:

  • fák magassága

  • korona nagysága, sűrűsége

  • ismétlődő mérések esetén erdő növekedése követhető

  • biomassza becslés

A lézeres adatok az alábbiakra is felhasználhatók:

  • útvonal, távvezeték térképezése, tervezése

  • természetes, ember tevékenysége által kiváltott katasztrófák esetén gyors adatnyerés

  • kárfelmérés

3.7.6 Egyéb alkalmazási területek

LIDAR-os felmérések alkalmazása a légszennyeződés vizsgálatában

A lézeres távérzékelés (LIDAR) során a levegőbe rövid lézerimpulzust bocsátanak ki. A légszennyeződéseken a lézerimpulzus szétszóródik. A visszaszórt fény intenzitását, és annak időbeli lefutását a lézer közelében lévő fénydetektor regisztrálja. A visszajutó fény intenzitása a szennyeződés koncentrációjával arányos. Ismerve a fény terjedési sebességét, a jel időbeli alakjából kiszámítható a szóró centrumok távolsága a detektortól. A visszaszórt fény színéből pedig a légszennyeződés kémiai összetétele azonosítható. Ilyen módon a szennyeződések térbeli eloszlása, koncentrációja és anyagi minősége meghatározható. LIDAR-ral különböző légszennyeződések, a magaslégköri ózon mennyisége, továbbá a szélsebesség, sőt a hőmérséklet is megmérhető.

Vonalas létesítmények térképezése

A lézeres technológiával nyert pontos, rendkívül sűrű térbeli adatok több speciális területen is alkalmazhatók, mint pl. az infrastruktúra karbantartása és fejlesztése. Ezen a területen az alkalmazási lehetőségek a következőkben foglalhatók össze:

  • lineáris létesítmények (csővezetékek, nagyfeszültségű távvezetékek) felmérése és térképezése

  • nagyfeszültségű távvezetékek nyomvonalában és a környezetében bekövetkezett változások monitoringja

  • nagyfeszültségű távvezetékek süllyedésre vonatkozó adatok nyerése

  • tornyok felmérése

  • tervezés, karbantartási munkálatok

  • fejlesztési tervek optimalizálása