Informacje przestrzenne, występujące w postaci współrzędnych, są podstawą każdego projektu. Ich zgromadzenie i przetworzenie do spójnej postaci tworzącej model przestrzenny jest często procesem dłu-gotrwałym, kosztownym i wymagającym znacznych nakładów pracy. Szacuje się, że etap ten pochłania do 80% czasu i funduszy, ale jest on niewątpliwie etapem decydującym o jakości końcowych rezultatów. Określenie rodzaju potrzebnych informacji przestrzennych to pierwszy krok do realizacji konkretnego projektu. Gdy zostanie określony obszar, rodzaj danych oraz skala przestrzenna i czasowa, następuje etap oceny możliwości otrzymania tych danych [3].
Współczesne metody pozyskiwania informacji przestrzennych opierają się nie tylko na tradycyjnych, ale również na zaawansowanych źródłach danych, za których powstawaniem stoją nowoczesne technolo-gie. Na informację przestrzenną składają się informacje o położeniu (współrzędne w przyjętym układzie odniesienia), własności geometryczne, relacje przestrzenne obiektów, które mogą być identyfikowane w odniesieniu do Ziemi [3]–[5].
Możliwości wykorzystania informacji przestrzennych zależą od uprzednio ustalonych wymagań do-kładnościowych, ale przede wszystkim od ich jakości i kompletności. Zawsze należy precyzyjnie zdefi-niować pod względem przestrzennym obiekty, o których chce się uzyskać informacje i je przechowywać. Gromadzenie danych jest czynnością wstępną. Do ich weryfikacji czy wstępnego opracowania stworzono wiele funkcji, np. wykrywanie błędów oraz redagowanie informacji przestrzennych i opisowych, a także takie, które służą np. ich aktualizacji, gdzie zmienność wartości dotyczących modelowanej rzeczywisto-ści jest bardzo duża [5]–[7].
Obecnie materiał do badań można zdobyć wprost z przestrzeni kosmicznej (bezpośrednio z satelitów), jak również z systemów satelitarnych wykorzystywanych pośrednio na Ziemi. Wpływ nowoczesnych technologii najlepiej widoczny jest w aktualnych technikach pomiarów geodezyjnych oraz na przykła-dzie multispektralnych zdjęć lotniczych czy satelitarnych, a także zautomatyzowanych stacji pomiaro-wych. Nie należy zapominać jednak o mających ciągle duże znaczenie tradycyjnych technikach, do któ-rych można zaliczyć np. mapy, plany czy pomiary terenowe.
Do najistotniejszych technik pomiarowych i jednocześnie metod pozyskiwania danych przestrzen-nych, należą:
– bezpośrednie pomiary geodezyjne/terenowe,
– pomiary odbiornikami satelitarnymi Global Navigation Satellite System (GNSS),
– interferometria radarowa (lotnicza i satelitarna) – Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR), – skaning laserowy (lotniczy i naziemny),
– obrazy satelitarne – zdjęcia z satelitów,
– zdjęcia lotnicze – wykonywane z pułapu samolotów załogowych i statków bezzałogowych (Unmanned Aerial Vehicle – UAV),
– zdjęcia naziemne (stereoskopowe) – metryczne i niemetryczne, – konwersja wektor–raster/raster–wektor,
– metoda fotogrametryczna (cyfrowe fotogrametryczne stacje robocze), – metoda kartograficzna (przetwarzanie istniejących opracowań mapowych),
– państwowe zasoby danych, np. materiały z zasobu geodezyjnego i kartograficznego, mapy i plany miejscowe,
– bazy danych geograficznych (dostępne w Internecie) – Systemy Informacji Geograficznej (Geo-graphic Information System – GIS) [3], [5]–[8].
W artykule przedstawiono krótką charakterystykę wyżej wymienionych metod i technik. W meto-dzie bezpośredniego pomiaru terenowego wykorzystywane są głównie klasyczne geodezyjne techniki pomiarowe, np. tachimetria elektroniczna czy technika GNSS. Metody te są bardzo czasochłonne oraz dość kosztowne, ich zastosowanie ma sens tylko w przypadkach opracowań na niewielkim obszarze, ale przede wszystkim przy szczególnych wymaganiach dokładnościowych rzędu 1 cm.
Metoda skaningu laserowego to niezbyt nowa, szybko rozwijająca się technika pozwalająca na opra-cowania o bardzo dużej precyzji. Skaning laserowy naziemny pozwala osiągnąć dokładność rzędu nawet 1 mm, większą niż standardowe techniki pomiaru terenowego. Z powodzeniem stosuje się go w konser-wacji zabytków i archeologii (inwentaryzacja skomplikowanych zabytków i stanowisk archeologicznych na potrzeby badań, dokumentacji archiwalnej i projektowej) oraz w planowaniu przestrzennym i zarzą-dzaniu zespołami urbanistycznymi [9]. Na ilustracji 1 przedstawiono chmurę punktów pozyskaną ze skaningu laserowego fasad kamienic na wrocławskim Rynku.
Skaning laserowy lotniczy (Airborne Laser Scanning – ALS) to technologia podobna do naziemnego skaningu laserowego, ale dodatkowo na pokładzie samolotu czy helikoptera znajduje się wysokoroz-dzielcza kamera fotogrametryczna, dalmierz laserowy oraz precyzyjny system pozycjonowania GNSS.
LiDAR to technika fotogrametryczna oparta na skanowaniu terenu z samolotu lub satelity. Jest to po-łączenie lasera z teleskopem. Wyznaczanie powierzchni terenu wykonuje się z samolotu o znanej pozycji, wyznaczonej przez GNSS oraz INS (Inertial Navigation System). Technika ta jest dość złożona i wyma-ga szerszego objaśnienia. Dokładność (błąd średni) opracowań ze skaningu lotniczego sięwyma-ga 10–15 cm sytuacyjnie i 15 cm wysokościowo [11]. Skaning lotniczy w zakresie precyzji i zastosowań wypiera tym samym tradycyjne zdjęcia lotnicze. Skaning lotniczy jest opłacalny na dużych obszarach, tj. powierzch-niach większych od 5 km2 lub obiektach „korytarzowych” dłuższych od 15 km [12]. Stosuje się go do małych i średnich opracowań, ze względu na ogromną ilość danych generowanych podczas pomiarów. Produktami naziemnego skaningu laserowego mogą być między innymi: chmura punktów, trójwymiaro-we modele, rysunki i plany oraz ortoskany.
Metoda interferometrii radarowej (InSAR) polega na przedstawianiu powierzchni rzeźby terenu w za-kresie mikrofalowym (radarowym) z samolotu lub satelity. Uzyskane dane poddawane są bardzo złożonej obróbce pozwalającej otrzymać przestrzenny obraz terenu. Metoda przydatna do opracowań na dużych obszarach. Typowa wielkość tzw. piksela terenowego obrazu radarowego to mniej więcej 1 m, natomiast typowa dokładność (błąd średni) Numerycznego Modelu Terenu (NMT) nie przekracza 1 m, zaś dla Nu-merycznego Modelu Pokrycia (NMP) to – 0,5 m [13].
Metoda fotogrametryczna bazuje na opracowaniu kameralnym zdjęć (głównie) lotniczych. Sam po-miar następuje dopiero na cyfrowych fotogrametrycznych stacjach roboczych lub autografach analitycz-nych i może odbywać się ręcznie lub automatycznie. Pomiar manualny sprowadza się do odczytania danych przestrzennych z modelu stereoskopowego dla dużej liczby punktów. Badaniom podlegają zwykle różne punkty i linie strukturalne charakteryzujące rzeźbę terenu, np. punkty rozproszone w siatce (re-gularnie bądź niere(re-gularnie), linie szkieletowe (grzbiety, cieki) czy linie nieciągłości (skarpy, urwiska).
Il. 1. Wstępnie wyczyszczona chmura punktów w kolorach RGB pozyskanych ze skanera – Rynek 42–44, Wrocław (oprac. M. Stepnowska, [10, s. 80])
W przypadku automatyzacji procesu funkcję pomiaru stereoskopowego przejmuje automat, tzw. korelator obrazu, który mierzy wysokości w regularnej siatce o zadanym „oczku”. Dla przykładu: ze zdjęć wykona-nych z wysokości 4000 m można wygenerować NMT o dokładności wysokościowej (błąd średni) 0,8–1,2 m. Źródłem danych dla analiz fotogrametrycznych (i nie tylko) mogą być również obrazy lotnicze i sa-telitarne. Dla zdjęć lotniczych w uproszczeniu można przyjąć, że dokładność docelowego opracowania zależy od wysokości, z której wykonano zdjęcia, a co za tym idzie tzw. wielkości piksela terenowego. W przypadku zdjęć lotniczych jest on mniejszy niż 0,3 m. Zdjęcia satelitarne charakteryzują się więk-szym zasięgiem powierzchniowym od obrazów lotniczych, a oparte na nich prace można przygotować szybciej i taniej, ale są one mniej dokładne (dokładność powyżej 0,3 m) niż te ze zdjęć lotniczych. Prze-twarzanie obrazów satelitarnych jest zbliżone do opracowania zdjęć lotniczych. Obecnie bardzo często do pozyskiwania zdjęć z wysokości wykorzystuje się drony, czyli bezzałogowe statki powietrzne (UAV) wyposażone w system pozycjonowania GNSS i wysokiej rozdzielczości kamery (umożliwiające na pod-gląd na żywo np. w komputerze lub smartfonie). Bardziej zaawansowane technicznie drony pozwalają na wykonywanie zdjęć metrycznych, dzięki którym możliwe jest sporządzanie ortofotomap i NMT do wektoryzacji szczegółów sytuacyjnych I grupy1 dokładnościowej. Bardzo często drony wykorzystywane są również do inwentaryzacji obiektów budowlanych, przekazu „na żywo” w telewizji czy do ochrony środowiska (np. monitoring spalania śmieci) [15], [16].
W ostatnich latach popularne stało się stosowanie cyfrowej kamery niemetrycznej w fotogrametrycz-nej inwentaryzacji obiektów zabytkowych. Prawidłowo pozyskane i opracowane dane pozwalają stwo-rzyć cyfrowy model obiektu, który może być podstawą do wykonania rysunków wektorowych dokumen-towanego zabytku. Przykładowe opracowanie zabytkowego obiektu kamerą niemetryczną przedstawiono na ilustracji 2.
Kamery niemetryczne wymagają wyznaczenia w procesie kalibracji parametrów orientacji wewnętrz-nej kamery oraz określenia dystorsji obiektywu. Samokalibracja kamer niemetrycznych w programach komputerowych np. Agisoft Photoscan polega na wyznaczeniu parametrów zniekształceń i elementów orientacji wewnętrznej na podstawie badania serii zdjęć specjalnego pola testowego. Na ilustracji 3 przedstawiono pole testowe w programie Agisoft Lens.
Do prawidłowego opracowania modelu, poza pozyskaniem danych fotogrametrycznych, niezbęd-ne jest przeprowadzenie pomiarów geodezyjnych obiektu, wyrównanie obserwacji kątowo-liniowych i przygotowanie zdjęć do modelowania. W celu optymalizacji procesu modelowania można dokonać ma-skowania zdjęć – nałożenia dwukolorowego (1-bitowego) obrazu na zdjęcie w celu oznaczenia obszarów, które mają zostać pominięte w opracowaniu. Precyzyjna rekonstrukcja relacji przestrzennych na zdjęciu wymaga wprowadzenia fotopunktów, czyli punktów w określonym układzie współrzędnych geodezyj-nych. W programie Agisoft Photoscan każdemu z punktów georeferencyjnych należy nadać wcześniej wyznaczone współrzędne. W procesie wyrównania zostaną określone błędy dopasowania.
Mnogość metod oraz zakres ich zastosowania zależy od wielu czynników, np. od wymagań jako-ściowych czy uwarunkowań technicznych, ale w głównej mierze ekonomicznych. Należy tu rozróżnić metody, które będą zastosowane do pozyskiwania danych wektorowych i te do danych rastrowych [5].
Rastrowy model danych bazuje na siatce punktów zorganizowanych w wiersze i kolumny, a jego wersję w postaci mapy można porównać do fotografii. Każdy z punktów przyjmuje różne wartości – ko-lory – które w rzeczywistości tworzą obraz. Jakość modelu rastrowego zależy od rozdzielczości siatki punktów – im więcej punktów na jednostkę, tym wyższa jakość. Układ tych punktów przedstawiających np. budynki, kable czy drogi jest nierozpoznawalny dla komputera, ale oczywisty dla użytkownika – ob-serwatora. Mapa rastrowa zachowuje globalny układ współrzędnych i może być zapisana w różnych ska-lach z oryginałów. Można ją powiększać i pomniejszać, ale do granic jej czytelności, ponieważ wielkość punktów rastra (pikseli) jest stała – stąd w miarę powiększania mapy rastrowej tracona jest jej jakość.
1 Ze względu na charakter oraz wymagania dokładności pomiaru wyróżnia się trzy grupy szczegółów terenowych: I gru-pa – przedmioty sytuacji terenowej o wyraźnych konturach zachowujących swą niezmienność w okresach wieloletnich, trwale związane z podłożem, II grupa – przedmioty sytuacji terenowej o mniej wyraźnych i mniej trwałych konturach, III grupa – przed-mioty sytuacyjne o niewyraźnych obrysach lub małego znaczenia gospodarczego [14].
Il. 2. Ortofoto elewacji kościoła w Pożarzysku na podstawie zdjęć pozyskanych z UAV (oprac. G. Wojciechowska)
Il. 3. Pole testowe do określenia parametrów zniekształceń i elementów orientacji wewnętrznej (oprac. P. Wolski, [17])
Obraz rastrowy jest bardzo dokładny, ale charakteryzuje się dużą obszernością (pojemnością) plików. Dodatkowo w warstwach rastrowych nie wykorzystuje się pól opisowych, ponieważ nie ma ich do czego „przywiązać”, dlatego też nie można na nich wskazywać obiektów [4], [5], [8], [18].
Raster wykorzystuje się w dwóch przypadkach:
– gdy powierzchnia zmienia się w sposób ciągły, np. rzeźba terenu,
– w celu założenia warstwy będącej podkładem dla innych warstw wektorowych.
Źródłem plików rastrowych dla starszych opracowań jest najczęściej skaner, za pomocą którego można przenieść do komputera np. arkusze mapy zasadniczej, zdjęcie satelitarne lub lotnicze interesującego nas
obszaru, występujące w wersji papierowej. Natomiast dla współczesnych opracowań cyfrowych (zdjęcia lotnicze, satelitarne, obrazy teledetekcyjne) stosuje się wyłącznie rastry uzyskane metodą cyfrowego przetwarzania obrazu, a tak uzyskany raster zwany jest elektronicznym (raster cyfrowy).
Mapa w postaci wektorowej bazuje na zbiorze obiektów, które opisane są współrzędnymi w zdefinio-wanym układzie współrzędnych, gdzie wyrażone są one w lokalnych jednostkach, np. calach lub centy-metrach, a nie we współrzędnych geograficznych. Rzeczywistość przedstawiona jest za pomocą punktów, linii oraz poligonów o ściśle ustalonych wierzchołkach. Wektoryzacja ma niewątpliwe zalety, takie jak przechowywanie danych mających charakter dyskretny, z bardzo dużą dokładnością, wyodrębnianie po-szczególnych obiektów np. granice działek, ulice, budynki, sieci: elektryczne, gazowe, wodne, telefoniczne itd., podłączanie do wyodrębnionych obiektów informacji z bazy danych (niemożliwe w przypadku modelu rastrowego), dowolna skalowalność modelu – niezależność mapy od skali, w jakiej jest przedstawiana, ponieważ dane przechowywane są w komputerze w skali 1:1 (w przeciwieństwie do mapy rastrowej, gdzie najlepszą jakość osiąga się, używając skali zbliżonej do skali oryginału) [4], [5], [8], [18], [19].
Największą wadą wektoryzacji jest fakt, że mapy wektorowe powstają ręcznie – poprzez wprowadza-nie każdego punktu – stąd wprowadza-niewątpliwie jest to proces bardzo czaso- i pracochłonny. Istwprowadza-nieją co prawda programy do automatycznej wektoryzacji (konwersja raster–wektor), ale głównie tylko do rysunków typu CAD. Niestety nie są one na tyle efektywne, żeby rozpoznać dowolny obiekt na obrazie i przekon-wertować go do zapisu geometrycznego, stąd używa się najczęściej trybu półautomatycznego.