LiDAR – kompletny poradnik. Czym jest skaning laserowy, ALS, NMT, NMPT, LAS, jak działają i gdzie szukać?

Terenowe badania powierzchniowe to jeden z podstawowych sposobów zdobywania informacji przez archeologów. Polegają na poszukiwaniu śladów zostawionych przez ludzi setki czy tysiące lat temu. Takie badania zazwyczaj wykonuje się na świeżo zaoranym polu, zbiera się fragmenty ceramiki, krzemienie, metale. Jednak jedna trzecia powierzchni Polski pokryta jest lasami, trudno dostępnymi dla badań powierzchniowych. Co się w nich kryje? Tutaj z pomocą przychodzi LiDAR!

Od kilku lat archeolodzy i wszyscy zainteresowani mają możliwość wykorzystywania danych z lotniczego skanowania laserowego zgromadzonych dzięki realizacji projektu ISOK¹⁾Informatyczny System Osłony Kraju przez nadzwyczajnymi zagrożeniami, dane udostępnia Centralny Ośrodek Dokumentacji Geodezyjnej i Kartograficznej. W ramach tegoż projektu 92,6% powierzchni Polski (288 tys. km2) zostało zeskanowane przy pomocy specjalnego urządzania – skanera laserowego przymocowanego do samolotu. Każdy z nas pewnie słyszał o radarze i LiDAR jest do niego bardzo podobny, tyle że zamiast mikrofalami mierzymy nasze otoczenie właśnie laserami. LiDAR dzieli się na kilka bardziej szczegółowych określeń w zależności od tego czym skanujemy, ale na nasze potrzeby najważniejszy jest skaning lotniczy, czyli ALS (z ang. Airborne Laser Scanning). Terminologia jest po kolei tłumaczona w tekście artykułu, a na końcu znaleźć można ściągę.

Co pokazuje lotniczy skaning laserowy?

Urządzenie to rejestruje odległość za pomocą wiązki lasera odbitej od różnych powierzchni. Dane te są korelowane z pomiarami określającymi np. pozycję samolotu oraz systemem nawigacyjnym rejestrującym ścieżkę lotu. Z pomiarów tych powstaje tzw. chmura punktów pomiarowych, posiadających informacje przestrzenne, wysokościowe (a także szereg innych, np. intensywność odbicia czy kolor).

Następnie, w wyniku długotrwałej, mozolnej obróbki następuje kalibracja, przefiltrowanie i podział chmury punktów na klasy: „punkty leżące na gruncie”, „niska, średnia lub wysoka roślinność”, „budynki i budowle inżynierskie”, „szum”. W praktyce, laser ma możliwość pomiaru powierzchni gruntu, dzięki „umiejętności przenikania” przez niektóre przeszkody, jak np. korony drzew. Z chmury punktów, przy pomocy algorytmów interpolacji, można stworzyć model – siatkę kwadratów (GRID) lub siatkę trójkątów (TIN).

Czym jest Numeryczny Model Terenu?

Wykonany na podstawie przefiltrowanych danych, cieniowany, Numeryczny Model Rerenu (NMT), udostępniony został w postaci warstwy WMTS na Geoportalu2 i stał się podstawą wielu spektakularnych odkryć. Pozwolił on archeologom zajrzeć w miejsca dotychczas trudno dostępne – pod korony drzew, na tereny podmokłe i na strome górskie stoki. Pokazując ukształtowanie terenu na obszarach zalesionych, ujawnił istnienie stanowisk, które dotychczas były praktycznie niemożliwe do odnalezienia – cmentarzysk kurhanowych, układów dawnych pól czy obronnych osad. Przyniósł także nowe informacje o obiektach już znanych, w tym grodziskach, zamkach i średniowiecznych dworach rycerskich. Przez pewien czas wydawało się, że nowa technologia umożliwi prowadzenie badań bez wstawania sprzed komputera. Czy tak jest rzeczywiście?

Średniowieczne zamki i dwory

Zamek, a w mniejszej skali dwór rycerski, był jednym z najbardziej charakterystycznych elementów średniowiecznej rzeczywistości. Pełnił szereg funkcji – od obronnej, przez rezydencjonalną, administracyjną, gospodarczą po prestiżową, będąc symbolem władzy feudalnej. Na samym tylko historycznym Śląsku zamków i dworów rycerskich jest kilkaset. Ich skala jest oczywiście różna: od monumentalnych książęcych rezydencji, rozbudowywanych także w okresie nowożytnym (jak zamki w Legnicy, Wleniu, Bolkowie, Grodźcu), przez mniejsze obiekty murowane (takie jak Chojnik, Cisy, Rogowiec), wieże mieszkalne (Siedlęcin, Świny, Chudów), zamki drewniano-ziemne, aż po niewielkie dwory średniozamożnego rycerstwa.

Dwory rycerskie były realizacją idei zamku w skali często znacznie zredukowanej. Część tych dworów była murowana i miała postać wież mieszkalnych, ale zdecydowana większość (około 90%) była wykonana z mniej trwałych elementów – drewna i gliny. Takie szachulcowe wieże stawiano na ziemnych kopcach otoczonych fosą i wałem. Tego typu siedziby znajdowały się we wsi lub były związane z funkcjonującym poza wsią folwarkiem, będącym centrum dóbr rycerskich. Poza samą siedzibą na kopcu, mogły składać się z zabudowań gospodarczych, stajni, szop, młyna, systemu stawów. Przyczyny ich opuszczania były różne. Mogło chodzić o przeniesienie się do innej siedziby lub zniszczenia, np. w wyniku pożaru.

Chociaż o zamkach i dworach historycy (w tym architektury i sztuki) oraz archeolodzy napisali już wiele, tylko nieliczne z nich zostały gruntownie przebadane. Często nie mamy pojęcia o ich dawnych rozmiarach i kształcie architektonicznym, a wiele z nich dopiero czeka na odkrycie. Czy LIDAR ma szanse to zmienić?

Poszukiwania dla każdego

„We wsi Sulików, pow. zgorzelecki, na lidarze widoczna jest twierdza bastionowa o powierzchni 7,5 hektara. Brak o niej jakiejkolwiek wzmianki w dostępnej literaturze” – czytamy na jednym z internetowych forów skupiających miłośników zamków i fortyfikacji²⁾Wspomniane umocnienia otaczały folwark, odnotowywany w źródłach historycznych już w połowie XIV w. oraz dwór wzniesiony około połowy XVI w. … Więcej. Ostatnio coraz częściej natrafić możemy na podobne, rewelacyjne komunikaty.

W tym wypadku informację zamieścił Waldemar Harko, miłośnik archeologii, autor wielu podobnych odkryć, z których niektóre zaowocowały już podjęciem interdyscyplinarnych projektów naukowych. Co ciekawe, dzięki powszechnej dostępności danych na Geoportalu, często dochodzi do równoczesnych „odkryć” przez różne osoby i ustalenie pierwszeństwa może okazać się niemożliwe. W tym kontekście wielką zaletą lidaru wydaje się powszechna dostępność do danych i potencjalna możliwość koordynacji działań badaczy z różnych regionów Polski.

Jednym z ciekawszych odkryć, dokonanym dzięki analizom cieniowanego modelu powierzchni gruntu, było określenie rzeczywistego kształtu i powodu unicestwienia zamku Meristow. Zamek ten, położony w okolicy Grodkowa, należał do nielicznej grupy zamków trzynastowiecznych, które powstały z inicjatywy prywatnej, a nie książęcej. Jego budowniczymi byli przedstawiciele możnej rodziny Panów z Pogorzeli, sprawującej najważniejsze urzędy na dworze książąt śląskich. Pojawiający się wielokrotnie w źródłach obiekt był dotąd identyfikowany z ziemnym kopcem o średnicy około 5 m, który nie odpowiadał sugerowanej przez dokumenty skali obiektu. Zagadkę rozwiązała analiza danych z lotniczego skanowania.

Okazało się, że zlokalizowany w Dolinie Nysy Kłodzkiej obiekt stał się ofiarą jednej z licznych powodzi, które opisują kroniki Kłodzka czy Nysy. Centralna część zamku została całkowicie wypłukana przez wody powodziowe. Poza odnotowanym przez archeologów kopcem, po zamku zachowały się dwa potężne wały, które dotychczas nie były utożsamiane z tym obiektem, opasujące całkiem spory obszar dawnej warowni.

Dane na Geoportalu a pliki LAS

Numeryczny model terenu (którego cieniowany obraz możemy zobaczyć na Geoportalu) pokazuje nam tylko punkty, które zostały sklasyfikowane jako leżące na powierzchni gruntu. „Wycina” nam więc pozostałe elementy – roślinność, budynki, samochody etc., a więc także lepiej lub gorzej zachowane mury średniowiecznych zamków. Jest to duże ograniczenie dla naszych badań. Czy jednak można je zobaczyć? Tak!

Analizując „surową” chmurę punktów (np. w plikach LAS, udostępnianych przez Centralny Ośrodek Dokumentacji Geodezyjnej i Kartograficznej), możemy starać się znaleźć zaginione mury. W zależności od stopnia zachowania zamku znaleźć się one mogą w klasie „budynki”, jak również w różnych klasach roślinności, możliwe także że zostały sklasyfikowane jako „szum”. Za przykład niech posłuży zamek Karpień, którego zrujnowane mury wznoszą się ok. 1-2 metry ponad powierzchnią niezalesionego obecnie wzgórza. W obrębie zamku nie ma gęstej zieleni ani współczesnej infrastruktury, która zakłóciłaby czytelność reliktów zamku. Przy niewielkim nakładzie pracy, punkty leżące na murach można uwzględnić w numerycznym modelu terenu.

Uzyskany model daje już dość realistyczny obraz fragmentów murów, nasypów, zagłębień i nierówności terenu zamku. Dodajmy, że rozdzielczość siatki NMT jest uzależniona od jakości danych, przede wszystkim gęstości chmury. W większości przypadków zagęszczanie siatki poniżej progu 40×40 cm nie powoduje zwiększenia czytelności obrazu – jako że gęstość chmury wynosi najczęściej 4-6 pkt/m2 (łącznie, punkty wszystkich klas). Oczywiście jest to obraz „realistyczny” jak na wymogi planu sytuacyjnego – nie są to dokładności porównywalne ze skanerami naziemnymi. Nie mamy przy tym pewności, czy w tworzonym przez nas modelu terenu nie znalazła się drewniana ławka, wiata turystyczna, czy zaparkowany akurat na zamku samochód. Jednak w przypadku obiektów słabo poznanych, nieposiadających dokumentacji – to i tak bardzo dużo.

Dziury w chmurach punktów

Dane z lotniczego skanowania laserowego gromadzone były w celach stworzenia systemu ostrzegania przeciwpowodziowego. Wytyczne do projektu sugerowały, aby naloty wykonywane były w okresie pozbawionym wegetacji. Jednak jak możemy się przekonać, część nalotów wykonano w okresie, kiedy liście pojawiły się na drzewach. Dodatkowo, jeśli badany obiekt porośnięty jest wyjątkowo gęstymi zaroślami lub młodnikiem, bardziej prawdopodobne, że liczba punktów, które dotrą do ziemi będzie mniejsza, a w modelu pojawią się „dziury”, które „załatane” zostaną przez algorytmy interpolacji. Przyjrzyjmy się modelowi terenu zamku Szczerba w Gniewoszowie.

Obraz numerycznego modelu terenu widoczny na Geoportalu zupełnie nie przypomina nieźle zachowanych ruin z systemem wałów i fos, jaki możemy zobaczyć na zamku w rzeczywistości. Przeglądając „surowe” dane w plikach LAS widzimy przyczynę tego stanu: chmura punktów leżących na gruncie posiada duże, kilkumetrowe luki, za które odpowiada gęsty las. Próba wyświetlenia punktów leżących na murach również napotyka na trudności: „wycięte” punkty zostały błędnie zaklasyfikowane jako różne klasy roślinności. Jak widać, nie na każdym zamku jakość danych pozwala na dokonanie spektakularnych odkryć.

Cieniowany model reliefu – czym jest Hillshade?

Obraz cieniowanego modelu reliefu, który widzimy na Geoportalu charakteryzuje się oświetleniem z kierunku NW (kąta 315˚), pod kątem 45˚. Jest to optymalny sposób oświetlenia, przy którym 90% z nas prawidłowo interpretuje obiekty wypiętrzone i zagłębione.

Ten sposób cieniowania sprawdza się dla umiarkowanie pofałdowanego terenu. W przypadku obiektów położonych na terenie górskim, takich jak zamki, ten sposób oświetlenia powoduje, że jedna strona obiektu jest prześwietlona, a druga kryje się w mroku. Rozwiązaniem tego typu sytuacji jest stosowanie oświetlenia z kilku kierunków jednocześnie. Pomocne w ujawnieniu niewidocznych struktur mogą być także inne sposoby prezentacji danych wysokościowych – analiza zboczy i SVF (z ang. Sky-view Factor). Ten ostatni to algorytm przypominający rozproszone oświetlenie, nadający większą jasność punktom o lepszej widoczności nieba z danego miejsca (przelicza zakres hemisfery z danego punktu modelu).

Widać – nie widać

Wykonane w latach 2011-2014 skanowanie lotnicze naszego kraju w ramach projektu ISOK zdobyło już obiegową sławę metody „rewolucyjnej”. Można zapytać przekornie: czy słusznie? Czy po przejrzeniu większej ilości danych możemy stwierdzić, że LIDAR pokazuje to, czego inne metody nie są w stanie pokazać?

Nie ulega wątpliwości, że jest to narzędzie niezastąpione w poszukiwaniu nowych stanowisk archeologicznych, zwłaszcza na rozległych, zalesionych terenach, których projekt ISOK objął dziesiątki tysięcy kilometrów kwadratowych. Jako archeolodzy doceniamy wysokie standardy danych z ISOK-u. Przed ich zamówieniem możemy przejrzeć model terenu w serwisie Geoportalu. Sprawdzenie współrzędnych geograficznych oraz wysokości n.p.m. w dowolnym miejscu chmury punktów to standard, a wykonanie planu warstwicowego jest stosunkowo proste i zajmuje bez porównania mniej czasu niż przy użyciu tachimetru.

Ze względu na specyfikę algorytmów do klasyfikacji punktów, łatwiej uzyskać dobrej jakości numeryczny model terenu obiektów zachowanych w formie nasypów ziemnych – co jest świetną wiadomością dla miłośników archeologii pradziejowej. Obecność budynków komplikuje proces analizy danych, a na obszarach zurbanizowanych sprawia, że LIDAR przestaje być przydatny dla archeologa.

Naszym zdaniem obszar, w którym ISOK sprawdza się najlepiej, to badania powierzchniowe prowadzone w dużej, krajobrazowej skali, takie jak analiza sieci dróg, poszukiwanie śladów robót górniczych, analiza sieci wodnej, wielkoskalowych fortyfikacji nowożytnych, badanie erozji stoków itp.³⁾Wykorzystaniu danych z Lidaru do stworzenia dokumentacji dla zamków i dworów poświęcony został projekt „Od grodu do zamku – nowe metody i … Więcej

W momencie zawężenia pola badań do pojedynczych stanowisk archeologicznych, w zależności od jakości danych, uzyskamy lepsze lub gorsze wyniki. LIDAR posiada przy tym ograniczenia, przede wszystkim trudność datowania obserwowanych struktur. Jest to swoisty numeryczny palimpsest, w którym wszystkie dawne przekształcenia powierzchni ziemi zlewają się w jeden obraz. A rozwikłanie, z którego okresu pochodzi badany przez nas zamek czy gród oraz jak przekształcano go z biegiem lat, wymaga zastosowania innych narzędzi badawczych, z których najpewniejsza jest tradycyjna łopata.

Niemniej jednak ogromna ilość danych „lidarowych” napawa optymizmem i skłania do dalszego, uważnego przeglądania cyfrowych chmur. Czytelnikom zainteresowanym bardziej szczegółowymi informacjami dotyczącymi wykorzystania produktów ISOK polecamy materiały szkoleniowe Centralnego Ośrodka Dokumentacji Geodezyjnej i Kartograficznej. Owocnych poszukiwań!

Podstawowa terminologia w dużym skrócie

LiDAR (akronim utworzony od angielskiego wyrażenia: Light Detection and Ranging) to ogólna nazwa dla całej gałęzi różnych metod skanowania za pomocą laserów. LiDAR dzieli się na kilka bardziej szczegółowych określeń w zależności od tego czym skanujemy. Najważniejsze to:

• SLS – to satelitarne skanowanie laserowe (Satellite Laser Scanning)
• ALS – to skanowanie lotnicze (Airborne laser scanning)
• MLS – to skanowanie korzystające ze skanerów przymocowanych do pojazdów naziemnych (Mobile Laser Scanning)
• TLS – to skanowanie korzystające ze statycznych urządzeń montowanych np. na trójnogach (Terrestrial Laser Scanning)

Dane uzyskane dzięki nim dzielimy ogólnie na:

• LAS – chmury punktów z wszystkimi danami pomiarowymi, są uznawane za standardowy, międzynarodowy format dla danych LiDAR (nazwa wzięta od trzech pierwszych liter ze słowa LASer)
• CMW – Cyfrowe Modele Wysokościowe – często stosowana nazwa do modeli terenu uzyskanych z przetworzenia danych, nie wiemy jednak co dokładnie pokazują (angielski odpowiednik to DEM – Digital Elevation Model)
• NMT – Numeryczny Model Terenu – stanowi reprezentację kształtu powierzchni wyłącznie terenu, w którym odfiltrowano pozostałe elementy (angielski odpowiednik to DTM – Digital Elevation Model)
• NMPT – Numeryczny Model Pokrycia Terenu – stanowi reprezentację powierzchni terenu wraz z obiektami wyrastającymi ponad jego powierzchnię jak budynki, drzewa, mosty etc. (angielski odpowiednik to DSM – Digital Surface Model)
• zaś WMTS – to standardowy protokół udostępniania danych przestrzennych w Internecie w postaci rastrowych, predefiniowanych fragmentów mapy tzw. kafli., dzięki czemu w dużym uproszczeniu możemy przeglądać różne mapy bez potrzeby ich ściągania w całości; nie jest to co prawda związane z samym LiDAREm, ale tak udostępnianie są najczęściej CMW, NMT i NMPT, przez co termin pojawia się często przy lidarowych dyskusjach (z ang. Web Map Tile Service)

Jak włączyć LiDAR w Geoportalu?

Jeszcze do niedawna by w serwisie Geoportal, by można było cieszyć się usługą przeglądania NMT, w prawym górnym rogu należało włączyć Pełny widok, Dodać Mapę, z kategorii WMTS wybrać Usługi krajowe, tam odnaleźć ISOK Cieniowanie, dodać ją do zawartości mapy i w Warstwach wybrać to co ma być włączone, a co wyłączone.

Dziś wszystko możemy bez problemu stworzyć link do naszej kompozycji mapowej i jednym kliknięciem poprowadzić zainteresowanych nie tylko do konkretnego miejsca, ale z zachowaniem konkretnych warstw. I tak:

• Numeryczny Model Terenu 1×1 m (Cieniowany model reliefu) – LINK
• Numeryczny Model Terenu 1×1 m (Cieniowanie i hipsometria) – LINK
• NMT (Przezroczystość 40%) + OpenStreetMap – LINK
• Ortofotomapa – LINK

Wszystkim polecamy oczywiście potestować wszystkie opcje samodzielnie. Klikając prawym przyciskiem na warstwę w oknie Zawartość mapy pojawia się menu z opcjami. A! Jest też wersja Geoportalu na urządzenia mobilne – Android, iOS.

Jak pobrać pliki LAS, NMT lub ortofotomapę?

Chyba najwygodniejszym sposobem na pobranie plików .LAS jest skorzystanie z wtyczki do darmowego programu QGIS (dane mogą ważyć od 200 do 600 MB)

1. Po ściągnięciu, zainstalowaniu i uruchomieniu QGISa, należy zainstalować wtyczkę „Pobieracz Danych GUGiK”. Na jednym z pasków pojawi się ikona wtyczki, a po kliknięciu na nią, włączy się menu.
2. W nim wybieramy interesującą nas opcję, a jest tego sporo, no ale np. LAS/LAZ (LIDAR)
3. I tutaj mamy parę opcji, przy czym domyślne można zostawić. Trzeba jednak wybrać jaki obszar nas interesuje. Jeśli jest to jeden obiekt to najlepiej zrobić to klikając „Pobierz przez wskazanie punktu na mapie”, ale jeśli chodzi nam o większy obszar to najlepiej wybrać wektorową z obiektami na podstawie, której program wytypuje do pobrania odpowiednie arkusze danych.
4. Po tym wystarczy potwierdzić chęć pobrania (pokaże się liczba arkuszy do pobrania)
5. A później już tylko czekać (koło koordynatów pojawi się pasek postępu)

W ten sam sposób pobrać można pozostałe interesujące nas dane.

Literatura

• BANASZEK Ł. 2015. Przeszłe krajobrazy w chmurze punktów, Poznań.
• GOJDA M., JOHN J. i in. (red.) 2013. Archeologie a letecké laserové skenování krajiny, Plzeň.
• LEGUT-PINTAL M. 2013. Lidar w badaniach nad średniowiecznymi fortyfikacjami. Przykład założeń obronnych księstwa biskupów wrocławskich [w:] III Forum Architecturae Poloniae Medievalis, K. Stalla (red.), Kraków, s. 209-222.
• LEGUT-PINTAL M. 2017. Zamki księstwa nyskiego na tle przemian krajobrazu kulturowego w średniowieczu, Wrocław.
• WĘŻYK P. i in. (red.) 2015. Podręcznik dla uczestników szkoleń z wykorzystania produktów LiDAR, Warszawa.