UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA GRADBENIŠTVO EKONOMSKO-POSLOVNA FAKULTETA Katja Ježovnik LIDAR TEHNOLOGIJA PRI PLANIRANJU, PROJEKTIRANJU, VZDRŽEVANJU IN UPRAVLJANJU V GRADBENIŠTVU TER EKONOMSKA UPRAVIČENOST Projektna naloga Diplomski izpit univerzitetnega študijskega programa 1. stopnje Maribor, avgust 2013
I Diplomski izpit univerzitetnega programa 1.stopnje LIDAR TEHNOLOGIJA PRI PLANIRANJU, PROJEKTIRANJU, VZDRŽEVANJU IN UPRAVLJANJU V GRADBENIŠTVU TER EKONOMSKA UPRAVIČENOST Študentka: Študijski program: Smer: Katja Ježovnik univerzitetni, Gospodarsko inženirstvo Gradbeništvo Mentor (FG): Mentor (EPF): izr. prof. dr. Boštjan Kovačič red. prof. dr. Duško Uršič Maribor, avgust 2013
II ZAHVALA Zahvaljujem se mentorjema izred. prof. dr. Boštjanu Kovačiču in red. prof. dr. Dušku Uršiču za pomoč in vodenje pri opravljanju diplomskega dela. Posebna zahvala velja staršem, ki so mi omogočili študij in bratu ter vsem, ki so me podpirali tekom študija.
III LIDAR TEHNOLOGIJA PRI PLANIRANJU, PROJEKTIRANJU, VZDRŽEVANJU IN UPRAVLJANJU V GRADBENIŠTVU TER EKONOMSKA UPRAVIČENOST Ključne besede: geodezija, poplave, Mura, geografski informacijski sistem, digitalni model terena, tehnologija LIDAR Povzetek Projektna naloga obravnava kratko predstavitev vodotokov in poplav v Sloveniji, pridobivanje podatkov za hidravlične analize in pridobivanje podatkov s tehnologijo LIDAR. Predstavljene so metode, ki so jih uporabljali včasih in kako le-te povezujejo z novejšo tehnologijo danes. V zaključku sledi konkreten primer simulacij poplav na reki Muri in kakšne posledice bi s seboj prinesle, prav tako je opisana ekonomska upravičenost tehnologije LIDAR.
IV ANGLEŠKI NASLOV Key words: geodesy, floods, Mura, geographic information system, a digital terrain model, LIDAR technology Abstract Project work deals with a brief presentation of rivers and floods in Slovenia, acquisition of data for hydraulic analysis and extraction of data from LIDAR technology. Presented are methods that have been used at times and how they connect with the latest technology today. In conclusion, the following concrete example of simulation of floods on the river Mura and what consequences it would bring with them, it also describes the economic viability of LIDAR technology.
V VSEBINA 1 UVOD... 1 1.1 O PODROČJU PROJEKTNE NALOGE... 1 1.2 NAMEN IN CILJ NALOGE... 2 2 VODOTOKI IN POPLAVE V SLOVENIJI... 3 2.1 VODOTOKI IN HIDROGRAFSKA MREŽA... 3 2.2 SPLOŠNO O POPLAVAH... 4 2.3 POSLEDICE POPLAV... 4 2.4 METODE ZA UKREPANJE PRED POPLAVAMI... 5 2.5 POMURJE... 8 2.6 ZGODOVINA POPLAV NA REKI MURI... 9 3 PRIDOBIVANJE PODATKOV IN TEHNOLOGIJA LIDAR... 10 3.1 FIZIČNI IN MATEMATIČNI MODELI... 10 3.2 GEOGRAFSKI INFORMACIJSKI SISTEM GIS... 11 3.3 DIGITALNI MODEL TERENA IN MREŽA NEENAKIH TRIKOTNIKOV... 11 3.4 PRIDOBIVANJE PODATKOV O PREČNIH PROFILIH... 12 3.5 TEHNOLOGIJA LIDAR... 13 3.5.1 Principi delovanja tehnologije LIDAR... 13 3.5.2 Glavna področja uporabe LIDAR-ja na letalski platformi... 14 3.5.3 Uporaba LIDAR-ja v vodarstvu... 15 4 PRAKTIČNI PRIMER PROJEKT MURA... 18 4.1 TEHNIČNA IN PROGRAMSKA OPREMA... 18 4.2 SPLOŠNI PODATKI O PROJEKTU IN NEPOSREDNI REZULTATI OBDELAV... 20 4.3 SIMULACIJE POPLAV... 21 4.3.1 Primer simulacije brez nasipov... 21 4.3.2 Primer simulacije z nasipi... 22 4.3.3 Ekonomska upravičenost tehnologije LIDAR... 24 5 SKLEP... 26
VI 6 LITERATURA... 27 7 PRILOGE... 29 7.1 SEZNAM SLIK... 29 7.2 NASLOV ŠTUDENTA... 30
Tehnologija LIDAR Stran 1 1 UVOD 1.1 O področju projektne naloge Slovenija spada med bolj vlažna območja v Evropi, kar pomeni, da je odtok vode z njenega območja nadpovprečno velik, k temu pa pripomorejo tudi tranzitne vode, ki pritečejo iz sosednjih držav, npr. Drava in Mura. Že v davnih časih so ljudje vedeli, da je voda nepogrešljiva za obstoj človeka in navsezadnje, za vsa preostala živa bitja, zato so se ob rekah naseljevali in vodo s pridom izkoriščali. Po drugi strani pa vemo, da voda predstavlja tudi veliko nevarnost, predvsem v primeru poplav in hudournikov, ki vodijo tudi do zemeljskih plazov. Vzrokov za poplavljanje vodotokov je veliko. Največkrat se pojavijo ob obilnih dlje trajajočih padavinah, saj lahko takrat reke prestopijo bregove, zrušijo nasipe, voda pa se razlije pa bližnjih površinah. Zaenkrat še človek ni tako napreden in poučen, da bi lahko dolgoročno napovedoval, kdaj bodo poplave nastopile. Lahko pa na podlagi meritev različnih hidrometeoroloških parametrov predvidi, kdaj in kje nastopijo visoke vode, s hidravličnimi izračuni ugotovi izlivanja vode iz rečnega korita, njeno količino ter obseg in potek poplavnih tokov v posameznih točkah. Z vsemi temi podatki pa se lahko natančneje predvidijo vplivi poplav in izvedejo ukrepi za zaščito človeka in njegovega premoženja. To pomeni, da je za potrebe upravljanja in gospodarjenja z vodami natančna rečna mreža izjemno pomembna. Za vse to so potrebni podatki o prostoru v velikem obsegu, katere je moč dobiti na več načinov.
Tehnologija LIDAR Stran 2 1.2 Namen in cilj naloge V diplomskem izpitu bo predstavljeno, kako se ti podatki pridobijo z uporabo LIDAR tehnologije na letalski platformi, možnosti uporabe te tehnologije pri planiranju, projektiranju, vzdrževanju in upravljanju vodotokov in drugih hidrografskih aplikacijah. Vse to in možne rešitve bodo predstavljene na konkretnem primeru na reki Muri, na koncu pa bo še predstavljena ekonomska upravičenost te tehnologije..
Tehnologija LIDAR Stran 3 2 VODOTOKI IN POPLAVE V SLOVENIJI 2.1 Vodotoki in hidrografska mreža Vodotok je vsaka površinska ali tudi podzemna voda, ki ima na zemeljski površini ali v kraškem podzemlju stalno oblikovano strugo in stalen ali občasen pretok. Imenujemo jih tudi tekoče vode in jih glede na njihov nastanek razlikujemo med naravnimi vodotoki (reke, potoki, hudourniki) in umetno urejenimi vodotoki (kanali, jarki). Omenjeno je že bilo, da je Slovenija država z veliko vodotoki, in da s padavinami in dotokom iz sosednjih držav prejema več vode kot je porabi. Višek odteče po površju in tvori hidrografsko mrežo. Ta se začenja s stalnimi ali občasnimi izviri različne izdatnosti, nadaljuje s hudourniki in potoki, ti pa se združujejo v vedno večje reke. Hidrografska mreža Slovenije je najpodrobneje prikazana na kartah Geodetske uprave Republike Slovenije v merilu 1:5.000 do 1:25.000. Dolžina vseh vodotokov je ocenjena na 28.000 km (tukaj so všteti tudi grajeni kanali in večji melioracijski jarki), kar pomeni gostoto približno 1,4 km/km2. Več kot polovica vodotokov je vsaj občasno brez vode. Hidrografska mreža v Sloveniji ni povsod enako gosta, kar pa je posledica hidrogeoloških razmer. Tako so redke rečne mreže v dinarski Sloveniji, v osrednjih delih prodnih polj z globoko podzemno vodo (npr. Kranjsko, Sorško, Dravsko in Ptujsko polje), na področjih visokih kraških planot pa rečnih mrež sploh ni, čeprav je tam voda v presežku. Na ostalih področjih Slovenije je rečna mreža gosta, vendar se rečna korita (struge) in s tem tudi rečna mreža stalno spreminjajo in prilagajajo razmeram v lokalnem kroženju vode, na te spremembe pa imamo tudi ljudje velik vpliv. Kljub temu, da Slovenija leži ob Jadranskem morju, kar 81% ozemlja pripada povodju Donave oziroma Črnomorskemu povodju in le 19% Jadranskemu. Razlog za to je mlada tektonika in paleogeografski razvoj. Osnovni hidrogeografski enoti delimo po osrednjih rekah porečja Mure (Pomurje), Drave (Podravje) in Save (Posavje) s Kolpo (Pokolpje) ter povodje Soče (Posočje) in povodje
Tehnologija LIDAR Stran 4 jadranskih rek. (http://www.arso.gov.si/vode/publikacije%20in%20poro%c4%8dila/vodno_bogastvo_2tekoce_vode.pdf) 2.2 Splošno o poplavah Poplave so naravni pojav, kjer gre za začasno prekritje zemljišča z vodo, vzrok za nastanek pa so izredno močne padavine, naglo taljenje snega ali medsebojno delovanje obojega, zaradi zajezenega odtoka na kraških poljih, plimovanja, prenasičenosti tal (prepojeno z vodo), zajezitev povzročenih s snežnim ali zemeljskim plazom, zaradi delovanje hudournikov in naravnega posedanja tal ali posedanja povzročenega z gospodarsko dejavnostjo. Medsebojni prepleti vseh teh dejavnikov privedejo do tega, da se na nekem področju v kratkem času zbere neobičajno velika količina vode. Naravne struge rek se oblikujejo počasi in zaradi tega je njihova velikost v ravnotežju s količino vode in materiala v njej, prav to pa predstavlja problem, ko pride do visokega pretoka, saj struga ni sposobna prenesti vse te količine vode in zato le-ta prestopi bregove in poplavi okoliščino. Poudariti je treba, da poplave spadajo med večje naravne katastrofe, katerih pogostost in obsežnost vse bolj narašča, s svojim delovanjem pa preoblikujejo pokrajine v nižinskih predelih in vplivajo na namembnost prostora in rabo tal. 2.3 Posledice poplav Posledice, ki nastanejo pri poplavah delimo na primarno, sekundarno in terciarno škodo. Med primarno škodo spadajo poplave, ki neposredno ogrožajo življenja ljudi in materialne dobrine ali posredno, zaradi poškodb objektov in naprav, poškodb električnih, plinskih in drugih napeljav. Če so poplave katastrofalne, lahko pride tudi do erozije celinskih voda, zemeljskih in snežnih plazov in nenadzorovanega uhajanja nevarnih snovi v okolje. Sekundarna škoda je škoda, ki je nastala kot posledica dlje časa trajajočih poplav. Te lahko s seboj prinesejo in povzročijo epidemije, onesnažena voda se lahko razširi na območja zajetja pitne vode, porušijo se drevesa, uničijo se ekosistemi in navsezadnje tudi vse obdelovalne površine, kjer bi naj rasel pridelek. Med terciarno oziroma dolgoročno škodo pa spadajo posledice, kadar poplave povzročijo težke gospodarske razmere zaradi
Tehnologija LIDAR Stran 5 začasnega upada turizma, stroškov obnove, pomanjkanja hrane, višjih stroškov, kot tudi resnih zdravstvenih težav ljudi ali v večini primerov, smrti. 2.4 Metode za ukrepanje pred poplavami Poplav v večini primerov ne moremo napovedati, kljub vsemu pa obstajajo ukrepi in metode za preprečevanje le-teh. Metode, kot so pogozdovanje za zadrževanje dodatnih količin vode, izdelava terasastih pobočij za upočasnjevanje toka vode in oddušenih kanalov za preusmeritev toka vode ter gradnja nasipov, so bile v uporabi že od antičnih časov. Zaščitne ukrepe lahko delimo glede na način delovanja na aktivne, s katerimi vplivamo na obliko in naravo pojava, zmanjšujemo velikost in trajanje poplavnega vala in na pasivne, s katerimi se ščitimo pred posledicami (nasipi, evakuacija ), vplivajo pa na zmanjšanje škode, ki nastanejo ob naravnih nesrečah. Kot drugo pa jih delimo glede na vrsto posega, na vodogradbene, ki zajemajo gradnjo hidrotehničnih objektov in alternativne, ki zajemajo upravno zakonske ukrepe, prilagojeno prostorsko načrtovanje in prepoved ali omejevanje posameznih dejavnosti. Najbolj pogosto do zdaj uporabljena metoda v Sloveniji je bila povečanje pretočne sposobnosti ali regulacija, kar pomeni, da se vodotok tako uravna, da nima več ostrih zavojev, struga se razširi in poglobi, brežine in dno korita se pa utrdi z ustreznimi zavarovanji. Ta ukrep se pri nas počasi opušča, dovoljen je le za krajše ureditve na kritičnih območjih in v zvezi z izgradnjo infrastrukture. Namesto regulacije se pa lahko zgradijo razbremenilniki, s katerimi dosežemo učinek obrambe pred poplavami in jih je v Sloveniji vedno več. Kot drugi, bolj znani ukrepi so visokovodni nasipi ali drugače, objekti za preprečevanje površinskega pretakanja visokih voda, ki lahko potekajo ob vodotoku ali so od njega odmaknjeni, večkrat pa nastopajo kar v kombinaciji z regulacijo. Za vodotoke in atmosfersko vodo je potrebno zgraditi kanal in zbrane vode voditi v strugo izven območja nasipa. Nasipi so izredno občutljivi objekti, zato je pri visokih vodah stalna nevarnost, da se podrejo, splavijo ali posedejo, kar bi lahko privedlo do poplavne katastrofe.
Tehnologija LIDAR Stran 6 Slika 1: Primer nasipov (Wikipedia) (http://sl.wikipedia.org/wiki/poplava ) Pod tretji ukrep uvrščamo objekte za zadrževanje visoke vode, ki so ekološko najbolj sprejemljiv ukrep, hkrati pa prinašajo tudi vzporedne gospodarske lastnosti in jih imenujemo zadrževalniki. Pri teh je bistvo, da se nad ogroženim odsekom z nasipom omeji prostor za katerim se zadrži visokovodni val, zadržana voda se pa skozi talne zaporne izpuste v nasipu počasi izpušča. Ločimo dva osnovna tipa zadrževalnikov in sicer suhi zadrževalnik, ki je namenjen samo za zadrževanje visokovodnih valov in večnamenski zadrževalnik (mokri zadrževalnik ali večnamenska akumulacija), ki zadrži vso visoko vodo, ki se uporablja za energetsko izrabo, namakanje, ribištvo Z zadrževalniki se ohranja ekološko funkcionalnost voda in omogoča gospodarsko rabo vode, ki bi sicer nekoristno odtekla. (http://sl.wikipedia.org/wiki/poplava ; http://mvd20.com/leto2005/r9.pdf )
Tehnologija LIDAR Stran 7 Slika 2: Primer zadrževalnika (Wikipedia) (http://sl.wikipedia.org/wiki/poplava ) V Sloveniji zaenkrat še ni katastrofalnih poplav, katerih ne bi mogli s tehničnimi ukrepi preprečiti, vendar je vse to velik finančni zalogaj, zato je marsikaj ostalo zgolj pri idejnih konceptih. Kljub vsemu je v opozorilni karti poplav ARSO trenutno prikazanih 880 km 2 poplavnih območij, pri tem je ogroženih 40 km 2 urbanih površin in približno 80.000 prebivalcev. (http://www.porecje-savinje.si/splosno_o_poplavah/poplavna_ogrozenost_v_sloveniji/ )
Tehnologija LIDAR Stran 8 Slika 3: Poplavna območja (Poplavna ogroženost v Sloveniji) (http://www.porecje-savinje.si/splosno_o_poplavah/poplavna_ogrozenost_v_sloveniji/) 2.5 Pomurje Pomurje je območje, ki je vezano na slovenski del porečja Mure, sega pa v primerjavi z njenim zgornjim hribovitim delom že v gričevnat svet Goričkega, Slovenskih in Lendavskih goric, ter v ravninski svet Apaškega, Murskega in Ljutomerskega polja. Glavni odvodnik Pomurja je reka Mura, ki se vije skozi štiri države: Avstrijo, Slovenijo, Hrvaško in Madžarsko, njena skupna dolžina pa znaša 465,7 km. Celotna površina porečja Mure znaša 14.304 km², od tega 70% povodja spada k Avstriji, 15% k Sloveniji in Hrvaški, 15% pa k Madžarski. Mura izvira v Avstriji, v samem osrčju nacionalnega parka Hohe Tauern na višini 1898 metrov in se do Prekmurja spusti za pribli no 1700 metrov. Od izvira do sotočja z reko Dravo pri kraju Legradu v Podravini je dolga 438 km, od česar je 295 km po avstrijskem delu in 95 km po Sloveniji. Do Petanjcev je reka Mura v dol ini 33
Tehnologija LIDAR Stran 9 km mejna reka med Avstrijo in Slovenijo, ter od Gibine navzdol, kjer je prav tako mejna reka med Slovenijo in Hrvako v obsegu 34 km. Država (A) A-SLO SLO SLO-HR H-HR Vsota Dolžina Km 323,1 33,45 27,9 32,83 48,42 465,7 Odstotek % 69,38 7,18 6,00 7,05 10,40 100 Glavna pritoka reke Mure sta iz leve strani reka Ledava (iz Goričkega) in iz desne strani reka Ščavnica (iz Slovenskih in Ljutomerskih goric). Poleg njiju se v Muro izlivajo še potoki Murica, Kučnica in Krka ter številni manjši potoki. 2.6 Zgodovina poplav na reki Muri Poplave na Muri so že nekdaj stalen pojav, tako je ob mokrem letu vedno kar dvakrat prestopila bregove (običajno maja in julija). Staljeni sneg iz Štajerskih Alp močno poveča njeno gladino spomladi, v jeseni pa se količina vode v strugi poveča zaradi dežja in takrat reka občasno prestopi bregove, le redko tudi nasipe. Raven vode vidno upade poleti, ko so visoke temperature in močno izhlapevanje ter pozimi, če so majhne količine padavin. V časovni periodi od 10 20 let je vedno prinašala velike količine vode iz Avstrije, kar je pri nas povzročilo hude poplave. V prejšnjem stoletju so bile take velike poplave v letih: 1916, 1926, 1938, 1944, 1954, 1966, 1972, 1993, zadnje velike poplave na Muri pa so bile leta 2009 in 2005. Kasneje je Mura sicer še poplavljala, vendar večjih posledic ni bilo. Do poplav leta 2009 in 2005 je prišlo zaradi izdatnih padavin, ki so povzročile hitro naraščanje rek v vzhodni Sloveniji in na avstrijskem Štajerskem, predvsem se je povečal pretok reke Mure. Leta 2009 je ob opisanih visokovodnih razmerah v Gornji Radgoni dosegla šesti največji pretok od pričetka izvajanja meritev leta 1946 in štirinajsti po vrsti, ki je presegel 1000 m 3 /s. Najvišji pretok v opazovanem obdobju je bil dosežen 22.avgusta 2005, ko je bilo v Gornji Radgoni izmerjenih 1350 m 3 /s. (http://mvd20.com/leto2009/r2.pdf) (http://www.arso.gov.si/vode/publikacije%20in%20poro%c4%8dila/bilanca6190_2_bes EDILO.pdf )
Tehnologija LIDAR Stran 10 3 PRIDOBIVANJE PODATKOV IN TEHNOLOGIJA LIDAR 3.1 Fizični in matematični modeli Pri reševanju hidrotehničnih problemov si pomagamo s fizičnimi in matematičnimi modeli. Ko smo še v fazi priprave projekta, si lahko delo olajšamo s simulacijami različnih modelov in na njih opravimo študije. Gre torej za fizični model, s katerim za konkreten primer prikažemo primer iz narave v pomanjšanem merilu, ki omogoča vizualizacijo in dobro predstavo, vendar kasnejše spremembe niso mogoče. Po večini se uporabljajo pri načrtovanju objektov na vodotoku, saj lahko z njimi ugotavljamo vplive teh objektov na vodni tok, s pridobljenimi ugotovitvami pa optimiziramo realizacijo objekta. Slabost fizičnih modelov je predvsem zahtevna in dolgotrajna izdelava. Primernejši so matematični modeli, pri katerih lahko v fazi modeliranja preizkušamo in simuliramo različne variante vodovarstvenih objektov, temeljijo pa na zakonih fizike. Ti modeli so bistveno hitrejši, enostavnejši in občutno cenejši. V splošnem jih delimo na enodimenzionalne (1D), dvodimenzionalne (2D) in tridimenzionalne (3D) modele, katerega pa bomo izbrali, se odločimo glede na zahtevnost problema in zahtevane natančnosti rezultatov. Matematični modeli so dejansko računalniški programi, ki so sestavljeni iz dveh delov. Prvi del so matematične enačbe, ki opisujejo hidravlične pojave, drugi del pa je namenjen vnosu hidravličnih in geometrijskih podatkov ter prikazu rezultatov obravnavanega odseka. V današnjem času so že izjemno razviti in med drugim omogočajo tudi račun gladin in hitrosti vode v rečnih koritih in poplavnih območjih, račun poplavnih tokov itd.
Tehnologija LIDAR Stran 11 3.2 Geografski informacijski sistem GIS V vsakem primeru si je na osnovi problema potrebno zadati, s katero metodo bomo prišli do želenih podatkov in se zavedati, da je zaradi obširnosti le-teh potrebno posegati v različna področja. Za natančne hidravlične simulacije poplavljanja so potrebni visoko resolucijski modeli, zato za upodobitev topografije terena uporabljamo geografske informacijske sisteme (GIS), katerim osnova pa so osnovni prostorski podatki. GIS je pravzaprav računalniško podprt sistem za učinkovito zajemanje, shranjevanje, vzdrževanje, obdelavo, analize, porazdeljevanje in prikazovanje geografskih podatkov. Preden se je razvila računalniška oprema in sodobna GIS orodja, so kartografi za upodobitev terena v naravi uporabljali tiskane karte. Najbolj se je uveljavil način prikaza razgibanosti in naklona terena z izohipsami in z metodo senčenja. Te karte so še danes eden glavnih virov za pridobitev digitalnih podatkov, ki se uporabljajo v GIS orodjih, kartografi pa imajo delo le še s pripravo dostopnih in razpoložljivih prostorskih podatkov, ki omogočajo lažjo izbiro najprimernejšega orodja ali tehnike. Po digitalizaciji podatkov so ti zapisani v vektorski ali rastrski obliki. Osnovni gradnik rastrskega objekta je celica, ki nosi informacije ali vrednosti enotnega podatkovnega tipa. Ti se navadno uporabljajo za zvezne ploskovne podatke, simulacije in kvantitativne analize, vendar v primeru, ko je pri analiziranju linijskih pojavov pomembna velika prostorska natančnost, se raster ne pokaže za najbolj primernega. Pri vektorskih objektih je osnovni gradnik točka, ki je lahko samostojna ali pa je več točk povezanih v linije oziroma poligone. Vektorski GIS je primeren za linijske oziroma omrežne analize, saj je izredno prostorsko natančen. 3.3 Digitalni model terena in mreža neenakih trikotnikov TIN (mreža neenakih trikotnikov) je na vektorski osnovi razvita metoda, s katero prikažemo topografijo terena z mrežo trikotnikov, njihovih stranic in oglišč, podatke zanj pa lahko pridobimo iz niza podatkov koordinat točk (X, Y in Z), izohips ali iz digitalnega
Tehnologija LIDAR Stran 12 modela terena. Vozlišča predstavljajo natančno izmerjene točke iz narave, stranice pa povezujejo med seboj najbližje višinske točke. TIN mreža ima nekaj prednosti v primerjavi z rastrskim digitalnim modelom terena: - manjša potrebna količina podatkov in posledično manjša potrebna kapaciteta pomnilnika računalnika, - prilagodljiva resolucija omogoča uporabo večjega števila točk za območja, kjer je potrebna večja natančnost, - linijski objekti, kot so ceste ali reke, so prikazani bolj natančno; možna je uporaba različnih vhodnih podatkov, - določanje poplavnih območij je pri uporabi HEC-GeoRAS-a mogoče le z uporabo TIN-a. DMT (digitalni model terena) je metoda, ki temelji na rastrski strukturi podatkov, raster pa je element podoben matriki in je navadno sestavljen iz celic kvadratne oblike. Izdelamo ga lahko na podlagi topografskih podatkov, pridobljenih s klasičnimi geodetskimi meritvami, radarskim snemanjem, aerofoto in satelitskimi posnetki, fotogrametrijo itd., vendar so to že tradicionalne metode, ki prinašajo zadovoljive rezultate za prikazovanje terena, ne opisujejo pa struge. Podatke lahko pridobimo še s pomočjo različnih tehnik daljinskega zaznavanja, digitalizacijo kart, izohips in podobno, vendar je tudi tukaj točnost različna. 3.4 Pridobivanje podatkov o prečnih profilih Za pripravo podatkov o prečnih profilih, v katerih se modelirajo hidravlične veličine, uporabimo digitalni model terena (DMT). DMT je model terena, kateremu so dodane glavne topografske značilnosti terena, kot so to denimo padnice, kote, grape, grebeni itd. Izdelan je na podlagi obsežnih meritev na terenu s pomočjo različnih metod daljinskega zaznavanja in klasičnih geodetskih meritev. Najnatančnejše modeliranje lahko izvedemo iz točk izmerjenih s pomočjo tehnologije LIDAR (Light Detection and Ranging). S pomočjo teh podatkov lahko dovolj natančno ponazorimo teren tudi za hidravlično analizo.
Tehnologija LIDAR Stran 13 Večina digitalnih modelov terena, izdelanih na podlagi podatkov zajetih z različnimi tehnologijami je zadovoljivo natančnih za prikaz terena. Pomanjkljivosti so se kazale pri uporabi digitaliziranih izohips in klasičnih geodetskih kart, saj niso prikazovale dovolj točk terena in struge reke. Z uporabo novejših tehnik zajema višinskih točk, pa lahko rešimo omenjene probleme natančnosti in težave, ki se pojavijo. 3.5 Tehnologija LIDAR Sistem LIDAR v osnovni verziji povezuje tri tehnologije: sistem za globalno pozicioniranje oz. GPS, inercijski navigacijski sistem za orientiranje v prostoru in laserski prebirnik. Te tri tehnologije tvorijo sistem za lasersko prebiranje velikega površja iz zraka. V prvi vrsti je bil razvit za vojaške potrebe, kasneje pa se je njegova uporaba razširila tudi na civilno področje. LIDAR je kratica za Light Detection And Ranging oziroma zaznavanje svetlobe in merjenje razdalj, razvita pa je bila v šestdesetih letih dvajsetega stoletja. Temelji na daljinskem zaznavanju s pomočjo laserskega tipala, ki je v našem primeru, pritrjeno na letala, omogoča pa neverjetno natančnost zajema podatkov in sicer tudi do 2 cm. Njegova tehnologija deluje po naslednjih točkah: - laser odda svetlobni pulz - svetlobni pulz se odbije od objekta nazaj proti senzorju - čas potovanja svetlobnega pulza od laserja do objekta in nazaj, ter znana hitrost potovanja svetlobnega pulza omogočata izračun razdalje do objekta. 3.5.1 Principi delovanja tehnologije LIDAR Iz znane lokacije oddajnika, smeri in razdalje do objekta se izračuna XYZ lokacija objekta. Trenutno sodobni letalski LIDAR sistemi delujejo z veliko frekvenco pulzov (do 150 Hz), ter zaznavajo večje število odbojev. Za izračun pozicije letala se koristijo podatki vgrajene GPS in IMU naprave. Rezultat takšnega snemanja je takojšnji zajem 3D podatkov s pozicijsko natančnostjo do 10cm, ter višinski natančnostjo do 2cm. Velika prednost laserskega skeniranja pred standardnimi metodami je v tem, da lahko z laserjem kot
Tehnologija LIDAR Stran 14 aktivnim senzorjem skeniramo ob bilokakšnih vremenskih razmerah, ne glede na to ali je dan ali noč. Dodatno vrednost pa dosežemo z uporabo drugih senzorjev na isti platformi. Prvi odboj Drugi odboj Tretji odboj Zadnji odboj Vsi odboji Slika 4: Odboji (GEOIN) 3.5.2 Glavna področja uporabe LIDAR-ja na letalski platformi LIDAR se je v začetku uporabljal zgolj za vojaške namene, sčasoma pa je prešel tudi v civilno uporabo. Tako ga danes uporabljamo na naslednjih področjih: - topografija - hidrografija - geomorfologija - urbanizem - gozdarstvo - arheologija - vojaška uporaba.
Tehnologija LIDAR Stran 15 3.5.3 Uporaba LIDAR-ja v vodarstvu 3.5.3.1 LIDAR standardne aplikacije za vodarstvo S klasičnimi metodami, ki smo jih že opisovali, lahko dobimo le prečne profile, z LIDARjem pa zelo natančen DMR. Prednosti niso le v tem, ampak tudi v kratkem času izvedbe, veliko večjim številom točk in v ceni. Prav tako pa so meritve lažje ponovljive in zato je možen natančen monitoring. Hkrati z laserskim snemanjem se izvede še fotografiranje v vidnem in IR spektru ter v nadaljevanju generiranje barvnega in IR ortofota v resoluciji 10cm. Prednost pred satelitskimi sistemi je boljša odzivnost, neprimerno boljša natančnost, več vzporednih produktov, penetracija skozi vegetacijo, možnost nočnega snemanja ipd. poleg informacije o raščenem terenu, dobimo še informacije o pokrovnosti, gladini vode, slikovni material itd. Zaradi večjega števila zaznanih odbojev je možno določevanje pokrovnosti, iz podatka o intenzivnosti odboja pa tudi razločevanje habitatnih tipov, monitoring stanja in izdelava katastrov nekaterih vodnogospodarskih objektov in naprav kot so na primer visokovodni nasipi, natančno evidentiranje morfoloških procesov (prodišča, premiki struge), evidentiranje in spremljanje stanja in razvoja poljščin in evidentiranje gramoznic (izračuni črpanega agregata). Neposredni rezultati letalskega LIDAR skeniranja v območju rečnega koridorja: - DMR digitalni model raščenega terena (zadnji odboj) - Georeferencirana reliefna slika DMR - DMP digitalni model pokrovnosti; vrhovi dreves, poljščin, strehe (prvi odboj) - Georeferencirana reliefna slika DMP - Georeferencirana slika intenzivnosti odboja - Georeferencirana reliefna slika - Gladina vode - DOF barvni ortofoto 1:1000 (resolucija 10cm) - DOF IR ortofoto 1:1000 (resolucija 10cm) opcija - Profili terena (z ali brez vegetacije) v poljubni točki oziroma glede na os vodotoka
Tehnologija LIDAR Stran 16 Slika 5: Model terena z vegetacijo (Optech) Slika 6: Model terena brez vegetacije (Optech) Posredni rezultati letalskega LIDAR skeniranja v območju rečnega koridorja (dodatna obdelava): - Višina podrasti, gozda in poljščin - Profili raščenega terena in dna rečnega korita - DMP digitalni model pokrovnosti vrh dreves, poljščin, strehe - Vektorska 3D karta - Druge analize. Slika 7: Prečni profil raščenega terena (Applied Imagery)
Tehnologija LIDAR Stran 17 Slika 8: Prečni profil raščenega terena (Applied Imagery) 3.5.3.2 LIDAR standardne aplikacije za vodarstvo LIDAR modeli terena visoke natančnosti ter ostali produkti istega snemanja širšega območja vodotokov so v vodarstvu namenjeni predvsem za: - Izračun hidravličnih simulacij (1D, predvsem pa za 2D in 3D) - Določanje poplavnega območja - Izdelavo kart rizičnega poplavnega območja ter izdelavo analiz tveganj - Izdelavo načrtov v primeru naravnih katastrof - Posnetke namakalnih sistemov in načrtovanja le-teh - Meritve gladine vode - Monitoring erozij - Druge sorodne aplikacije.
Tehnologija LIDAR Stran 18 4 PRAKTIČNI PRIMER PROJEKT MURA V diplomski nalogi bomo predstavili konkretni primer uporabe tehnologije LIDAR za projekt Mura in možne rešitve pred poplavami, za katere so se naredile simulacije. Izvedel se je testni projekt na območju reke Mure pri Vučji vasi, katerega namen in izvedba je preveriti tehnologijo LIDAR v smislu zajema 3D topografskih podatkov za uporabo pri planiranju, projektiranju, vzdrževanju in upravljanju vodotokov. Projekt je bil dobro premišljeno načrtovan in potreben, da bi se v prihodnosti morda lahko zaščitili pred nepredvidljivo naravo. Za izvedbo projekta je bila uporabljena različna tehnična oprema in programska oprema. 4.1 Tehnična in programska oprema Uporabljena oprema: - LIDAR ALTM 3100EA - Kamera Applanix 322DSS - GPS Leica 530 - Sonar Ohmex Programska oprema: - Applanix POSPac - ALTM-NAV - DASHMap - MicroStation - Terrasolid (Scan,Modeler,Match,Photo) - Geomedia OrthoPro
Tehnologija LIDAR Stran 19 Slika 9: Instalacija v letalu (GEOIN) Slika 10: Applanix kamera (USGS) Slika 11: Optech ALTM 3100EA (Laser mapping specialists)
Tehnologija LIDAR Stran 20 4.2 Splošni podatki o projektu in neposredni rezultati obdelav Testni projekt je potekal na območju reke Mure v Vučji vasi, površina na kateri pa so se izvajali testi je v celoti znašala 7,2 km 2. Skeniranje je trajalo 30 minut, posnelo se je 26,1 milijon točk, od tega 2000 točk struge v območju projekta. Za obdelavo LIDAR podatkov se je porabilo 15 ur, za obdelavo ortofoto 8 ur, klasifikacijo 4 ure in izdelavo DTM ter DMS 4 ure. Faze, ki so bile izvedene v projektu: - planiranje, izvedba aerosnemanja - aerosnemanje / skeniranje - GPS posnetki kontrolnih točk - obdelava LiDAR podatkov - snemanje korita GPS/sonar - generiranje DTM in DSM - generiranje ORTOFOTO - aplikativna uporaba Neposredni rezultati obdelav: - 3D točkovni oblak v GK koordinatnem sistemu - podatek jakosti odboja - klasifikacija točk (teren, objekti, drevesa, podrastje ) - digitalni modeli višin: - DTM (model terena) - DSM (model pokrovnosti) - 3D plastnice - digitalni ortofoto (velikost piksla 7cm) - profili
Tehnologija LIDAR Stran 21 4.3 Simulacije poplav Ko smo pridobili vse potrebne podatke, so se pričele izdelovati simulacije možnih poplav, ki bi nastale. Na podlagi ortofoto in 3D posnetkov, smo izdelali simulacije, kaj bi se zgodilo, če na obrečnem področju ne bi bilo nasipov in v primeru, da nasipi so. 4.3.1 Primer simulacije brez nasipov Na slikah je najprej prikazan model terena, ko ima Mura normalen pretok. V naslednjem koraku smo pretok povečali, tako da je gladina narasla za 1 meter. Opazimo, da je reka malce narasla, vendar še ni poplavila, narasli so prav tako potoki, ki jih prej skorajda ni bilo za videti. Ko smo gladino dvignili za 2 metra, so posledice poplave že občutne. Reka še sicer ni prestopila običajnih bregov, vendar so poplavljali vsi njeni rokavi. V primeru, da gladina naraste za 3 metre, je poplavljeno skoraj vso območje, če pa naraste še zgolj za 1 meter, tako da potem doseže 4 metre, je pod vodo vse, razen dela ceste. Slika 12: Model terena Slika 13: Gladina vode se dvigne za 1m (GEOIN, 2006) (GEOIN, 2006)
Tehnologija LIDAR Stran 22 Slika 14: Gladina vode se dvigne za 2m Slika 15: Gladina vode se dvigne za 3m (GEOIN, 2006) (GEOIN, 2006) Slika 16: Gladina vode se dvigne za 4m (GEOIN, 2006) 4.3.2 Primer simulacije z nasipi Na vsako stran območja porečja Mure smo naredili nasipe in izvedli isti poizkus kot prej. Ko smo reki dvignili gladino za 1 meter, so spet poplavili njeni rokavi in potoki, vendar le do nasipa. V primeru, da gladina naraste za 2 metra, je pod vodo kar velik del območja, ampak spet le do nasipov. Ti so prenesli še višino gladine 3 metrov, ko je pod vodo že vso
Tehnologija LIDAR Stran 23 območje, pri višini 3,8 metra pa se je Mura na določenih mestih že razlila čez nasipe. V njeni bližnji okolici so tukaj na srečo le gozdovi, vendar ne daleč vstran je poseljena vasica, katera bi bila v primeru da nasipov ni, struga pa bi reki narasla za več kot 1 meter, pod vodo. Slika 17: Gladina vode se dvigne za 1m Slika 18: Gladina vode se dvigne za 2m (GEOIN, 2006) (GEOIN, 2006) Slika 19: Gladina vode se dvigne za 3m Slika 20: Gladina vode pri 3,8m (GEOIN, 2006) (GEOIN, 2006) Natančnost podatkov je odvisna od višine snemanja, natančnosti kontrolnih točk, ter stopnje obdelave, in v tem se je tehnologija LIDAR izkazala kot izredno natančna. Na
Tehnologija LIDAR Stran 24 testnem območju smo po skeniranju izvedli kontrolne meritve na 32 točkah in rezultat je pokazal, da je srednji pogrešek višin zgolj 3cm! 4.3.3 Ekonomska upravičenost tehnologije LIDAR V tem delu projektne naloge se bomo osredotočili na ekonomsko upravičenost LIDAR tehnologije. Primerjavo bomo naredili na prej opisanem primeru simulacije poplave Mure, temeljila pa bo na ocenitvi stroškov zajemanja podatkov in prezentacije teh z uporabo LIDAR-ja ter s klasično metodo. Za testno območje je bil uporabljen pas reke Mure v dolžini 3 km. Pri ekonomski upravičenosti ne gre govoriti le o financah, vendar tudi o času, v katerem se pridobijo podatki, saj sta termina eden z drugim tesno povezana. V tabeli je prikazan predviden čas zajemanja podatkov za omenjen del trase, za katero je potrebno vedeti, da je zaraščena, neprehodna in zamuljena. Priprava na Zajemanje Obdelava Skupaj delo podatkov podatkov LIDAR 1 dan 1 dan 1 dan 3 dni Klasična metoda 3 dni 3 mesece 1 mesec cca 4 mesece Seveda nas ta tabela s podatki ne sme zavesti saj stremimo k najcenejši varianti, to pa vedno ocenimo na podlagi več faktorjev, saj ni nujno, da če je stvar cenejša, se tudi časovno izplača in obratno. V naslednji tabeli je predstavljen cenovni razred nabave opreme in dodatkov. Nabavna cena Dodatna oprema Dodatni stroški Osebje LIDAR 200.000 18.000 Najem letala in pilota cca 7.000 3 Klasična metoda 25.000 2.500 Jih ni oz so minimalni 5
Tehnologija LIDAR Stran 25 Če se opredelimo in ovrednotimo samo stroške za opisano traso, pridemo do velikih finančnih razhajanj. Cena na km Cena za 3 km Kompletna cena z vsemi stroški LIDAR 4.500 13.500 24.000 Klasična metoda 2.500 7.500 8.500 Iz tabele je razvidno, da je razlika v ceni skoraj 3-krat večja, kar je v današnji finančni in gospodarski krizi skoraj nedostopno za večino. Ker pa cena ne odtehta porabljenega časa, moramo poudariti, da bi s klasično metodo porabili skoraj 30x več časa. Torej, če vzamemo iz povprečne cene geodetskih storitev, stane geodetska storitev približno na uro 30 in če to ceno prištejemo k porabljenemu času in delovnim dnem ter potnim stroškom, dobimo naslednjo vrednost. Cena iz prejšnje tabele Cena s porabljenimi povprečnimi urami LIDAR 24.000 24.000 Klasična metoda 8.500 80 delovnih dni x 8 ur/dan x (30 /uro+potni str-20 ) = 32.000 Iz te tabele se jasno vidi, da če bi upoštevali dejanski čas, dejanske stroške ter dejanske tržne cene, je klasična metoda bistveno dražja. V porabljenem času s klasično metodo bi lahko z Lidar metodo posneli kompletno strugo in traso reke Donave..
Tehnologija LIDAR Stran 26 5 SKLEP Narava se s pridom obrača proti nam, tako da je naravnih katastrof z vsakim dnem več, prav tako pa so posledice, ki jim sledijo vsakič hujše. Na srečo se tudi tehnologija razvija vedno hitreje, s pomočjo te pa se lahko pridobijo podatki, s katerimi se da nekatere katastrofe predvideti oziroma se pred njimi ubraniti. V projektni nalogi smo opisali najnovejšo metodo zajemanja terestičnih podatkov s tehnologijo LIDAR. Ta metoda je v drugih državah že zelo uporabljena, v Sloveniji pa zaradi ne tako obsežnih del manj uporabljena. Vedeti je potrebno, da za uporabo LIDAR tehnologije potrebujemo letalo s posebej prirejeno platformo, vendar se sam nakup letala podjetjem ne izplača, zato se uporabljajo letala, ki so prirejena za fotogrametrična snemanja. Nadalje je potrebno poudariti, da z metodo LIDAR zajemamo podatke na širšem in daljšem področju, kot na primer Dravska dolina, avtocestno omrežje Slovenije, plinska linija preko Slovenije, večja mesta itd. v nalogi smo se osredotočili na poplavno območje reke Mure. S simulacijo smo pokazali kritični nivo reke pred izlitjem, mesta, kje bi bilo potrebno narediti dodatne nasipe in kakšne bi bile posledice, ob morebitnih poplavah. S klasično metodo geodetskih snemanj bi to trajalo bistveno dlje ter prezentacija bi bila občutno slabša. Z ekonomskim vrednotenjem, za katerega podatke smo dobili od podjetja Meansuras iz Maribora, ki se z obravnavano metodo zajemanja podatkov ukvarja, smo dokazali, da je metoda LIDAR ekonomsko upravičena, čeprav se v ponudbeni ceni zdi zastrašujoča, v časovnem in kvalitetnem razredu pa navdihujoča.
Tehnologija LIDAR Stran 27 6 LITERATURA [1] Bat, M, Dobnikar Tehovnik, M, Mihorko, P, Grbović, J 2003, 'Tekoče vode', Vodno bogastvo Slovenije. Dostopno na: <http://www.arso.gov.si/vode/publikacije%20in%20poro%c4%8dila/vodno_bogastvo_2t ekoce_vode.pdf> [20.8.2013] [2] Poplava, Wikipedia. Dostopno na: <http://sl.wikipedia.org/wiki/poplava> [20.8.2013] [3] Kuzmič, R, Suhadolnik, A 2005, 'Urejanje voda kot varstvo pred poplavami', Poplavna ogroženost in ukrepi za zmanjšanje posledic poplav, str.65-68. Dostopno na: <http://mvd20.com/leto2005/r9.pdf> [20.8.2013] [4] Poplavna ogroženost v Sloveniji. Dostopno na: <http://www.porecjesavinje.si/splosno_o_poplavah/poplavna_ogrozenost_v_sloveniji/> [20.8.2013] [5] Balažic, S. 2005, Poplava na reki Muri avgust 2005, Občina Beltinci, Beltinci. [6] Kolbl, S, 'Reka Mura življenje Pomurja'. Dostopno na: < http://www.turizemnakmetiji.si/starastran/informacije.asp?art=39&pagenum=&j=si > [20.8.2013] [7] Mura, Wikipedia. Dostopno na: <http://sl.wikipedia.org/wiki/mura> [20.8.2013] [8] Kustec, A 2009, 'Poplave na reki Muri avgusta 2005 in izvedena investicijsko vzdrževalna dela na vodni infrastrukturi in poplave junija 2009', Stanje, vzdrževanje in obratovanje grajenih hidrosistemov, str.11-13. Dostopno na: <http://mvd20.com/leto2009/r2.pdf> [20.8.2013] [9] Kolbezen, M, Pristov, J 1998, 'Površinski vodotoki in vodna bilanca Slovenije' str.5-6. Dostopno na: <http://www.arso.gov.si/vode/publikacije%20in%20poro%c4%8dila/bilanca6190_2_bes EDILO.pdf> [10] Rak, G, Gosar, L, Steinman, F 2006, 'Uporaba LIDAR podatkov v povezavi GIS in hidravličnega modela', Aktualni projekti s področja upravljanja z vodami in urejenje voda, str. 108-111. Dostopno na: <http://mvd20.com/leto2006/r15.pdf>
Tehnologija LIDAR Stran 28 [11] Šumrada, R 2005, Strukture podatkov in prostorske analize, Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo, Ljubljana. [12] Šumrada, R 2005, Tehnologija GIS, Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo, Ljubljana. [13] Geografski informacijski sistem, Wikipedia. Dostopno na: <http://sl.wikipedia.org/wiki/geografski_informacijski_sistem> [14] http://iaps-s.zrc-sazu.si/files/file/publikacije/delavnica%20lidar%202007/03_supej.pdf
Tehnologija LIDAR Stran 29 7 PRILOGE 7.1 Seznam slik Slika 1: Primer nasipov (Wikipedia)... 6 Slika 2: Primer zadrževalnika... 7 Slika 3: Poplavna območja... 8 Slika 4: Odboji... 14 Slika 5: Model terena z vegetacijo... 16 Slika 6: Model terena brez vegetacije... 16 Slika 7: Prečni profil raščenega terena... 16 Slika 8: Prečni profil raščenega terena... 17 Slika 9: Instalacija v letalu... 19 Slika 10: Applanix kamera... 19 Slika 11: Optech ALTM 3100EA... 19 Slika 12: Model terena Slika 13: Gladina vode se dvigne za 1m... 21 Slika 14: Gladina vode se dvigne za 2m Slika 15: Gladina vode se dvigne za 3m. 22 Slika 16: Gladina vode se dvigne za 4m... 22 Slika 17: Gladina vode se dvigne za 1m... 23 Slika 19: Gladina vode se dvigne za 3m... 23
Tehnologija LIDAR Stran 30 7.2 Naslov študenta Katja Ježovnik Zlatiborska 13 2000 Maribor e-mail: katjajezovnik@gmail.com