POPLAVE SEPTEMBRA 2010 - OBDELAVA NEMERSKIH FOTOGRAFI) S FOTOGRAMETRIČNIM DMR IN LIDARSKIMI PODATKI THE FLOODS OF SEPTEMBER 2010 - ACQUISITION OF DATA FROM NON-METRIC IMAGES WITH PHOTOGRAMMETRIC DTM AND LIDAR Mihaela Triglav Čekada, Matija Zorn 55 ■SU o to UDK: 528.94:551.4.03:627:51 IZVLEČEK Leta 2010 so zaradi obilnih padavin med 16. in 19. septembrom Slovenijo zajele velike poplave. Za evidentiranje njihovega obsega so na Geografskem inštitutu Antona Melika ZRC SAZU 20. septembra 2010 izvedli terestrično snemanje s Sv. Ane nad Podpečjo, 23. septembra 2010pa še ročno snemanje iz helikopterja. Posneta so bila poplavljena območja na Ljubljanskem barju, Radenskem polju in Dobrepolju. Terestrično snemanje je bilo izvedeno, ko so bile poplave na Ljubljanskem barju najobsežnejše, snemanje iz helikopterja pa nekaj dni kasneje, ko so že upadale. V članku je predstavljena obdelava posnetkov, ki prikazujejo poplave na Ljubljanskem barju. Snemanje je potekalo z različnimi nemerskimi fotoaparati, v prispevku pa bo podrobneje obravnavana obdelava posnetkov, narejenih z nemerskim fotoaparatom Cannon PowerShot SX10 IS. Fotoaparat je bil naknadno kalibriran, vendar rezultatov kalibracije ne moremo neposredno uporabiti, saj ne vemo, kako je bil fotoaparat nastavljen med snemanjem.Rob poplavljenega območja je bil izmerjen z interaktivno metodo orientacije posnetka na podlagi DMR. Metoda je enoslikovna in omogoča zajem 3R-podatkov že z enega samega posnetka. V članku primerjamo rezultate interaktivne orientacije, pridobljene na podlagi fotogrametrično izdelanega DMR 5 m x 5 m in lidarskih podatkov. Ovrednotena je uporabnost navedenih podatkov za 3R-zajem obsega poplav z interaktivno metodo orientacije. KLJUČNE BESEDE interaktivna orientacija, obdelava nemerskih posnetkov, DMR, poplave 2010, Ljubljansko barje Klasifikacija prispevka po COBISS-u: 1.08 ABSTRACT In September 2010, one of the greatest floods in recent decades affected Slovenia, following intense rain between September 16th and 19th. Members of the Anton Melik Geographical Institute of the Scientific Research Centre of the Slovenian Academy of Sciences and Arts made theirfirst terrestrial oblique imaging of the floods on Ljubljansko Barje (the Ljubljana moor) from Sv. Ana hill over Podpec on the September 20th, 2010. The floods on the Ljubljana moor, Radensko polje and Dobrepolje were later also covered with handheld imaging made from helicopter on September 23rd, 2010. Terrestrial imaging was made in the time of the highest waters and the imaging from helicopter when the floods were retreating. The floods on Ljubljana moor around Podpec are presented. Images made with the Canon PowerShot SX10 IS non-metric camera were used. The camera was calibrated afterwards, but the calibration data could not be used directly due to not knowing the parameters of zoom in the time of imaging.The flooding boundary was measuredfrom the non-metric images with the interactive orientation of image on the DEM. The results of interactive orientation of non-metric images made with the photogrammetrically derived DEM with a cell size of 5 m x 5 m and LiDAR derived DEM with a cell size of 1 m x 1 m are presented. The evaluation of the method for the 3D data acquisition is also made. KEY WORDS interactive orientation, non-metric image processing, DTM, floods in 2010, Ljubljana, moor 1 UVOD Naravne nesreče so geografska stalnica v številnih slovenskih pokrajinah (Zom in Komac, 2011a). Zaradi tega večinoma tudi niso povsem nepričakovane, a nas kljub temu pogosto zalotijo nepripravljene, kar se kaže tudi v tem, da jih ne začnemo takoj fotografirati z merskimi fotoaparati. Nasprotno pa po navadi ne primanjkuje nemerskih posnetkov. Ker naključni fotografi niso fotogrametri in ne vedo, kako posneti stereopar, takšne posnetke le s težavo uporabimo v merske namene za izmero 3R-podatkov. Prav tako ni splošno poznano, da je treba pri fotografiranju za takšne namene imeti fotoaparat nastavljen na neskončnost, če želimo naknadno izvesti kalibracijo uporabljenih nemerskih fotoaparatov. Tako moramo za izmero objektov iz nemerskih fotografij večinoma uporabljati nestandardne fotogrametrične metode. V najboljšem primeru lahko, če poznamo parametre notranje orientacije posnetkov (goriščna razdalja, koordinate projekcijskega centra v slikovnem koordinatnem sistemu, distorzije slike) in položaj stojišča v prostoru, uporabimo klinometrijo za določitev relativnih višin na podlagi senc in osenčenj (Kirk in sod., 2003; Triglav Čekada, 2004). Za zajem podatkov iz aeroposnetkov lahko uporabimo še postopek monokartiranja (angl. monoplotting), pri katerem za transformacijo zajetih podatkov iz enega posnetka v prostor dodatno uporabimo digitalni model višin (Willneff in sod., 2005). Tudi če ne poznamo parametrov notranje orientacije posnetkov, lahko ob poznavanju geometrijskih značilnosti objekta na fotografiji posredno izmerimo nekatere vrednosti iz zaporedja posnetkov, na primer smer in hitrost podiranja dimnikov (D'Apuzzo in Willneff, 2001). Pri uporabi posnetkov stranskega pogleda na objekte pa smo še bolj omejeni. Če poznamo lokacijo stojišča v prostoru, si lahko pomagamo s priorientacijo posnetka na merske posnetke, narejene z istega stojišča (Bitelli in sod., 2007; Alamouri in sod., 2008). Če posnetek stranskega pogleda prikazuje območje, za katero že imamo narejen zelo gost digitalni model reliefa (DMR), si lahko pomagamo z interaktivno metodo zunanje orientacije posnetka na podlagi DMR (Triglav na primer lahko pomagamo tudi z zunanjo orientacijo posnetkov na podlagi ravnih linij (ceste, vodotoki) (Karjalaineen in sod., 2006). V članku predstavljamo analizo dveh nizov nemerskih posnetkov poplav na Ljubljanskem barju leta 2010, ki smo jih izvedli z interaktivno orientacijo posnetkov na podlagi DMR. Prvi niz prikazuje okolico Podpeči na južnem robu Ljubljanskega barja, posnetih s Sv. Ane 20. septembra 2010. Drugi niz posnetkov pa je bil posnet iz helikopterja nekaj dni zatem, 23. septembra 2010. Posnetke smo primerjali z državnim DMR z velikostjo celice 5 m * 5 m in DMR z velikostjo celice 1 m * 1 m, izdelanim iz oblaka lidarskih točk z gostoto 10 točk/m2. | Čekada in sod., 2007). Ob preučevanju posnetkov, ki prikazujejo večja območja s cestami, si § fN Poplave (Komac in sod., 2008) so v Sloveniji med letoma 1994 in 2008 na leto povprečno š ^ povzročile 15 % vse škode zaradi naravnih nesreč. V tem obdobju so izstopale poplave leta 1994 § ^ (31,3 % škode zaradi naravnih nesreč v tem letu), 1995 (18,1 %), 1998 (51,9 %), 1999 (12,1 %), | | 2004 (15,2 %) in 2007 (64,8 %) (Zorn in Komac, 2011b). Poplave septembra 2010 so bile med obsežnejšimi naravnimi nesrečami v zadnjih desetletjih v Sloveniji. Prizadele so dobre tri petine slovenskih občin (137), škoda pa je bila ocenjena na več kot 240 milijonov evrov, kar je največ po ¡¡T Tg Ig o ■s ■ 1 to poplavah leta 1990. Bile so posledica obilnih padavin med 16. in 19. septembrom 2010 (Komac in Zorn, 2011). Za določanje obsega poplav so bile po poplavah uporabljene različne metode daljinskega zaznavanja: od satelitskih (Oštir in sod. 2011; Veljanovski in sod. 2011) in letalskih posnetkov (Globevnik in Vidmar 2010; Veljanovski in Kokalj, 2012), do nemerskih helikopterskih posnetkov (Triglav Čekada in Zorn, 2012). 2 METODA Za evidentiranje obsega poplav septembra 2010 so na Geografskem inštitutu Antona Melika Znanstvenoraziskovalnega centra Slovenske akademije znanosti in umetnosti 23. septembra 2010 izvedli ročno snemanje iz helikopterja. Snemanje je potekalo z več fotoaparati, v prispevku pa podrobneje predstavljamo posnetke, narejene z nemerskim fotoaparatom Cannon PowerShot SX10 IS. Iz helikopterja so bile posnete poplave na Ljubljanskem barju, Radenskem polju in Dobrepolju, pri čemer moramo vedeti, da je bil prelet opravljen po njihovem največjem obsegu, zato ga posnetki ne prikazujejo. Območje okrog Podpeči na južnem robu Ljubljanskega barja so terestrično posneli tudi nekaj dni pred helikopterskim snemanjem s Sv. Ane; uporabljen je bil isti fotoaparat. Terestrično fotografiranje poplav je bilo izvedeno med največjim obsegom poplav 20. septembra 2010. Ljubljansko barje se je takrat še polnilo, zato je bil lahko vodostaj na nekaterih delih Barja pozneje isti dan tudi višji. Zaradi velikega obsega poplav smo se pri testnem zajemu v vsakem nizu snemanj omejili na dva posnetka, ki prikazujeta približno isto območje (slika 1). Nemerski fotoaparat Cannon PowerShot SX10 IS smo kalibrirali s kalibracijskim poljem v programu PhotoModeler (medmrežje 1). Ker ima fotoaparat možnost spremenljivih nastavitev, f tudi različno goriščno razdaljo, kalibracijskih podatkov nismo mogli neposredno uporabiti v postopku obdelave, saj ne poznamo nastavitve teh parametrov med snemanjem poplav. Pri obdelavi so bili bolj podlaga za oceno, ali lahko pričakujemo velika odstopanja na robovih slik zaradi distorzije objektiva. Glede na rezultate kalibracije menimo, da večjih odstopanj na robovih fotografij ni pričakovati. Ker smo se odločili, da bomo analizo opravili v starem koordinatnem sistemu D48, smo kot osnovni DMR vzeli DMR 5 m * 5 m iz leta 2006, ki je bil narejen na podlagi aerofotografij cikličnega aerosnemanja Slovenije (CAS). Za primerjavo smo uporabili še lidarski DMR 1 m * 1 m, izdelan v okviru projekta Lasersko snemanje Slovenije (Triglav Čekada in sod., 2012), ki pa je bil izvorno narejen v novem koordinaten sistemu D96. Pri analizi smo uporabili že transformiran lidarski DMR v star koordinatni sistem. Za izdelavo tega DMR je bil na našem testnem območju na voljo oblak točk z gostoto 10 točk/m2 (medmrežje 2). ^ § Rob poplavljenega območja smo s posnetkov izmerili z interaktivno metodo orientacije posnetka g ^ na podlagi DMR. To je enoslikovna metoda izmere, ki omogoča zajem 3R-podatkov že iz ^ | enega samega posnetka. Splošno jo lahko opredelimo kot različico monokartiranja za posnetke • | stranskega pogleda na objekt. Metoda temelji na iskanju najbolj ujemajoče se projekcije točk "§ ^ DMR na prikazano vsebino na posnetku, pri čemer z iskanjem ujemanja iščemo parametre 3 3 š 0 fN d Slika 1: Zgoraj sta sliki, posneti s Sv. Ane (20. 9. 2010), spodaj pa sliki, posneti nekaj dni kasneje (23. 9. 2010) iz helikopterja. Sliki 1a in 1c prikazujeta pogled proti severozahodu (spredaj Podpeč, zadaj Notranje Gorice in Vnanje Gorice), sliki 1b in 1d pa pogled proti severovzhodu (spredaj Podpeč, zadaj Ljubljana) (fotograf: Matija Zorn). zunanje orientacije posnetka (tri koordinate projekcijskega centra fotoaparata, tri kote zasukov, merilo). Metoda je interaktivna in temelji na operaterjevem dobrem poznavanju podrobnosti na posnetku ter vedenju, kako naj bi se odražali na projekciji točk DMR na posnetek (Triglav Čekada in sod., 2007).Za pomoč pri orientaciji obsežnejših neizrazitih pojavov, kot so v našem primeru ravna travnata zemljišča, smo si pomagali tudi z vključitvijo lomnih linij med projicirane točke DMR. Lomne linije smo pridobili z vektorizacijo cest, kolovozov in glavnih vodotokov iz ortofotografij merila 1 : 5000, izdelanih v okviru CAS 2006 (slika 2). Pri interaktivni metodi orientacije je v veliko pomoč vsaj delno poznana lokacija projekcijskega centra fotoaparata oziroma stojišča fotoaparata v času snemanja. Tako že na začetku zmanjšamo število neznank in lahko hitreje interaktivno poiščemo dobro ujemanje. Pri prvem nizu posnetkov s Sv. Ane je mogoče to lokacijo razmeroma enostavno določiti na podlagi ortofotografije. Pri drugem nizu posnetkov iz helikopterja pa je to težje, saj helikopter med snemanjem ni letel na stalni višini, prav tako ni letel v ravni liniji, kot po navadi letijo helikopterji/letala pri postopku aerofotografiranja ali lidarskega snemanja. Interaktivna orientacija helikopterskih posnetkov je bila zato bolj zamudna.