Zespół Systemów Informacji Geograficznej i Kartografii

Naziemny skaning laserowy - potencjalne tematy badawcze

---

Monitoring morfodynamiki stoków wysokogórskich Tatr
Zmiany rzeźby powierzchni stoków wysokogórskich w Tatrach są efektem działania procesów morfologicznych sekularnych (działających stale z niewielkim natężeniem) i krótkotrwałych, wysokoenergetycznych zdarzeń, takich jak spływy gruzowe, lawiny, obrywy, których skutkiem są nowe formy rzeźby lub znaczne zmiany w formach już istniejących. Dotychczasowa rejestracja zmian rzeźby wysokogórskiej polegała na pomiarach punktowych (np. wypełnienia lub pogłębienia niewielkiego fragmentu żlebu) i ekstrapolacji wyników na większy obszar. Pomiar taki był czasochłonny, a uzyskane wyniki jedynie szacunkowe.

W ostatnich latach podjęto próby wykorzystania precyzyjnych technik pomiarowych w badaniach procesów geomorfologicznych i ilościowej ocenie zmian rzeźby terenu. Na szczególną uwagę zasługują możliwości naziemnego skaningu laserowego, którego zastosowanie w badaniach morfodynamiki stoków wysokogórskich Alp czy gór Ahio w Japonii, przyniosło bardzo obiecujące wyniki.

Zastosowanie TLS w prowadzonych w IGiPZ PAN badaniach tatrzańskich pozwoli precyzyjnie określić mikrotopografię stoku i śledzić zmiany w jego obrębie, zachodzące wskutek procesów sekularnych i wysokoenergetycznych. W przypadku spływów gruzowych, możliwe będzie precyzyjne określenie wielkości i kształtu powstałych form, przestrzennego rozmieszczenia mikroform oraz obliczenie objętości przemieszczonego materiału. Powtórzenie w kolejnych sezonach badawczych dokładnych pomiarów nowopowstałych form, takich jak rynny czy wały spływów gruzowych, umożliwi śledzenie współczesnego ich rozwoju oraz parametryczny zapis zmian rzeźby terenu w dowolnych przedziałach czasowych.

Badania dynamiki procesów fluwialnych na przedpolu Wschodnich Himalajów (Indie)
Wschodnie Himalaje charakteryzuje duża częstotliwość zdarzeń ekstremalnych (wysokich opadów i trzęsień ziemi), sprzyjających transferowi olbrzymich ilości wody i sedymentu na przedpole gór. Działalność człowieka w takim środowisku, związana z wylesianiem na potrzeby rolnictwa, budownictwa czy eksploatacji minerałów, powoduje przyspieszenie obiegu wody i wzrost dostawy sedymentu do sieci rzecznej. Skutkiem wymienionych procesów są częste i błyskawiczne powodzie na przedpolu Himalajów, erozja brzegowa, przerzuty i agradacja roztokowych koryt rzecznych. Zjawiska te są istotnym problemem dla gospodarczego rozwoju gęsto zaludnionego podnóża Himalajów. Dokładna ilościowa analiza skutków procesów hydrologicznych i geomorfologicznych w badanym regionie nie jest jednak możliwa ze względu na brak długich serii pomiarowych przepływów, zawiesiny i ładunku dennego. Do tej pory głównym sposobem oceny skutków zwiększonej dostawy sedymentu były rzadko wykonywane (co kilka lat) profile poprzeczne koryt roztokowych o szerokości kilkuset metrów z użyciem teodolitu. Agradację koryt rzecznych szacowano jedynie w wybranych punktach poprzez wkopy w dno rzeki raz na 10-20 lat. Nie było możliwości oceny natężenia procesów erozji brzegowej, która wymaga precyzyjnego i wieloletniego monitoringu brzegów rzek.

Zastosowanie naziemnego skanera laserowego umożliwi szybszą, znacznie dokładniejszą (centymetrowej-decymetrowej rozdzielczości) i pokrywającą większy obszar rejestrację wpływu procesów fluwialnych na zmiany rzeźby terenu przedpola gór. Ma to szczególne znaczenie w przypadku dynamicznie zmieniających się obszarów erozji i depozycji w obrębie żwirodennych koryt rzek roztokowych oraz erozji brzegów rzek wskutek częstych wezbrań. Określenie tempa agradacji koryt rzecznych i natężenia erozji brzegowej na przedpolu Wschodnich Himalajów ułatwi wydzielanie obszarów stabilnych (potencjalnie bezpiecznych) i niestabilnych o dużej dynamice zmian (nie nadających się do zajęcia pod osadnictwo, rolnictwo czy budowę infrastruktury), np. często zalewanych lub z intensywną erozją brzegową. Ponadto wyniki badań mogą zostać wykorzystane w praktyce przy projektowaniu wysokości wałów przeciwpowodziowych i do obliczeń parametrów hydraulicznych kanałów irygacyjnych.

Osuwiska odgrywają znaczącą rolę w modelowaniu powierzchni stoków na obszarze Karpat fliszowych. Szacuje się, że na obszarze Polski występuje ok. 50 000 jednostek osuwiskowych, z czego ok. 95% na obszarze Karpat Polskich. Ich powstawanie, uruchamianie się i dynamika ruchu są uzależnione przede wszystkim od budowy geologicznej podłoża oraz warunków opadowych (występowanie długotrwałych opadów rozlewnych lub roztopów), wpływających na uwilgotnienie terenu i głębokość zwierciadła wód podziemnych. Ogół tych czynników wpływa na „naruszenie” stanu równowagi stoku i determinuje początek ruchu.

Działalność Stacji Naukowo-Badawczej IGiPZ PAN w Szymbarku związana z tego rodzaju procesami geomorfologicznymi rozpoczęła się już pod koniec lat 60. XX w., tuż po jej założeniu (historia i profil badań). W ostatnich latach pracownicy Stacji biorą czynny udział w kartowaniach w ramach projektu Systemu Osłony PrzeciwOsuwiskowej (SOPO). Kartowania wykonywane na terenie gminy Łużna w 2011 r. wykazały wystąpienie świeżych form z 2010 i 2011 r., które zaproponowano włączyć do monitoringu instrumentalnego. 

Naziemny skaning laserowy stanowi niezwykle wartościowe narzędzie w monitoringu osuwisk, zwłaszcza że dotychczas doraźna rejestracja wykonywana była jedynie poprzez „obrys” za pomocą ręcznych urządzeń GPS. Szczególnie na świeżych formach, z wyraźnymi elementami rzeźby wewnątrzosuwiskowej (szczeliny, skarpy, pagóry), stanowiącymi jednoznaczne i bezdyskusyjne repery, stosowanie instrumentarium pomiarowego tak precyzyjnego i bogatego pod względem liczebności zbieranych danych, pozwoli na precyzyjną rekonstrukcję rozwoju młodej formy w czasie, w określonych i opróbowanych warunkach meteorologicznych. W ostatnich kilkunastu latach obserwuje się wzmożoną intensywność procesów osuwiskowych, stąd zainteresowanie badawcze tą problematyką jest coraz większe i potrzebne również ze względów aplikacyjnych. Stacja Naukowo-Badawcza w Szymbarku ma w tym zakresie prawie pół wieku doświadczeń, a możliwość wykorzystania skaningu laserowego w wieloletnim monitoringu jest wprost nieoceniona.

W ostatnich latach w Zakładzie Zasobów Środowiska i Geozagrożeń prowadzono prace nad oceną dynamiki procesów osuwiskowych w rejonie Świecia (erozyjny odcinek brzegów Wisły), Grudziądza, Fordonu oraz nad Zbiornikiem Włocławskim. Dotychczas wykorzystywany tachimetr Leica TC500 posiada liczne ograniczenia (np. brak rejestratora). Ponadto wykonanie pomiarów na jednym stanowisku w urozmaiconym terenie jest bardzo czasochłonne i mało efektywne. Wykorzystanie naziemnego skanera laserowego umożliwi wielokrotnie szybszą pracę, a tym samym włączenie do monitoringu znacznie większej liczby obiektów. Ponadto dotychczasowe pomiary o charakterze dyskretnym zastąpione zostaną „chmurą punktów”, co umożliwi niemal ciągłą obserwację zmian zachodzących na całym osuwisku i określenie najbardziej aktywnych stref, co w powiązaniu z wykonywanym rozpoznaniem budowy geologicznej pozwoli na kompleksową analizę procesów geodynamicznych.

Możliwość wielokrotnego, powtarzalnego i bardzo dokładnego pomiaru za pomocą TLS sprawia, iż system ten jest bardzo obiecującym narzędziem w badaniach aktywnych fragmentów stref brzegowych. Z powodzeniem był on dotychczas testowany w badaniach zmian morfologii klifów morskich w Wielkiej Brytanii, Polsce i Grecji oraz transportu eolicznego w tym obszarze. Natomiast w literaturze brak dotychczas doniesień o badaniach stref brzegowych sztucznych zbiorników wodnych. Możliwość prowadzenia detalicznego, przestrzennego monitoringu pozwoli na pozyskanie danych dotyczących tempa, kierunków i wielkości zmian zachodzących w obrębie strefy brzegowej i to nie tylko w przekrojach poprzecznych, które są w chwili obecnej podstawową płaszczyzną prowadzonych pomiarów, ale co niezwykle istotne – w ujęciu przestrzennym.

System ten może być zastosowany nie tylko w badaniach tempa recesji klifu, ale co istotniejsze zmian morfologii całych powierzchni ścian klifu, dynamiki ruchów masowych (m.in. osypiska, osuwiska, obrywy), zmian morfologii form akumulacyjnych i tempa ich przemieszczania. Ze względu na szybkość prowadzonych pomiarów z wykorzystaniem TLS, badania takie mogą być powtarzane z dużą częstotliwością, np. po sytuacji sztormowej czy częstych na sztucznych zbiornikach wodnych skrajnie wysokich stanach wody, które są momentami przełomowymi dla rozwijającej się strefy brzegowej. Z zastosowaniem dotychczasowych narzędzi byłoby to niezwykle trudne (kosztowne i czasochłonne) do uchwycenia. 

W ostatnich latach Zakład Zasobów Środowiska i Geozagrożeń w Toruniu bierze także udział w projektowaniu sztucznych zbiorników wodnych. Do naszych zadań należy wskazanie i dobór optymalnych rozwiązań w jak najmniejszym stopniu ingerujących w środowisko. Dzięki systemowi TLS w połączeniu z precyzyjnym pozycjonowaniem GPS możliwe stanie się dokumentowanie stanowisk przed powstaniem zbiorników, a także tworzenie analiz bezpiecznego zasięgu piętrzenia z uwagi na obecność zabudowy oraz cennych przyrodniczo obiektów. W późniejszym okresie naziemny skaning laserowy pozwoli monitorować przemiany w środowisku, w tym m.in. zanikanie roślinności i abrazję brzegów.

W Zakładzie Zasobów Środowiska i Geozagrożeń w Toruniu od kilku lat prowadzone są prace nad rozpoznaniem sposobów kształtowania się równiny zalewowej dużych rzek nizinnych – zarówno w ujęciu paleogeograficznym, jak i współczesnym. Jednym z kluczowym zagadnień jest określenie sposobów wypełniania równiny, bocznych koryt oraz analiza procesów sedymentacyjnych zachodzących w trakcie wezbrań, gdy dochodzi do znacznych modyfikacji ukształtowania terenu. Dotychczas możliwość rejestracji tych zjawisk istniała jedynie za pomocą dokumentacji fotograficznej lub żmudnych pomiarów geodezyjnych, które to nie dawały możliwości wychwycenia zmian na większym obszarze. Wykorzystanie TLS pozwoli na dokumentację ukształtowania dna równiny zalewowej przed wystąpieniem zjawisk wezbraniowych oraz bezpośrednio po nich. Możliwe stanie się dokładne zarejestrowanie zmian oraz ocena erozji i akumulacji materiału na poszczególnych odcinkach doliny. Pomoże to w ocenie tempa zachodzących procesów geodynamicznych w obrębie doliny rzecznej oraz umożliwi szybką dokumentację zarówno form epizodycznych, jak i tych powstałych w wyniku zdarzeń katastrofalnych (np. skutki geomorfologiczne przerwania wałów przeciwpowodziowych).

Osobnym zagadnieniem jest monitoring procesów erozyjnych koryt rzecznych. Dotyczy to zarówno dużych rzeki takich jak Wisła, jak i niewielkich rzek nizinnych. Aktualnie realizowane są prace mające na celu ocenę skutków niewłaściwego funkcjonowania Małych Elektrowni Wodnych – przykładowo w dorzeczu Zgłowiączki obserwuje się zwiększenie intensywności niszczenia brzegów z powodu dynamicznych zrzutów wody. Wykorzystanie TLS pozwoli na szybkie komentowanie zmian zachodzących na wrażliwych fragmentach brzegów.

Badania prowadzimy także w strefie krawędziowej doliny dolnej Wisły rozczłonkowanej licznymi wcięciami erozyjnymi, z których wiele pozostaje aktywnych. Dzięki wykorzystaniu TLS można będzie dokonać bilansu erozji i denudacji zachodzącej na stromych zboczach dolinek. Prace dokumentujące takie zjawiska były już prowadzone w Wąwozie Czerwonej Wody koło Świecia z wykorzystaniem technik geodezyjnych, jednak z powodu ograniczeń sprzętowych musiały zostać przerwane.

Realizowany obecnie ogólnopolski projekt ISOK w wielu przypadkach obejmuje również strefę krawędziową. Dzięki integracji ALS i TLS możliwa będzie ocena zmian zachodzących na zboczach, na których nie prowadzono dotychczas pomiarów. Prace związane z integracją lotniczego i naziemnego skaningu laserowego prowadziliśmy już wcześniej we współpracy z Wojskowym Instytutem Geograficznym w Warszawie – dotyczyły one Osuwiska Centralnego w Dobrzyniu nad Wisłą (Zbiornik Włocławski).

Naziemny skaning laserowy wykorzystuje się z powodzeniem do określania następujących, analitycznych cech drzewostanów: średniej wysokości drzewostanu, miąższości związanej z wysokością drzewa, grubości pni na różnych wysokościach, gatunku drzewa, pola przekroju i stopnia defoliacji, liczby drzew i ich lokalizacji w przestrzeni, powierzchni poszczególnych koron. Na podstawie danych analitycznych możliwe jest określanie wielu charakterystyk pochodnych, takich jak np. biomasa pojedynczych drzew i całych drzewostanów oraz pionowy profil zmienności biomasy.

Niepublikowane jeszcze wyniki analiz, prowadzonych na obszarze Biebrzańskiego Parku Narodowego w ramach projektu LIFE09 NAT/PL/000258 „Renaturyzacja sieci hydrograficznej w Basenie Środkowym doliny Biebrzy”, wskazują na możliwość określania analogicznych cech w odniesieniu do roślinności nieleśnej, przy czym należy brać pod uwagę możliwość niedoszacowania wysokości i pośrednio biomasy w odniesieniu do krzewów i roślinności niezdrewniałej. Określanie powyższych charakterystyk szaty roślinnej (pojedynczego drzewa, małego obiektu, płatu roślinności lub mozaiki płatów) może być celem samym w sobie, lub też może stanowić część szerszych badań tematycznych.

Dane TLS powinny znaleźć zastosowanie w następujących kierunkach badań prowadzonych od wielu lat w Zakładzie Geoekologii i Klimatologii w Warszawie:

• badania na transektach i stałych powierzchniach w borach sosnowych Europy w celu określenia zależności między zróżnicowaniem klimatycznym a produkcją i zapasem węgla w różnych częściach składowych ekosystemu leśnego, przy uwzględnieniu indykacyjnej roli charakterystyk strukturalnych drzewostanu,
• wyróżnianie krajobrazowych jednostek przestrzennych i ich charakterystyka, szczególnie w badaniach wielkoskalowych na małych powierzchniach w urozmaiconym krajobrazie (górski, pojezierny itd.), 
• określanie strukturalnej i funkcjonalnej reakcji ekosystemów na stres i czynniki zakłócające,
• ekologiczna charakterystyka typologicznych (fitosocjologicznych) jednostek roślinności.

W przyszłości naziemny skaning laserowy powinien być jedną ze standardowych metod pozyskiwania danych charakteryzujących geobotaniczne powierzchnie badawcze. Należy tu podkreślić, że mogą być one stosowane i interpretowane niezależnie od innych technik badawczych, choć zaleca się łączne wykorzystywanie różnych źródeł danych teledetekcyjnych, w tym przede wszystkim zdjęć hiperspektralnych oraz stosowanie przy tym różnych modeli ekosystemu i krajobrazu.

W literaturze światowej w ostatnich kilku latach pojawiły się prace opisujące możliwości wykorzystania TLS w modelowaniu trójwymiarowym – zarówno obiektów przyrodniczych, jak i antropogenicznych. Szczególnie zachęcające są wyniki badań form antropogenicznych rzeźby, pokrywy śnieżnej i ruchów masowych. W Polsce zagadnienia powyższe analizowane były do tej pory niemal wyłącznie za pomocą metod wykorzystujących tradycyjne techniki obrazowania powierzchni ziemi. Zdjęcia lotnicze nie są jednak w stanie oddać z odpowiednią szczegółowością bogatej rzeźby terenów górskich (jary potoków, urwiska, debry), a ukryte pod koronami drzew pozostałości po dawnym użytkowaniu ziemi (miedze, terasy rolne, grodziska, drogi) nie są w ogóle widoczne.

W sukurs przychodzi obecnie technologia skaningu laserowego, a zwłaszcza integracja ALS z niezwykle dokładnymi pomiarami TLS. W Zakładzie Geoekologii i Klimatologii od ponad 15 lat prowadzone są badania dotyczące historycznych zmian struktury krajobrazu oraz trwałości i funkcji antropogenicznych form rzeźby w Karpatach – zwłaszcza w Bieszczadach i na Pogórzu Przemyskim. Możliwość wykorzystania naziemnego skaningu laserowego otworzy zupełnie nowe perspektywy analityczne, dotyczące m.in. trwałości i funkcji ekologicznych form antropogenicznych rzeźby ukrytych pod koronami drzew (grodzisk średniowiecznych, miedz, teras rolnych, dróg, elementów zabudowy) oraz znaczenia współczesnych dróg zrywkowych w kształtowaniu rzeźby i obiegu wody w lasach górskich. Rejestracja stanu zachowania pozostałości po dawnych siedliskach we wsiach opuszczonych przez ludność byłaby nie tylko próbą pionierską, ale także elementem, który chcielibyśmy zaproponować jako część składową przyszłych operatów kulturowych wykonywanych w ramach Planu Ochrony Bieszczadzkiego Parku Narodowego. W kręgu naszych zainteresowań leży także analiza przestrzenna dystrybucji błędów numerycznych modeli terenu tworzonych za pomocą technik tradycyjnych i TLS.

W latach 2000–2002 pracownicy Zakładu Geoekologii i Klimatologii brali udział w projekcie Instytutu Badawczego Leśnictwa pt. „Podstawy trwałej i zrównoważonej gospodarki leśnej w Leśnych Kompleksach Promocyjnych”, w ramach którego realizowali zadanie „Martwe drewno i jego funkcje ekologiczne w lasach zagospodarowanych i rezerwatach wybranych Leśnych Kompleksów Promocyjnych”. Podjęto wtedy nowatorską próbę modyfikacji i weryfikacji nieznanej w Polsce metody linii siecznych służącej do pomiaru nekromasy drzewnej, a także przedstawiono jedne z pierwszych wyników oceny zasobów leżaniny na wybranych stanowiskach w lasach gospodarczych oraz postulaty i propozycje nowych zasad postępowania z martwym drewnem.

W dobie postępującej ekologizacji leśnictwa bardzo ważnym zadaniem jest sformułowanie ostatecznych zasad gospodarowania martwym drewnem w postaci wieloletniej, ogólnokrajowej strategii uwzględniającej problematykę leśną, ekologiczną i ekonomiczną. Umożliwić to może jedynie sprawne rozpoznanie rzeczywistego zasobu leżaniny w różnych ekosystemach leśnych całego kraju. Mimo dużej popularności naziemnego i lotniczego skaningu laserowego w leśnictwie bardzo rzadkie na świecie są jednak próby szacowania za jego pomocą zasobów martwego drewna (np. w postaci modeli różnicowych). Inwentaryzacja leżaniny na podstawie cyfrowego obrazu jej rozkładu przestrzennego na dnie lasu byłaby nie tylko procedurą wielokrotnie szybszą od bardzo czasochłonnych pomiarów terenowych, ale także wyzwaniem metodycznym (opracowanie odpowiednich algorytmów filtracji punktów).