Skip Navigation LinksForest Portál > Monitoring a výskum > LIDAR a jeho využitie

LIDAR a jeho využitie

LIDAR a jeho využitie v rôznych odvetviach národného hospodárstva

1. Lesné hospodárstvo

 

V lesníctve má LIDAR mnohostranné využitie a veľkú perspektívu do budúcnosti pri:

 

  • meraniach výšky stromov a korunovej vrstvy; profilácii korunového zápoja
  • stanovení objemu lesnej biomasy
  • inventarizácii lesa a vlastnom plánovaní hospodárskych opatrení v lesoch
  • priamom meraní 3D štruktúry lesných porastov a variability priestorovej štruktúry rastlinného materiálu (listy, vetvy, kmene stromov)
  • podrobnom mapovaní lesného terénu
  • monitoringu lesných biotopov
  • manažmente horských povodí
  • modelovaní rizika lesných požiarov a správania sa ohňa v lese v závislosti od canopy fuel capacity (množstva horľavého materiálu v korunovej vrstve).
  • optimalizácii plánovania lesníckych činností
  • meraní maximálnych výšok stromov pre odhad veľkosti koreňovej sústavy (využitie v poisťovníctve budov a stavieb).

 

Schopnosť LIDARu simultánne zachytiť skutkový stav terénu a štruktúru korunovej vrstvy (zápoja porastu) prináša pre lesné hospodárstvo nemalé výhody. V minulosti, lesníci a obhospodarovatelia lesov boli pri klasifikácii terénu závislí na topografických mapách a terénnych prieskumoch pri zisťovaní výšok stromov a porastových zásob. Údaje získané z LIDARu obidva procesy značne zjednodušujú a zefektívňujú.

 

Existujúce topografické mapy zachycujú vrstevnice a toky riek (potokov) odvodené z leteckých meračských snímok pomocou stereografických metód tvorby terénu. Na plochách kde korunová vrstva stromov prekrýva povrch terénu je potrebné použiť interpretatívne metódy na stanovenie polohy vodných tokov a vrstevníc terénu. Terén vygenerovaný na základe údajov z LIDARu vytvára hodnovernejší obraz zmienených geografických prvkov. LIDAR je schopný preniknúť korunovou vrstvou porastu a tým poskytnúť presnejšiu interpretáciu povrchu terénu pod porastom (lesom).

 

Využívanie LIDAR technológie v LH prináša nemalé prínosy pri obhospodarovaní lesov a technických operáciách v lesoch (presná lokalizácia ciest, plánovanie ťažby a obnovy v lesoch, a pod.). Identifikácia vhodných miest na prejazd/prechod potokov, optimalizácia cestnej siete, lokalizácia pôvodných lesných ciest a optimalizácia ťažbových metód podstatnou mierou znižuje náklady na ťažbu a odvoz dreva a plánovanie (výstavbu) lesnej cestnej site.

 


Vertikálna štruktúra rôznovekého lesného celku s rozhraním les/bezlesie
Modrou farbou sú znázornené plochy bez lesnej vegetácie

 

LIDAR tiež poskytuje nemalé výhody a úsporu nákladov pri inventarizácii lesov. Tradičné metódy zberu údajov v teréne vychádzajú z meraní porastových veličín na vybraných skusných plochách. Tieto štatistické metódy zisťovania sú najčastejšie využívané v lesoch, kde meranie každého jednotlivého stromu je nepraktické a neekonomické. Výšky a objemy stromov sa kalkulujú pre každú skusnú plochu zvlášť a v ďalšom kroku sa generalizujú na príslušný lesný porast. Takto štatisticky odhadnuté charakteristiky porastu neposkytujú presné údaje o poraste a to v dôsledku prirodzenej variability prírodných/rastových podmienok v rámci porastu, obmedzeniam výberu meraných stromov a nepresnosti meraní. Okrem toho, zber terénnych údajov tradičnými terestrickými metódami je časovo náročný a nákladný vzhľadom na veľký počet skusných plôch, ktoré treba pomerať ak chceme dostať presnejšie údaje o stave lesa. LIDAR tieto obmedzenia nemá.

 

Z LIDARu je možné priamo získať nasledovné informácie:

 

  • digitálny výškový model
  • stromové výšky
  • digitálny model povrchu
  • korunová pokryvnosť
  • štruktúra lesa
  • profil korunového zápoja

 

Postprocessingovým spracovaním údajov je možné získať:

 

  • geometrický objem korunovej vrstvy
  • objem biomasy korunovej vrstvy (zápoja)
  • hustotu korunovej vrstvy
  • rozmery korún - plochu olistenia

 

V oblasti inventarizácie lesov sa LIDAR doteraz najviac využíval na získanie základných štrukturálnych charakteristík stromov (porastov) ako napr. výška, zápoj korunovej vrstvy a vertikálne profily. Tieto atribúty je možné využiť na odvodenie kruhovej základne a objemu dreva v porastoch ako aj na stanovenie objemu biomasy a analýzu ukladania uhlíka.

 

LIDAR - zdroj cenných informácií pre ťažbové procesy (príklad využitia z Forestry Commission, UK)

 

 

Forest Research vyvinul metódu detekcie jednotlivých stromov a kvality (štruktúry) povrchu terénu ktorá je využívaná pri plánovaní ťažobných operácií v lesoch obhospodarovaných Forestry Commission.

 

Metóda využíva letecký LIDAR na identifikáciu polohy a počtu veľkých stromov v porastoch, údaj, ktorý je dôležitý pre efektívne plánovanie ťažby a približovania dreva v porastoch.

 

Metóda sa skladá z nasledovných krokov:

 

  1. Z prvého súboru údajov sa po spracovaní vytvorí digitálny model povrchu (DMP) - model, ktorý reprezentuje výšku pozemnej vegetácie.
  2. Z posledného súboru údajov sa vygeneruje digitálny model terénu (DMT). Tento model sa ďalej spracúva a počíta sa z neho sklon svahu a drsnosť povrchu terénu. Tieto údaje slúžia na výber optimálnej ťažbovej technológie (lanovka, harvestory, a p.)
  3. V poslednom kroku sa vytvorí postup na mapovanie lokalizácie jednotlivých stromov na zemi a odvodí sa ich výška priamo z rozdielu medzi príslušnými hodnotami DMP a DMT.

 

 

2. Mapovanie územia a kartografia

 

Vysoká rozlišovacia schopnosť a presnosť LIDARu sa využíva pri tvorbe máp. V kombinácii s leteckými snímkami sa LIDAR dáta využívajú pri mapovaní infraštruktúry (napr. cestnej siete) zastavanosti území a mapovaní vegetácie. 3D aspekt LIDAR dát je osobitne významným faktorom pri tvorbe terénnych modelov vrátane komplexných modelov horského terénu. LIDAR dáta sú podkladom pre tvorbu vysoko presných vrstevnicových máp.

 



Digitálny model terénu/reliéfu Švajčiarska
rozlíšenie od 0,2 bodu/m2 (žltá) až po 8,0 bodov/m2 (fialová)
© Christian Ginzler, WSL

 

Mapovanie vegetácie

 

LIDAR poskytuje údaje o výške lesného zápoja a zároveň výške povrchu terénu pod lesnou vegetáciou. Tieto údaje je možné využiť na hodnotenie komplexných 3D štruktúr lesných porastov vrátane zakmenenia, porastovej výšky, kruhovej základne, indexu listovej plochy, objemu lesnej biomasy a zásoby porastov. Poznanie druhového zloženia lesných porastov, ich štruktúry a porastovej mozaiky je dôležitým predpokladom efektívneho využívania prírodných zdrojov, plánovania a monitorovania ich zmien, hodnotenia rizika požiarov v lesoch, stavu lesných biotopov, dopadu rekreačných aktivít a pod.

 

 

 

3. Ochrana prírody - hodnotenie stavu biotopov voľne žijúcich druhov rastlín a živočíchov

 

V súčasnosti obhospodarovatelia pozemkov musia monitorovať ohrozené druhy fauny a flóry v chránených územiach a často krát i mimo nich a podľa potreby vypracúvať plány ochrany predmetných populácií a biotopov. Ak sa jedná o územia NATURA 2000, tieto plány musia byť v súlade s príslušnou platnou európskou legislatívou (Habitats & Birds Directive). Pretože sa jedná o prírodné biotopy ktorých dynamika vývoja a kvalita resp. kvantita dostupných zdrojov sa neustále menia je potrebné hodnotiť nielen súčasný stav, ale aj stanoviť priority obnovy biotopov a tento proces pravidelne monitorovať.

 

Technológie diaľkového prieskumu Zeme (DPZ) sú efektívnym nástrojom mapovania resp. monitorovania stavu vegetácie na veľkých územiach. Napriek nesporným výhodám týchto technológií, druhová rozmanitosť prírodných komunít, ktorá je závislá od výskytu a usporiadania vegetácie v priestore (vrátane charakteristík ako zápoj a výška porastu, ktoré sa tradičnými metódami DPZ len ťažko mapujú). Hustá vegetácia a často obmedzený prístup (náročný horský terén, neprístupné rokliny a pod.) značne predražujú a sťažujú tradičné metódy terestrického prieskumu územia.

 

Výhodou LIDARového riešenia mapovania územia je skutočnosť, že LIDAR umožňuje identifikovať biotopy asociované s výskytom určitých druhov rastlín a živočíchov. Parametre ako výška stromov, hustota porastu, vertikálny zápoj a jeho rozmiestnenie zohrávajú významnú úlohu pri hodnotení podmienok konkrétneho biotopu, monitorovaní trendov vývoja a sú cenným zdrojom informácií pri tvorbe manažmentových plánov.

 

4. Poľnohospodárstvo

 

LIDAR môže pomôcť farmárom špecifikovať plochy s potrebou aplikácie priemyselných hnojív. S pomocou LIDARu je možné vytvoriť topografické mapy ornej pôdy a pasienkov podrobne identifikujúce tvary terénu a slnečné expozície. Kombináciou výnosov z jednotlivých plôch a týchto údajov je možné klasifikovať plochy podľa stupňa úrodnosti a nastaviť tak optimálny režim obhospodarovania týchto plôch.

 


Presné topografické mapy z LiDARových dát umožňujú poľnohospodárom efektívne plánovať hnojenie a sústrediť zdroje na najúrodnejšie časti ich pozemkov. Podobne sa dá optimalizovať aj výsadba plodín vzhľadom na lokálne vlhkostné pomery a riziko výskytu pôdnej erózie (Mississippi, USA)

 

5. Vodné hospodárstvo

 

LIDAR otvára nové možnosti pri mapovaní údolných nív riek a záplavových území. Je efektívnym nástrojom pri modelovaní záplav a ich dopadov v konkrétnom území.

 

Prvky v krajine ako budovy, umelo vybudované brehy riek, cesty a ostatná infraštruktúra významným spôsobom ovplyvňujú prirodzenú dynamiku kolobehu vody v krajine a výskyt resp. šírenie záplav. Len topografické údaje s vysokou presnosťou a rozlíšením (napr. z LIDARu) umožňujú zvýšiť presnosť a adresnosť modelov a simulácií rizík resp. správania sa záplav v krajine. Rozdiel niekoľkých metrov v presnosti údajov môže v urbanizovaných oblastiach znamenať podstatný rozdiel v prognostike záplav a ich rozsahu.

 


Vegetačný index z LiDAR dát ilustrujúci rozmiestnenie biotopov v skúmanom území (zelenou sú zamokrené stanovištia, hnedou sú suché stanovištia)

 

6. Archeológia

 

LIDAR má široké možnosti využitia pri plánovaní archeologických vykopávok v teréne a mapovaní prvkov pod úrovňou lesnej vegetácie. LIDAR tiež umožňuje vytvárať presné digitálne modely archeologických lokalít, ktoré poskytujú detailné informácie o mikroreliéfe danej plochy často neznámom kvôli vegetačnému krytu.

 

7. Geológia and pôdne vedy

 

Digitálne mapy konfigurácie terénu z údajov LIDARu znamenali veľký prínos v geomorfológii.

 

V geofyzike a tektonike sa vďaka kombinácii leteckého LIDARu a GPS systémov značne zefektívnil proces identifikácie zlomov v zemskej kôre a meraní výšky zdvihu resp. poklesu tektonických platní.

 

Letecké LIDARové systémy sa tiež využívajú na monitoring ľadovcov a pobrežných zón a ich zmien.

 

8. Meteorológia

 

Prvé LIDARové systémy boli použité na štúdium zloženia a štruktúry atmosféry, oblačných systémov a aerosolov.

 

Differential Absorption LIDAR (DIAL) je používaný na meranie prítomnosti plynov v atmosfére (ozón, CO2 , vodná para).

 

LIDAR tiež nachádza široké uplatnenie v sektore alternatívnych zdrojov energie pri produkcii veternej energie (meranie rýchlosti vetra, turbulencií, a náhlych horizontálnych / vertikálnych zmien smeru a rýchlosti vetra).

 

Modelovanie znečistenia ovzdušia

 

LIDAR má unikátnu schopnosť identifikovať čiastočky materiálov (molekuly) vo vode a vzduchu. LIDAR využíva krátke vlnové dĺžky svetla vo viditeľnom spektre (ultrafialové, viditeľné až po infračervené) a je schopný rozlíšiť objekty veľkosti na úrovni vlnovej dĺžky resp. väčšie ako napr. molekuly aerosolov, častice oblakov a molekuly vzduchu. CO2 , SO2 a metán sú len niektoré zo spektra znečisťujúcich látok, ktoré je LIDAR schopný zachytiť.

 

9. Územné plánovanie

 

LIDAR je relatívne nová technológia na tvorbu digitálnych modelov povrchu. LIDAR dáta v kombinácii s digitálnymi ortofoto snímkami je možné využiť na tvorbu digitálnych modelov povrchu s vysokou úrovňou detailu a následne digitálnych modelov miest. Veľkou výhodou tejto technológie je možnosť vytvárať modely aj pre veľké územia s minimálnymi nárokmi na čas.

 

Identifikácia tzv. Urban Heat Islands (UHI) s využitím LiDARu

LiDAR dáta je možné úspešne využiť na mapovanie teplotných pomerov a výskytu tieňov (budovy, vysoká zeleň) v urbanizovaných oblastiach veľkých miest - osobitne významné informácie v súvislosti s narastajúcim výskytom horúčav a extrémnym prehrievaním zastavaných plôch

Príklad z Londýna:
  • Hodnotenie morfologických charakteristík vegetácie a budov/stavieb
  • Severo-južný LiDAR tranzekt naprieč Londýnom (19 hodnotených zón)
  • Údaje o maximálnych/priemerných výškach vegetácie/budov/stavieb a hustoty zastavanosti územia
  • Údaje o výskyte tieňov v rámci skúmaných mestských zón
Výsledok: Vegetácia má potenciál byť najefektívnejším nástrojom znižovania tepelného stresu v letných mesiacoch v husto obývaných urbanizovaných územiach 


Digitálny výškový model budov/stavieb v prekryve s digitálnym výškovým modelom vegetácie pre 19 hodnotených zón

 


Tieňové pomery na 1 skúmanej lokalite v dvoch rôznych obdobiach (3.6.2010 a 25.9.2009) a 5 rôznych častiach dňa. Čierne plochy sú tiene generované budovami, tmavošedé plochy sú tiene generované vegetáciou

 

 

10. Plánovanie cestnej a železničnej infraštruktúry

 

Mapovanie dopravných koridorov si vyžaduje vysokú priestorovú presnosť a vysokú presnosť inžinierskeho plánovania. Letecký LIDAR je schopný poskytnúť veľké množstvo údajov za veľké územné celky v krátkom časovom okamihu a ekonomicky efektívnym spôsobom zatiaľ čo pozemný LIDAR je schopný poskytnúť zvýšenú úroveň a kvalitu detailu v špecifických územiach.

 


Digitálny výškový model a 33 cm vrstevnice pre výstavbu mostnej konštrukcie v Carroll County, Illinois, USA

 


Optimalizácia výstavby cestných križovatiek z hľadiska prehľadnosti prekážok a výhľadu na strane vodiča (tzv. línia viditeľnosti)

 

 
Odhad intenzity dopravy. LiDAR bol použitý na zber dát z dopravných koridorov o počte/type prechádzajúcich vozidiel, ich rýchlosti a objeme dopravy na križovatkách. Za pomoci špeciálneho SW sa z LiDAR dát extrahovali vozidlá, zoskupili sa do jednotlivých kategórií a odhadla sa ich rýchlosť.

 

11. Telekomunikačné a mobilné siete

 

Schopnosť LIDARu poskytovať veľké súbory údajov s vysokou rozlišovacou schopnosťou v relatívne krátkom časovom intervale pre veľké územné celky ho radí k vysoko efektívnym nástrojom plánovania mobilných sietí. Získané detailné informácie je možné zakomponovať do štatistických resp. GIS softvérov a využiť na optimalizáciu infraštruktúry (stožiare, antény) mobilných sietí.

 


LiDAR je najefektívnejším nástrojom trasovania infraštruktúry elektrického vedenia (umiestnenie stĺpov, veží, previs lán, protipožiarne línie, zásahy do okolitej vegetácie a pod.)