et godt alternativ til højdemåling fotogrammetri med laser Digital

Transkript

1 TEMA: HØJDEMÅLING TEKST OG FOTO: MARIANNE BOM Digital fotogrammetri et godt alternativ til højdemåling med laser FOTOGRAMMETRI På samme måde som to øjne kan måle afstand til et objekt, kan højder på landjorden måles ved hjælp af to fotos taget fra luften fra forskellige steder. Metoden kaldes fotogrammetri. Det, der er nyt og hot, skal ikke pr. automatik erstatte det, som er velkendt og godt. Det er konklusionen i landinspektør Marianne Winds nylige ph.d.-afhandling. Hendes forskning dokumenterer, at det ikke er nødvendigt at foretage ekstra flyvninger med lasere, når man skal kortlægge højdedata over Danmark. På store arealer kan man beregne lige så præcise højder ud fra de digitale luftfotos, som i forvejen løbende tages til brug for kortlægning. Der er mange penge at spare ved at ajourføre højdemodeller ved hjælp af digital fotogrammetri. et kan godt være, at ordet fotogrammetri klinger håbløst gammeldags i et moderne øre. De fleste fagfolk, der arbejder med bestemmelse af højder, vil finde ordet lasermåling eller LIDAR (LIght Detection And Ranging) meget mere tidssvarende. For i de seneste år har laseren for alvor vist sit værd, når der skal gennemføres præcise målinger af højder, afstande, objekter i bevægelse og meget mere. Men hvis man vil udarbejde tredimensionale kort over Danmarks terræn præcist og billigt, så kan man faktisk med fordel benytte digital fotogrammetri til langt de fleste arealer. Det er konklusionen i ph.d.-afhandlingen Automatic generation of elevation data over Danish landscape, som landinspektør Marianne Wind forsvarede på Aalborg Universitet i sommer. I min afhandling viser jeg, at man over størstedelen af Danmark kan opnå samme præcision med digital fotogrammetri som med laserhøjdemåling. Man kan få en præcision på plus/ minus ti centimeter, fortæller Marianne Wind. Det betyder, at den digitale fotogrammetri kan bruges til ajourføring af de LIDAR-højdemodeller, som allerede findes. COWI har en model, og Kort & Matrikelstyrelsen har en, som 6 LANDINSPEKTØREN

2 BlomInfo A/S og Scankort A/S har leveret data til, siger Marianne Wind. Marianne Winds resultater er interessante ud fra en økonomisk synsvinkel. De viser, at man ved ajourføring af højdemodellerne med digital fotogrammetri kan spare en flyvning næsten over det ganske land med en laserscanner. BESPARELSE PÅ 100 PROCENT I forvejen laver vi en ny scanning af Danmark fra en flyvemaskine hvert tredje til femte år for at ajourføre kort. Her tager man digitale fotos. Hvis man sørger for, at disse fotos har en sådan kvalitet, at man kan benytte dem til at generere højder med, kan man spare en ekstra flyvning med laserscanner. Man kan altså spare 100 procent rent flyvemæssigt, siger Marianne Wind. Nede på landjorden igen skal man dog bruge tid på at bearbejde data fra de digitale fotos, så man får en højdemodel i tre dimensioner ud af det. Marianne Wind benyttede det til en automatisk generering i computersystemet Match-T og udviklede i sit forskningsprojekt en metode, som giver de mest præcise resultater. Digital fotogrammetri kan desuden ikke benyttes til hver en plet på den danske jord, fordi metoden p.t. ikke er stærk i områder med stejle sider som eksempelvis klinter, grusgrave eller høje huse i tætte byområder. Derfor er der i sådanne områder behov for at supplere med data fra eksempelvis en laserscanner. Men alt i alt vurderer Marianne Wind, at den digitale fotogrammetri, suppleret med laserscanninger over udvalgte områder, er en både økonomisk og kvalitetsmæssig fornuftig måde at ajourføre højdemodeller på. FORHOLDET MELLEM PRIS OG PRÆCISION Figuren viser forholdet mellem prisen på de forskellige måder at skaffe højdedata sat i forhold til datapræcisionen. Kilde: Mercer, NYTTIGT FOR KMS Marianne Winds forskningsprojekt tog sin begyndelse, dengang lasermåling endnu var på babystadiet, nemlig i Det skete på opfordring af professor Joachim Höhle, som arbejdede med højdemåling på Aalborg Universitet. Marianne Wind havde forinden været landinspektør under Storebælt, hvor hun arbejdede på tunnelen, og i Norge i en periode efter sine studier. Nu syntes hun, at det var interessant at fordybe sig i et emne over længere tid. At der skulle gå næsten 13 år, før ph.d-afhandlingen blev færdig, forestillede hun sig ikke dengang. Men det har positivt betydet, at hun har kunnet sammenligne fotogrammetri med laserhøjdemåling, og det har altså vist sig at give et forskningsresultat, som er nyttigt også for den arbejdsgiver, hun har i dag, Kort & Matrikelstyrelsen. Styrelsen er netop ved at lægge sidste hånd på den offentligt tilgængelige Danmarks Højdemodel. Vi vil nu vurdere metoden i forhold til ajourføring af Danmarks Højdemodel. Min anbefaling er, at det er absolut aktuelt at bruge den. Det bør undersøges, om det kan indbygges i produktionskæden, når vi opdaterer landkort, at man så også opdaterer højdemodellen, siger Marianne Wind, der til daglig arbejder som projektleder med at kvalitetssikre Danmarks Højdemodel et arbejde, der afsluttes her i Styrelsen MARIANNE WIND Marianne Wind, 42 år, er uddannet landinspektør fra Aalborg Universitet i : ph.d-kandidat samme sted. Arbejdserfaring: MTGroup (nu MTHøjgaard), hvor hun bl.a. var med til at sikre, at boremaskinerne under Storebælt holdt retningen, så tunnelen faktisk blev en tunnel. Herefter tog Marianne til Norge, hvor hun arbejdede for BlomInfo A/S og lavede diverse kontrolopmålinger for olieindustrien. F.eks. kontrollerede hun dimensioner på rør på boreplatforme. Når der kommer tryk på rør, skal dimensioner og vinkler være i orden i forhold til trykket, så de ikke eksploderer. Desuden scannede hun højde på havbund, kalibrerede GPS-modtagere og løste almindelige opmålingsopgaver. Kort & Matrikelstyrelsen siden P.t. kvalitetssikring af Danmarks Højdemodel LANDINSPEKTØREN 7

3 TEMA: HØJDEMÅLING har endnu ikke besluttet, hvor tit eller hvordan højdemodellen skal ajourføres. Overraskede dit resultat dig? Både ja og nej. Da jeg startede, var det kun digital fotogrammetri, som var in, og så kom laserscanning fem år senere og var mere stabilt. Det har glædet mig at kunne påvise, at fotogrammetri kan konkurrere med LIDAR. For der er ofte en tilbøjelighed til at tro, at fordi noget er nyt, så er det også bedre. Men jeg har vist, at fordi en ny metode er god, så behøver man ikke at glemme den gamle. MARIANNE WINDS PH.D.-AFHANDLING Et område syd for Aalborg på 3,5 gange 4 kilometer blev fotograferet fra luften af Kampsax (nu COWI) i Billederne blev scannet, så de lå i digital form. Programmet Match-T blev benyttet til at beregne højderne ved hjælp af fotogrammetri. Hovedkonklusionen er, at digital fotogrammetri kan benyttes til at udarbejde højdemodeller over langt de fleste arealer i Danmark med en præcision på plus/minus ti centimeter. Marianne Wind udviklede desuden en metode til at få de bedste måleresultater. Bl.a. undersøgte hun betydningen af maskestørrelse og opløsning på billedet. Hun konkluderede følgende: Der er to ting, man skal huske. For det første er der et minimum for, hvor få pixel en maske må være dækket af. Der skal mindst være 15x15 pixel. For det andet er det hverken højdemålforholdet eller opløsningen hver for sig, der er interessant. Det interessante er størrelsen på det fysiske område, der bliver dækket på jorden. Hvis du ønsker at flyve meget højt, så skal du altså tage billeder med mange pixel, hvilket vil sige en høj opløsning. Hvis du flyver lavere, kan du nøjes med færre pixel, lav opløsning. Ph.d.-afhandlingen blev forsvaret på Aalborg Universitet sommeren Den hedder Automatic generation of elevation data over Danish landscape og kan læses her: dk/sepaakort/publikationer/ METODER TIL HØJDEMÅLING DIGITAL FOTOGRAMMETRI Siden slutningen af 1980 erne benyttet til automatisk computergenerering af højdedata ud fra digitale fotos. Se illustration, der viser metoden. FORDELE: Metoden er økonomisk favorabel, fordi de fotos, der løbende tages for at opdatere geografiske data, kan genanvendes. ULEMPER: Stor grad af nøjagtighed kan kun opnås ved hjælp af billeder med høj opløsning. Kan ikke anvendes over områder, hvor terrænet p.t. ikke kan computergenereres, f.eks. grusgrave og tæt bebyggelse. Kan ikke give øjeblikkelige resultater, da data først skal bearbejdes. LIDAR LIGHT DETECTION AND RANGING Har været benyttet til højdemåling siden begyndelsen af 1990 erne. LIDAR er en laserscanner, altså udsendes laserlys fra en flyvemaskine, og højden på landjorden kan måles, når lyset reflekteres. FORDELE: Kan anvendes 24 timer i døgnet. Har høj grad af præcision og kan anvendes over alle terræner. ULEMPER: Dækker kun mindre områder ad gangen og er derfor dyr i drift, når store områder skal måles. Slås med usikkerheder på grund af det, der kaldes skyggeeffekt, men ikke i samme omfang som den tredje metode, som kaldes IFSAR. Kan ikke give øjeblikkelige resultater, da data først skal bearbejdes. IFSAR INTERFEROMETRIC SYNTHETIC APERTURE RADAR Kom på markedet for ti år siden. Bruges sjældent i Danmark, men i høj grad i Nordamerika. IFSAR benytter radar fra en høj flyvehøjde fra 10 km til satellithøjde og arbejder med meget brede bælter. FORDELE: Kan benyttes 24 timer i døgnet. Dækker store arealer. ULEMPER: Har usikkerheder som følge af skyggeeffekter. Er langt fra så præcis som LIDAR og digital fotogrammetri. Kan ikke give øjeblikkelige resultater, da data først skal bearbejdes. Kilde: Marianne Winds afhandling 8 LANDINSPEKTØREN

4 Elverdam ved Kirke Sonnerup set fra nord mod syd. Illustration: KMS Danmarks Højdemodel kom just in time inden klimaændringerne Danmarks Højdemodel er her ved årsskiftet kvalitetssikret og klar til at blive brugt til danskernes fælles bedste af kommuner, miljøcentre og andre. Modellen er et oplagt redskab, når man regner på konsekvenser af klimaændringer og udvaskning af næringsstoffer fra landbruget. Altså kan den bruges til at prioritere indsatsen for et bedre vandmiljø og til at forebygge oversvømmelser som følge af øget nedbør og højere vandstand i havene. Greve Kommune har politikerne besluttet, at borgerne ikke skal risikere at stå i vand til knæene, når klimaændringerne slår igennem med mere nedbør og stigende vandstand i havet. Greve skal klimasikre kloakkerne, så de er dimensioneret til at bortlede fremtidens større mængder af regn og sne, og borgerne skal sikres mod oversvømmelser også fra havet ved hjælp af beredskabsplaner, volde og kontraklapper i regnvandssy- stemet. Desuden skal veje og stier løftes dér, hvor de ikke ligger højt nok til at undgå øget vandstand i havet. Men hvad er det egentlig, der er behov for at gøre og i hvilken rækkefølge? Hvilke dele af byen skal først have nye kloakker, og hvor høje skal volde, stier og veje bygges? For at få svar på de spørgsmål og mange flere har politikerne bedt embedsmændene om at lægge en strategi for indsatsen, og i det arbejde har Danmarks Højdemodel været et vigtigt redskab, fortæller hydrauliker og civilingeniør Birgit Paludan fra Greves Forsyningsvirksomhed. GREVE FORAN MED DIREKTIV Vi har brugt Danmarks Højdemodel til at udarbejde en strategimodel, der viser, hvad der sker med vandløb og kloakker ved mere nedbør, fortæller hun. Øget nedbør er som bekendt en ventet LANDINSPEKTØREN 9

5 TEMA: HØJDEMÅLING konsekvens af menneskehedens øgede udslip af CO 2, der forårsager en drivhuseffekt omkring hele planeten med opvarmning og øget nedbør til følge. Birgit Paludan har været med til at udvikle strategimodellen i Greve. Den består populært sagt i, at man kombinerer en hydraulisk model (Mouse) med højdemodellen. Derpå ser man, hvor i kommunen øget nedbør og øget afstrømning i vandløb først giver oversvømmelser. Det er så her, politikerne kan prioritere at bruge penge på modforholdsregler først. Birgit Paludan fortæller, at kommunalpolitikerne besluttede at tage klimaforandringerne alvorligt, efter at kommunen i 2002 og 2007 oplevede oversvømmelser. Greve Kommune er også i gang med at bruge højdemodellen til at implementere EU s oversvømmelsesdirektiv, som Birgit Paludan siger med både glimt i øjet og tilfredshed i stemmen over, at kommunen er på forkant. Ifølge direktivet skal medlemslandene først i 2011 have overblik over risikoen for oversvømmelser. I 2013 skal der foreligge kort over områderne, og i 2015 skal der være planer for risikostyring i forbindelse med oversvømmelser. OFFENTLIGT-PRIVAT SAMARBEJDE Greve Kommune har besluttet, at vi vil vide, hvad der sker, hvis kommunen bliver oversvømmet fra havet. Når vi har fået resultaterne, vil vi kunne lægge en strategi, så politikerne kan beslutte, hvilke dæmninger der skal installeres ved vandløbene, hvilke veje og stier der skal løftes, samt hvilke volde der skal bygges eller forhøjes, fortæller hun. Da Greve Kommune fik adgang til at arbejde med Danmarks Højdemodel var den endnu ikke kvalitetssikret. Det arbejde er Kort & Matrikelstyrelsen ved at lægge sidste hånd på. Greve Kommune har i øvrigt siden 2004 brugt data fra COWI s højdemodel i arbejdet. I Kort & Matrikelstyrelsen (KMS) er det landinspektør Marianne Wind, der er ansvarlig for kvalitetssikringen. Hun fortæller, at Danmarks Højdemodel er blevet til i et samarbejde mellem to private firmaer, BlomInfo A/S og Scankort A/S, samt KMS. Styrelsens bidrag har navnlig været at sikre kvaliteten. Mens de private firmaer har overfløjet Danmark med laserscannere og indsamlet data. Det er også firmaerne, der står for salg af modellen. Kort & Matrikelstyrelsen har købt modellen til brug i staten, og andre, f.eks. kommunerne, kan vælge at købe modellen af det private konsortium, fortæller Marianne Wind. Marianne Wind nævner, at staten f.eks. kan bruge højdemodellen til kortlægning og til at få større viden inden for planlægning og miljø, hvor der er fokus på afstrømningsmodeller. Modellen kan bruges alle steder, hvor der er krav om en god nøjagtighed, f.eks. til analyser af brugen af pesticider og konsekvenser af oversvømmelser med vand både nedbør og oversvømmelser fra havet, siger Marianne Wind. Kommunerne kan desuden bruge modellen til planlægning. Kommunerne kan f.eks. sikre sig, at de ikke planlægger bebyggelse i et område, KVALITETSSIKRING Kort & Matrikelstyrelsen har sikret kvaliteten af Danmarks Højdemodel på to måder. Med kontrol ved modtagelsen af data. Her blev data kontrolleret for følgende: At der ikke var glemte steder At der ikke var højder over 200 meter eller under 40 meter (dybden blev sat sådan, fordi der er en granitgrav på Bornholm, der er så dyb) At alle filer havde det format, den struktur og den type indhold, de skulle have At der ikke ved en fejl var store ens flader med samme kvote (bortset fra søer) MED KONTROL AF DEN FÆRDIGE MODEL: At punkttætheden og fordelingen af punkter er i orden At forskellige flystriber passer i forhold til hinanden At der er den ønskede plan- og højdenøjagtighed At der ved en visuel kontrol ikke er træer eller andet, der ikke er kommet i terræn i terrænmodellen SÅDAN BLEV HØJDEMODELLEN TIL Danmarks Højdemodel er baseret på laserscanning fra fly: En stråle af laserpulser peges mod et hurtigroterende spejl, der sender impulserne ud gennem et hul i bunden af et fly. Flyets position undervejs bestemmes med GPS, og dets bevægelser måles med inertiinstrumenter (f.eks. gyroer eller accelerometre). Laserstrålen udsendt fra flyet reflekteres af terræn eller overflade, og den tid, det tager en laserpuls at bevæge sig fra flyet til overfladen og tilbage til flyet igen, er et udtryk for to gange afstanden til overfladen. Ved at korrigere for flyets bevægelse og højde, fås overfladens højde over havniveau. Højden for hvert målt punkt lagres med tilhørende længde- og breddegrad. Denne datasamling af 3D-punkter udgør den såkaldte punktsky, der er grundlaget for både terræn- og overflademodeller. Punkttætheden varierer med flyets bevægelser og overfladens beskaffenhed. For Danmarks Højdemodel er punkttætheden i gennemsnit ca. 0,45 punkt pr. kvadratmeter. Efter indsamling af data udføres et større processeringsarbejde. Der skal korrigeres for fejl i data (f.eks. refleksioner fra fugle), bygninger skal identificeres, det samme skal veje og vegetation, og så skal information om selve terrænet trækkes ud af punktskyen. De færdige modeller har en nøjagtighed i højden varierende fra få centimeter til omkring en halv meter afhængig af overfladen og det anvendte udstyr. Danmarks Højdemodel er i første omgang en terrænmodel, men i 2009 kommer også en overflademodel. Kilde: KMS 10 LANDINSPEKTØREN

6 der vil blive oversvømmet. Ligesom de kan planlægge nye boligområder mest hensigtsmæssigt. For eksempel sådan, at flest mulige huse får havudsigt, siger Marianne Wind. FORDELENE VED HØJDEMODELLEN Landinspektør Ole Gregor fra Miljøcenter Århus var ifølge eget udsagn den første herhjemme, der anvendte højder fra laserscanninger i forbindelse med miljøopgaver. Det var i år 2000, da han var ansat i Viborg Amt og modellerede Nørreådal. Det drejede sig om 50 kvadratkilometer vådarealer, der blev ændret af et nyt vandregulativ. Ole Gregor skulle finde ud af, hvordan det ville påvirke naboarealerne. Han har siden fulgt udviklingen inden for højdemåling tæt. Ifølge Ole Gregor kom Danmarks Højdemodel just in time til at blive brugt i forbindelsen med implementering af de nye vandplaner. Kommunerne kan nemlig i høj grad bruge Danmarks Højdemodel, når de skal lave handleplaner for, hvordan de vil opfylde de nye statslige vandplaner, siger Ole Gregor. Danmarks Højdemodel er også et godt redskab til at lave handleplaner i forbindelse med Natura 2000 (naturbeskyttelse, red.) og til de landskabsanalyser, som kommunerne skal lave efter planloven, siger han. Ole Gregor fremhæver særligt disse fordele ved højdemodellen: Nu kender man højderne mellem kurverne. Nu har man nye, landsdækkende data. Landskabet har jo ændret sig, og derfor skal Danmarks Højdemodel også føres ajour i fremtiden. Hvordan, hvornår og med hvilken cyklus er ikke besluttet. Nu har man detaljerede og troværdige data for de lavere arealer fra 0 til 2,5 Vi har brugt Danmarks Højdemodel til at udarbejde en strategimodel, der viser, hvad der sker med vandløb og kloakker ved mere nedbør. Birgit Paludan, Greves Forsyningsvirksomhed meter, hvilket er vigtigt for mange af de opgaver, som miljøcentre og kommuner varetager i disse år. POTENTIALE FOR FORBEDRINGER Men der er også ting, der kunne være bedre i selve højdemodellen og anvendelsen af den. Man har valgt at give højdemodellen så stor en opløsning, som man kunne. Men det betyder, at den er meget tung at arbejde med. Jeg tror, at man kommer til at lave grovere udgaver, der er lettere at arbejde med, siger Ole Gregor, der fortæller, at computerne har det meget hårdt og arbejder langsomt, især når man også har behov for at køre andre programmer ind over. Gregor mener, at det haster med at udvikle bedre teknologiske løsninger, så man ikke i så høj grad skal igennem den langsommelige proces med at gå ned på computerens harddisk og hente data. Desuden er der et massivt behov for at uddanne flere, der kan bruge værktøjer som højdemodellen, og et behov for, at de, der kan, deler viden. Efter kommunalreformen er det blevet sværere at dele viden mellem fagfolk. De opgaver, der før lå i amterne, er nu spredt ud på kommuner og miljøcentre, og navnlig i kommunerne er der så mange forskellige behov og arbejdsvilkår, at det er svært at få skabt en dialog og dele viden, siger Ole Gregor. For ham selv har kommunalreformen betydet jobskifte fra Viborg Amt til Miljøcenter Århus. Her arbejder han ikke længere med sit hjertebarn, højdemålinger, men med opgaver inden for plantilsyn og vurderinger af virkning på miljøet (VVM). Så nu er højdemåling blevet min hobby, siger han. Anholt som højdeillustration med farvekodet højdekort. Illustration: KMS Anholt efter landskabsmodellen, hvor KMS har draperet et ortofoto nedover. Illustration: KMS Højde (m) LANDINSPEKTØREN 11