The use of terrestrial laser scanning in monitoring and analyses of erosion phenomena in natural and anthropogenically transformed areas

Από RemoteSensing Wiki

Αναθεώρηση της 20:46, 2 Μαρτίου 2018

Στο άρθρο αυτό οι συγγραφείς περιγράφουν 3 περιπτώσεις μετρήσεων με χρήση επίγειων συστημάτων σάρωσης ακτίνων laser (TLS). Πρόκειται για τρεις περιπτώσεις όπου μελετούνταν οι αλλαγές στο ανάγλυφο του εδάφους και φαινόμενα διάβρωσης μέσω διαφορικών μετρήσεων, δηλαδή διαχρονικής σύγκρισης απεικονίσεων του αναγλύφου των περιοχών μελέτης.

Για την μελέτη της διάβρωσης κρίνεται απαραίτητη η γνώση της έντασης της διαδικασίας, της ποσότητας του διαβρωμένου υλικού καθώς και των ακριβών θέσεων όπου πραγματοποιείται η διάβρωση από το σύνολο της περιοχής μελέτης.

Οι παραδοσιακές τοπογραφικές προσεγγίσεις για την μελέτη τέτοιων φαινομένων περιλαμβάνουν περιορισμένες μετρήσεις υψομέτρων, σημειακά, με την χρήση χωροβάτη, που οδηγούν στην δημιουργία τρισδιάστατων μοντέλων μέσω παρεμβολής με αποτέλεσμα των μετριασμό των ιδιαιτεροτήτων του εδάφους, οπότε χάνεται σημαντική πληροφορία για την πραγματική κατάσταση, ενώ παράλληλα από τον μεγάλο αριθμό μετρήσεων εισάγονται σημαντικές πιθανότητες σφάλματος ενώ υπάρχει μεγάλη απαίτηση σε χρόνο και εργασία.

Για την μέτρηση των ποσοτήτων των διαβρωμένων πετρωμάτων σε θέση κατάντι της περιοχής μελέτης χρησιμοποιούνται παγίδες ιζημάτων, οι οποίες αν και δίνουν σημαντική πληροφορία για την ποιότητα και την ποσότητα των ιζημάτων, καθιστούν την περιοχή μελέτης αχρησιμοποίητη λόγω της τοποθέτησής τους. Αυτό μπορεί να είναι σημαντικά αρνητικό στοιχείο όταν μελετάται περιοχή όπου η ανθρωπογενής επίδραση είναι βασικός παράγοντας της διάβρωσης και για την περίοδο μελέτης διακόπτεται η χρήση της εν λόγω περιοχής.

Στα στοιχεία ενδιαφέροντος ανάλογων μελετών αναφέρονται η σύνδεση της βροχόπτωσης με την ένταση και την ποσότητα της διάβρωσης καθώς και η επίδραση της τοπογραφίας και της βλάστησης στην διάβρωση. Αναφέρεται ότι TLS μέθοδοι έχουν εφαρμοστεί σε μελέτες επιφανειακών απορροών σε δασικούς δρόμους, επίδρασης εκτεθειμένων ριζών στην επιφανειακή διάβρωση και διάβρωσης σε αυλάκια πλούσιων σε οργανικό υλικό δασών.

Για τις ανάγκες της μελέτης χρησιμοποιήθηκε ένας Παλμικός Σαρωτής Laser (Pulse Laser Scanner – Leica ScanStation 2) ο οποίος κρίνεται ως πιο αξιόπιστος από τον σαρωτή φάσης (Phase Laser Scanner) λόγω μεγαλύτερης εμβέλειας και μικρότερου περιεχόμενου θορύβου στις μετρήσεις.

Η γενικότερη μεθοδολογία περιλαμβάνει την λήψη ενός νέφους σημείων (point cloud) το οποίο εν συνεχεία φιλτράρεται για την συγκράτηση των χαμηλότερων σημείων του νέφους – δηλαδή του εδάφους (εδώ χρησιμοποιείται ο ενεργός αλγόριθμος TIN της Terrascan). Ακολούθως μετά από μείωση του θορύβου γίνεται ανάλυση του νέφους με την χρήση του γεωστατιστικού εργαλείου Surfer. Με παρεμβολή (με την χρήση της μεθόδου Kriging) εξάγονται ψηφιακά μοντέλα εδάφους (DTM) για διαφορετικές εποχές μετρήσεων. Από την διαφορά των επιμέρους DTMs προκύπτει ένα μοντέλο διαφορών (όπου παρατηρείται και το μέγεθός και η έκτασή τους) στο ανάγλυφο, ενώ με ενδελεχή ανάλυση μπορούν να προκύψουν δεδομένα για την ένταση των διαβρωτικών φαινομένων.

Στην πρώτη περίπτωση μελετάται η διάβρωση σε έναν στενό δασικό δρόμο που χρησιμοποιείται κυρίως από οχήματα υλοτομίας. Πρόκειται για μία περιοχή στα όρη Izera στην Πολωνία. Αναφέρεται η συνεισφορά της συμπίεσης και απογύμνωσης του εδάφους στην αυξημένη διάβρωση, ενώ από την άλλη αναφέρεται η σημαντικότητα της διάνοιξης αυτών των οδών για την διαχείριση του δάσους. Η περιοχή αυτή μελετήθηκε από το τέλος της υλοτομικής περιόδου και μέχρι την αρχή της επόμενης.

Οι μετρήσεις έγιναν τους μήνες Ιούνιο, Αύγουστο και Νοέμβριο. Με ακρίβεια μετρήσεων 3mm έγιναν μετρήσεις σε πλέγμα διαστάσεων 3x4mm και σε απόσταση 10m. Αναφέρεται μέση πυκνότητα σημείων περίπου 33,000 σημείων/m2. Το πλέγμα που δημιουργήθηκε μέσω παρεμβολής στο λογισμικό Surfer έχει διαστάσεις 1x1cm. Προσδιορίσθηκαν από την ανάλυση θέσεις διάβρωσης και θέσεις απόθεσης. Στο μελετούμενο τμήμα μεγέθους 131 m2 αναφέρονται αλλαγές στο έδαφος λόγω διάβρωσης στο 33% της περιοχής μελέτης για την πρώτη περίοδο και 38% για την δεύτερη. Οι διαδρομές του νερού (νεροφαγιές) συγκεντρώνονται στα χνάρια από τις ρόδες των οχημάτων (βάθους 1-10cm) ενώ το υψόμετρο του συνολικού τοπίου μειώθηκε κατά 15cm. Αναφέρεται επίσης έντονη διάβρωση στα απότομα πρανή που προέκυψαν από την διάνοιξη του δρόμου. Τέλος αναφέρεται μία εκτίμηση της τάξης των 0.9m3 για την ποσότητα των διαβρωμένων υλικών, ισομοιρασμένη στις 2 περιόδους.

Η δεύτερη περιοχή μελέτης εντοπίζεται σε πρανές ορύγματος σιδηροδρομικού δικτύου στην περιοχή Mazurowice της Πολωνίας, στο οποίο εμφανίστηκε κατολίσθηση και έπειτα πραγματοποιήθηκαν εργασίες σταθεροποίησης. Από μελέτη γεωλογικών «καρότων» προκύπτουν τα ακόλουθα: τα πρώτα 2,3m του πρανούς αποτελούνται από υλικά αναχώματος, μέχρι τα 4,3m ακολουθούν αμμώδη εδάφη, ενώ χαμηλότερα εντοπίζονται άργιλοι του τριτογενούς. Προσδιορίστηκε ακόμη το κολλούβιο της κατολίσθησης καθώς και η κατεύθυνση της απορροής των υδάτων.

Εδώ οι 2 περίοδοι μετρήσεων απείχαν ένα χρόνο περίπου. Με προβολή στο ίδιο σύστημα αναφοράς των 2 νεφών σημείων και επικάλυψη των 2 μοντέλων προέκυψε το μοντέλο διαφορών το οποίο μελετήθηκε. Η ανάλυση έγινε σε 2 επίπεδα αναφοράς, αυτό του σαρωτή και αυτό του αντικειμένου (πρανούς). Ο σκοπός της δεύτερης προσέγγισης ήταν η βελτίωση της ακρίβειας μέσω καλύτερης παρεμβολής σε συνδυασμό με την επέκταση της επιφάνειας του αντικειμένου. Και στις δύο περιπτώσεις τα αποτελέσματα δείχνουν παραμορφώσεις που πιθανότατα σχετίζονται με διαβρωτικές διεργασίες κυρίως στο ανώτερο τμήμα του πρανούς που αποτελείται από αμμώδη υλικά τα οποία αποτέθηκαν στο ψηλότερο πατάρι της κατασκευής. Στην περίπτωση της αναφοράς των μετρήσεων στο επίπεδο του πρανούς αναφέρεται ο εντοπισμός 12% επιπλέον διαβρωτικών φαινομένων.

Η τρίτη μελέτη επικεντρώνεται στην περιοχή του οικισμού Janowiec στην Πολωνία όπου το καλοκαίρι του 1997 συνέβη κατολίσθηση σε πλαγιά του όρους Kurzyniec. Λασπόλιθοι, άργιλοι και αμμόλιθοι του Τεταρτογενούς αναφέρεται ότι απαρτίζουν τα πετρώματα της περιοχής της κατολίσθησης. Στο μέτωπο της κατολίσθησης εντοπίζονται κυρίως φυλλοβόλα δέντρα, ενώ στην κορυφή της βρίσκονται γεωργικές εκτάσεις. Η κατολίσθηση με έκταση 130x120m (1,1 ha) εκτείνεται σε υψόμετρα μεταξύ 295 και 225m από το επίπεδο της θάλασσας και βρίσκεται 25m ψηλότερα από το ποτάμι της περιοχής. Αναφέρεται κλίση 5% στην κορυφή η οποία αυξάνεται χαμηλότερα και φτάνει σε θέσεις 30%.

Σε αυτή την περίπτωση έγιναν σαρώσεις από πολλές διαφορετικές θέσεις με σκοπό την ακριβέστερη καταγραφή της μικρογεωμορφολογίας της περιοχής. Από το νέφος των σημείων που λήφθηκαν το 75% αφορούσε βλάστηση και το 25% αφορούσε έδαφος. Ακολούθησε η διαδικασία δημιουργίας DTM και η σύγκριση των επιμέρους DTMs μέσω μοντέλου διαφορών. Χρησιμοποιήθηκαν πάλι τα 2 συστήματα αναφοράς (σαρωτή και αντικειμένου) και προσδιορίσθηκαν οι θέσεις της εντονότερης κίνησης και ο όγκος των διαβρωμένων υλικών. Προέκυψε κοινά στα 2 συστήματα η θετική ποσότητα διαβρωμένων υλικών, η οποία σημαίνει την διόγκωση του κατώτερου τμήματος της κατολίσθησης. Η ιδιαιτερότητα του συστήματος αναφοράς του αντικειμένου προσδιορίσθηκε ότι είναι η καλύτερη προσέγγιση του συνόλου των μετακινήσεων, και ιδιαίτερα των κατακόρυφων, καθώς η κατεύθυνση των μετακινήσεων είναι περισσότερο παράλληλη στον κατακόρυφο άξονα του συστήματος αναφοράς. Με βάση αυτά αναφέρεται ότι το σύστημα αναφοράς του αντικειμένου απέδωσε 44% παραπάνω παραμορφώσεις.

Στα συμπεράσματα του άρθρου τονίζεται η ευκολία, η ταχύτητα και η μεγάλη ακρίβεια που δίνουν τα συστήματα TLS σε συνδυασμό με φωτογραμμετρικά δεδομένα και με την χρήση γεωστατιστικών και GIS λογισμικών. Στις δυνατότητες των συστημάτων αυτών αναφέρεται η άμεση καταγραφή εντάσεων κατολισθήσεων καθώς και ο προσδιορισμός του όγκου των διαβρωμένων υλικών. Ακόμη αναφέρεται η χρησιμότητα της επιλογής του συστήματος αναφοράς του αντικειμένου στην βελτίωση της ακρίβειας στον προσδιορισμό της θέσης του φαινομένου και της έντασής του, ιδιαίτερα σε απότομες πλαγιές.

[Paweł B. Dąbek1, Ciechosław Patrzałek, Bartłomiej Ćmielewski and Romuald Żmuda1, The use of terrestrial laser scanning in monitoring and analyses of erosion phenomena in natural and anthropogenically transformed areas, Cogent Geoscience (2018), Geoinformatics | Research Article]