Práce s digitálním modelem terénu

Ve cvičení se naučíte

vytvořit digitální model terénu v GIS včetně úpravy symbologie
zpracovat LiDARová data a následně je vizualizovat nebo použít v analýzách

Základní pojmy

digitální model terénu (DMT) – digitální reprezentace prostorových objektů (obecný pojem obsahující různé způsoby vyjádření terénního reiéfu nebo povrchu)
digitální model reliéfu (DMR) – digitální reprezentace zemského povrchu (NEbsahuje vegetaci a lidské stavby)
digitální model povrchu (DMP) – digitální reprezentace zemského povrchu (obsahuje vegetaci a lidské stavby, které jsou pevně spojené s reliéfem)
TIN – trojúhelníková nepravidelná síť, která nejlépe reprezentuje povrch jako celek

Digitální modely terénu České republiky

DMP 1G – Digitální model povrchu České republiky 1. generace (DMP 1G) představuje zobrazení území včetně staveb a rostlinného pokryvu ve formě nepravidelné sítě výškových bodů (TIN) s úplnou střední chybou výšky 0,4 m pro přesně vymezené objekty (budovy) a 0,7 m pro objekty přesně neohraničené (lesy a další prvky rostlinného pokryvu). Model vznikl z dat pořízených metodou leteckého laserového skenování výškopisu území České republiky v letech 2009 až 2013.
DMR 4G – Digitální model reliéfu České republiky 4. generace (DMR 4G) představuje zobrazení přirozeného nebo lidskou činností upraveného zemského povrchu v digitálním tvaru ve formě výšek diskrétních bodů v pravidelné síti (5 x 5 m) bodů o souřadnicích X,Y,H, kde H reprezentuje nadmořskou výšku ve výškovém referenčním systému Balt po vyrovnání (Bpv) s úplnou střední chybou výšky 0,3 m v odkrytém terénu a 1 m v zalesněném terénu. Model vznikl z dat pořízených metodou leteckého laserového skenování výškopisu území České republiky v letech 2009 až 2013.
DMR 5G – Digitální model reliéfu České republiky 5. generace (DMR 5G) představuje zobrazení přirozeného nebo lidskou činností upraveného zemského povrchu v digitálním tvaru ve formě výšek diskrétních bodů v nepravidelné trojúhelníkové síti (TIN) bodů o souřadnicích X,Y,H, kde H reprezentuje nadmořskou výšku ve výškovém referenčním systému Balt po vyrovnání (Bpv) s úplnou střední chybou výšky 0,18 m v odkrytém terénu a 0,3 m v zalesněném terénu. Model vznikl z dat pořízených metodou leteckého laserového skenování výškopisu území České republiky v letech 2009 až 2013. Dokončen byl k 30. 6. 2016 na celém území ČR. (Zdroj: ČÚZK)

Aplikace Analýzy výškopisu

Pro analýzu výškopisu ve webovém prostředí slouží mapová aplikace Analýzy výškopisu od Českého úřadu zeměměřického a katastrálního. Aplikace umožňuje provádějí základních výškových analýz nad daty DMP 1G, DMR 4G a DMR 5G. Pro každou datovou sadu nabízí několik rastrových funkcí (Stínovaný reliéf, Z-faktor apod.). Do rozhraní je možné přidat i vlastní data, a tedy zefektivnit používání aplikace v reálné praxi.

https://ags.cuzk.cz/av/
Analýzy výškopisu ČÚZK

Vybrané zdroje výškopisných dat

ČÚZK Geoprohlížeč
- ZABAGED – vrstevnice, DMP 1G, DMR 4G, DMR 5G
- INSPIRE – nadmořská výška (grid), nadmořská výška (TIN)
- Geoportál Praha – vrstevnice

Souřadnicové systémy podporované v prohlížecích a stahovacích službách resortu ČÚZK

Závazné geodetické referenční systémy na území ČR upravuje nařízení vlády č. 159/2023 Sb. v platném znění.

Název	Kód EPSG	Poznámka
S-JTSK / Krovak East North	5514	použito Křovákovo zobrazení, matem. orientace os, definováno od nultého poledníku Greenwiche
WGS 84 (geographic 2D)	4326	použito zobrazení geografickými souřadnicemi (také geografická projekce, nebo geographic 2D)
WGS 84 / UTM zone 33N	32633	použito transverzální Mercatorovo válcové konformní zobrazení (UTM zobrazení), základní poledník 15°
WGS 84 / UTM zone 34N	32634	použito transverzální Mercatorovo válcové konformní zobrazení, (UTM zobrazení), základní poledník 21°
ETRS89 (geographic 2D)	4258	použito zobrazení geografickými souřadnicemi (také geografická projekce, nebo geographic 2D)
ETRS89 / TM33	3045	použito transverzální Mercatorovo válcové konformní zobrazení (UTM zobrazení), základní poledník 15°
ETRS89 / TM34	3046	použito transverzální Mercatorovo válcové konformní zobrazení, (UTM zobrazení), základní poledník 21°

Podrobnější infromace ke Křovákovu zobrazení a UTM najdete v přednáškách Kartografie 1 (prof. Cajthaml).

Zpracování LAS

Základní pojmy

LiDAR – metoda dálkového měření vzdálenosti na základě výpočtu doby šíření pulsu laserového paprsku odraženého od snímaného objektu
LAS – datový formát mračna bodů (point cloud) získaných laserovým skenováním

Použité datové podklady

Stažení dat z ČÚZK

Z Geoprohlížeče ČÚZK lze stáhnout data laserového skenování (mračno bodů) pro Česko. Získání dat DMR 5G, DMR 4G či DMP 1G lze provést přes výběr daného podkladu v záložce Produkty. Dále po rozkliknutí ikony tří teček příslušné vrstvy v záložce Seznam vrstev je možné vybrat buď možnost Exportovat data nebo Stáhnout data (předpřipravené jednotky).

Možnosti stažení laserových dat z ČÚZK

Exportovat data – Touto možností lze data zaslat přímo na email. Zároveň je takto možné stáhnout více kladů dat najednou vlastním výběrem (nakreslením polygonu či nahráním vlastní vrstvy k výběru). Stažená data jsou ve formátu LAS.
Stáhnout data (předpřipravené jednotky) – Takto lze data stáhnout postupně dle předpřipravených kladů. Stažená data jsou ve formátu LAZ.

Převod LAZ do LAS

1. Jestliže získáme data ve formátu ZLAS nebo LAZ, je nutné mračno bodů v ArcGIS Pro konvertovat do formátu LAS pomocí funkce Convert LAS. Takto převedná data již dokáže ArcGIS načíst.

2. Do parametru Input LAS vložíme z disku vstupní soubor, který chceme převést. Zvolíme adresář výstupních dat Target Folder a případně nastavíme parametry převodu.

3. Ve druhé části funkce určíme souřadnicový systém mračna bodů.

Vizualizace LAS

1. LAS data je možné zobrazit 2D v mapě nebo 3D ve scéně (ideálně v lokální scéně). Novou scénu vytvoříme v záložce Insert – New Map – New Local Scene.

Porovnání mapy a scény — Porovnání zobrazení LAS dat ve 2D mapě (vlevo) a ve 3D scéně (vpravo)

2. Různé možnosti vizualizace LAS jsou dostupné po vybrání vrstvy mračna bodů v záložce LAS Dataset Layer. Pod ikonou Symbology

3. Výše zmíněné možnosti symbologie se dělí na tři typy: Vizualizace dle bodů, terénem či liniově. Bodové vizualizace nabízejí zobrazení barvy mračna bodů na základě jeho nadmořské výšky (Elevation) nebo klasifikace dat (Class). Mračno bodů je dále možné symbolizovat jako terén, přičemž barva může být určená nadmořskou výškou (Elevation), sklonem terénu (Slope) nebo sklonem ke světové straně (Aspect). Třetí možnost, vizualizace vrstvy pomocí linií, nabízí zobrazení vrstevnic (Contour) a hran (Edges).

Zobrazení LAS Dataset Layer

V záložce LAS Dataset Layer (po vybrání příslušného mračna bodů v Contents) lze nejen nastavovat možnosti symbologie, ale také je možné určit hustotu zobrazovaných bodů (sekce Point Thinning) nebo filtrovat body (sekce Filters).

Texturovaný LAS

1. V některých případech je výhodné mračno bodů obarvit (pokud již texturu neobsahuje v základním nastavení). Stažený LAS z ČÚZK lze otexturovat pomocí ortofota, které se stáhne podobně jako laserová data z Geoprohlížeče ČÚZK. Důležité je stáhnout data se stejným kladem, což pro zmíněná data platí.

2. Po stažení ortofota vyhledáme v Geoprocessingu funkci Colorize LAS. Jako Input Dataset určíme mračno bodů. Do parametru Input Image vložíme vybrané ortofoto a zkontrolujeme přiřazení pásem snímku.

3. Dále zvolíme výstupní adresář Target Folder a případně specifikujeme název výsledného mračna bodů či jeho kompresi.

4. Po provedení tohoto výpočtu se v nabídce Symbology, kterou jsme využívali při vizualizaci, zobrazí další možnost vizualizace mračna bodů – RGB. Po jejím zvolení se body obarví dle vstupního ortofota.

Vytvoření vrstevnic z TIN/LAS

1. Nejprve vytvoříme TIN z dat LiDARového skenování. V ArcGISu Pro je k tomu určena funkce LAS Dataset To TIN.

2. Následně je možné pževést TIN do vrstevnic funkcí Surface Contour. Funkce také umožňuje přímý převod dat LAS na vrstevnice.

Vrstevnice z TIN — Vrstevnice vytvořené z TIN

Vytvoření digitálního modelu terénu

1. Data LiDARového skenování slouží jako podklad pro vytvoření digitálního modelu terénu. V ArcGISu Pro je možné převést LAS do rastru pomocí funkce LAS Dataset To Raster.

2. Vstupními daty Input LAS Dataset jsou lasetová data ve formátu LAS. Value Field určuje hodnotu, na základě které se vypočte výstupní rastr. Jeho umístění určímě v parametru Output Raster.

3. Následně je nutné určit způsob interpolace (viz cvičení 5 GIS 2). Důležitým parametrem je Cell Size, která určuje velikost pixelu (buňky) výstupního rastru. Z factor určuje hodnotu zploštění/zvýšení hodnot rastru. V základním nastavení jej ponecháme rovný 1.

DMT z LAS — Digitální model terénu vypočtený na základě laserových dat

Odečet výšek z digitálního modelu terénu

1. Vytvoříme linii a necháme podél linie vygenerovat body ve zvolené vzdálenosti funkcí Generate Points Along Lines.

2. Nově vytvořené bodové vrstvě přiřadíme výšky z TIN/LAS/DMR funkcí Add Surface Information. Na obrázku níže je výška extrahována z TIN.

3. Do atributové tabulky přibyl nový atribut Z do kterého byla uložena výška z TIN.

Viditelnostní analýza

1. Viditelnostní analýza se provádí funkcí Geodesic Viewshed.

Porovnání mapy a scény Geodesic Viewshed — Porovnání zobrazení Geodesic Viewshed ve 2D mapě (vlevo) a ve 3D scéně (vpravo)

Generování profilu

1. Po nakreslení linie profilu se funkcí Stack Profile vygeneruje tabulka se atributem vzdálenosti od počátku a atributem výšky.

Aplikace funkce Stack Profile

2. Následně je možné vygenerovat liniový graf profilu. Jako Date or Number se nastaví pole FIRST_DIST a Numeric Field(s) se nastaví FIRST_Z. Obdobně lze generovat graf v úloze Odečet výšek z digitálního modelu terénu.