Bezkontaktní metody průzkumu morfologie vodních útvarů

Tags: Bathymetrie | CAPEREA | D model | GIS | Sonar | VARS

Nástroje GIS a matematického modelování zefektivňují aktivity, jako jsou výpočet záplavových území, dimenzování vodohospodářských děl a soustav nebo analýzy vodní eroze. Kvalita těchto výstupů je mj. přímo úměrná kvalitě a aktuálnosti vstupních dat. V současnosti v rámci ČR disponujeme kvalitními digitálními modely terénu a v tomto kontextu vychází bathygrafická data z měření s výrazně nižší hustotou a neaktuálností. Je to dáno především dynamikou změn dna, a tato skutečnost negativně ovlivňuje přesnost dalších analýz, např. při stanovování záplavových území nebo transformací povodní.

V tomto článku jsou uvedeny ověřené metody měření pro získání morfologických a dalších informací o vodních útvarech, které mohou pomoci snížit nejistotu výpočtů matematických modelů a také přispět k poznání dynamiky vodních útvarů z časového a prostorového hlediska. Uvedeny jsou metody klasické i ty, které umožní získání velkého množství dat v krátkých časových horizontech a s racionálními ekonomickými náklady. Důležitým aspektem je i možnost kombinace těchto dat s tradičními geodetickými metodami zaměření vodních toků a nádrží pro dosažení interoperability tradičních a moderních metod, jež nejsou doposud rutinně využívány.

Měření bathymetrie geodetickými metodami

V dosavadní vodohospodářské praxi byla pro zjištění tvaru dna toku používána metoda založená na vhodně zvolených (často pravidelně vzdálených) příčných profilech zaměřených geodetickými metodami.

Problémem je samozřejmě stabilita plavidla (vlny, proud) a také nemožnost umístění tyče na místo na dně v místech s hloubkou větší, než je dosah tyče (obvykle do 5ti metrů).

Zásadní nevýhodou metody příčných profilů je skutečnost nedostatečného podchycení útvarů dna ovlivňujících proudění vody, které se mohou nacházet v oblasti mezi zaměřenými profily, nebo zasahující pouze jeden profil. Následné zpracování takto zaměřených profilů je založeno na interpolaci dat ze sousedních profilů a proto případná absence zaměřených dnových útvarů, stejně jako jejich pouze částečné zaměření, vnášejí do vyhodnocení a přípravy reliéfů dna chyby, které mohou být významné z hlediska potřeb následného využití.

Bezkontaktní měření hloubky vícepaprskovými sonary

Vícepaprskové sonary jsou aktivní senzory, které využívají akustické signály pro měření hloubek a identifikaci vlastností dna vodního toku nebo nádrže. Sonary vysílají ke dnu sérii ultrazvukových paprsků kolmo k dráze plavidla a zaznamenávají odražené ozvěny rovnoběžně s plavební dráhou plavidla. Tím je tvořen záběr dat, jehož šířka je závislá na technickém charakteru snímače a požadavcích měření.

Měření 3D modelu terénu dna musí být podporováno dalšími doplňkovými senzory, které práci v dynamickém vodním prostředí dále zpřesňuje. Jedná se o senzory náklonu ve všech třech osách, jednotky měření GPS s centimetrovou přesností, systém pro měření rychlosti zvuku v blízkosti sonaru i v celém vodním sloupci a velice přesný kompas, které korigují chyby způsobené pohybem plavidla a rozdílnými chemicko-fyzikálními charakteristikami vodního prostředí. Hardware používaný pro vícepaprskové sonary musí podporovat zpracování objemných dat a musí mít vysoké hodnoty kapacity přenosu.

Pro následné zpracování dat z vícepaprskových sonarů je vyžadována vysoká úroveň odborníků. Koncový uživatel by měl využívat bathymetrický grid nebo analýzu datové sady zpětného odrazu (backscatter) umožňující charakterizovat dno a objekty na něm. Bathymetrický grid může být dále zpracováván na další gridové produkty. Uživatelné běžně používají barevné symbologie pro snadnou vizuální interpretaci dat. Je také možné z takovéhoto gridu získat izolinie, pro případy, kdy uživatel potřebuje znát izobáty. Nástroje, které mohou poskytovat tyto produkty, jsou dostupné v mnoha GIS technologiích a softwarech pro zpracování rastru.

Bathymetrická data z vícepaprskových datových toků mohou být spravována, editována a zpracována v softwarech výrobce systému. Některé softwary mají navíc nástroje pro možnost analýzu dat zpětného odrazu (amplitudy). Tyto nástroje obvykle obsahují některé typy spektrálních nástrojů a nástrojů pro řízení manuálního vykreslení podobných tříd prvků (klasifikace), které mohou být pak exportovány do standardních formátů v GIS. Určitým omezením dat z vícepaprskových sonarů je velká velikost souborů těchto dat, ačkoliv s vhodnou správou dat je tento problém zmírněn.

Metody bezkontaktního mapování okolního terénu

Pro stanovení kompletního modelu terénu dna vodního útvaru je vhodné doplnit bathymetrická měření zaměřením okolního terénu.
Tyto metody jsou vhodné zejména u vodních nádrží, kde je žádoucí provést zaměření celého retenčního prostoru včetně neovladatelného. Dále u zjišťování kapacit koryta vodního toku pro zajištění protipovodňové ochrany.

Laserové skenování je velmi rychlá metoda sbírání detailních a přesných dat skutečného stavu. Laserový skener vysílá okolo sebe laserový paprsek a v kruhových profilech sbírá statisíce bodů/s v prostoru okolo sebe. Těmto bodům je zaznamenána souřadnice XYZ a intenzita odrazivosti skenovaného objektu. Tato data mohou být zobrazována ve formě mračen bodů, dále analyzována, nebo z těchto dat může být vytvořen 3D model.

Moderní technologie pro měření hloubek dostupné v ČR – multifunkční plavidlo

Technologický rozvoj v oblasti měření dna se postupně promítá i do podmínek dostupných v České republice. V současné době je k měření dostupné nově vybavené multifunkční plavidlo, které má obchodní název CAPEREA ©VARS BRNO a. s., pocházející ze zkrácení anglického „Captured in real time“, čili, zachyceno v reálném čase. Tato loď je vybavená moderními technologiemi pro měření spojitého digitálního modelu dna, monitoring sedimentů a mobilním mapovacím systémem okolního terénu. Rozměry plavidla jsou vhodné pro transport po pozemních komunikacích, ale její katamaránová konstrukce zajišťuje dostatečnou stabilitu. Technologie jsou přenositelné i na malý gumový člun.

Způsob měření zajišťuje kontinuální pokrytí dna, to znamená, že dalece překonává dřívější postupy měření, kde příčné profily byly měřeny např. po 300 a více metrech. Díky homogennímu měření a následujícím přesným výpočtům dochází pouze k minimálním aproximacím a nejistotám ve výpočtu, které jsou eliminovány, v případě potřeby, vícenásobným překryvným měřením. Přesnost výsledků se s využitím těchto postupů blíží výstupům laserscanu, s jehož daty je lze vhodně kombinovat.

Pro měření na řekách a vodních nádržích je multifunkční plavidlo CAPEREA možno osadit více senzory:

• Sonar pro měření spojitého digitálního modelu terénu vícepaprskovým sonarem s velmi širokým záběrem a frekvencí 500 kHz. Výhodou sonaru je široký úhel měřicího záběru až 240°.
• Sonar pro akustické snímkování povrchu dna – technologie pro akustické snímky i při nulové viditelnosti, díky níž lze nalézt objekty pod vodní hladinou, které by mohly způsobit poškození plovoucích zařízení a strojů.
• Parametrický sonar pro měření mocnosti a stratifikace sedimentů a následné výpočty kubatur.
• GPS přijímač pro velmi přesné zaměření polohy a orientace plavidla v reálném čase pomocí kombinace poziční a směrové GPS antény,
• Senzorové systémy korekcí dat pro dosažení vysoké přesnosti.
• Doplňkové zařízení pro panoramatické snímkování a laserové skenování využitelné pro dokumentaci a zaměření terénu okolních břehů navazujících na zatopenou část území popřípadě souvisejících objektů (plavební komory, mostní konstrukce atd.).

Všechna uvedená zařízení je možné provozovat synchronně při jednom měření. Zásadní podmínkou je jejich spojení do funkčního celku, který rychle a efektivně poskytuje data do softwaru pro zpracování a analýzu naměřených dat.

Projekt VaV

Článek obsahuje informace a data z projektu QJ1520267 s názvem Systém řízení monitoringu a údržby VH infrastruktury v rámci programu Komplexní udržitelné systémy v zemědělství „KUS“ Ministerstva zemědělství s počátkem řešení projektu v roce 2015. Hlavním řešitelem je VARS BRNO a dalšími řešiteli jsou Výzkumný ústav vodohospodářský, T. G. Masaryka, v. v. i., pobočka Brno a Vysoké učení technické v Brně.

Projekt se zabývá návrhem a ověřením nástrojů a metodik pro efektivní údržbu a provoz prvků vodohospodářské infrastruktury - vodních nádrží a úprav vodních toků. Na základě výsledků analýz obrazu dna jsou prováděna rozdílová porovnání jednotlivých stavů (projektovaných, historických i současných) a stanoveny změny dna, tj. lokalizace zón sedimentace a vymílání. Morfologické změny jsou vyhodnocovány ve spojení s matematickým modelováním. Zohledňována je dynamika těchto procesů, jejich vliv na kapacitu vodních nádrží, kapacitu průtočných profilů, kapacitu protipovodňových opatření a ovlivnění plnění účelů, k nimž byla díla vybudována a zkolaudována.

Autor článku je produktovým manažerem v akciové společnosti VARS BRNO.

www.vars.cz

info@vars.cz