RAZVOJ METODOLOGIJE IN ORODJA ZA IZDELAVO 3D MODELA … fileMIŠIČEV VODARSKI DAN 2014 ... V okviru projekta LIVEDRAVA se bo izdelal čisti 2D model za namen monitoringa sipin v strugi

T. MIŠIČ, MSc (GIS)

- 237 - AKTUALNI PROJEKTI S PODROČJAUPRAVLJANJA Z VODAMI IN UREJANJE VODA

25. MIŠIČEV VODARSKI DAN 2014

Timotej MIŠIČ,MSc (GIS)*

RAZVOJ METODOLOGIJE IN ORODJA ZA IZDELAVO 3D MODELA STRUGE

UVOD

S pojavom in uporabo modernih načinov daljinskega snemanja, predvsem LIDAR-ja, je možna izdelava digitalinih modelov reliefa (DMR) z visoko natančnostjo. Takšni modeli se uporabljajo na najrazličnejših področjih, med drugim tudi pri izdelavi hidravličnih modelov. Zaradi narave LIDAR-skega snemanja so rezultati na območjih voda nezanesljivi, še posebno če je voda motna. Iz tega razloga se za potrebe izdelave digitalnega modela reliefa struge (DMR struge) uporabljajo druge metode. V okviru projekta LIVEDRAVA se bo izdelal čisti 2D model za namen monitoringa sipin v strugi. V ta namen smo dobili na razpolago sonarski posnetek struge z metodo fish-net, kjer se meritve izvajajo s čolnom v enakomernih, sinusnim krivuljam podobnih zavojih med enim in drugim bregom struge (Slika 1). Model reliefa, ki je podlaga za hidravlični izračun, je tako sestavljen iz DMR izven območja struge ter iz DMR struge.

Slika 1

OPIS PROBLEMA

Točke, posnete z metodo fish-net, so sicer zelo blizu, vendar so posamezni zavoji oddaljeni med seboj več deset metrov. Triangulacijski algoritem v večini programskih paketov povezuje točke s klasično Delaunayevo triangulacijo. Pri tej triangulaciji se koti znotraj trikotnikov, ki jih tvori traingulacijski algoritem, maksimirajo. Idealni primer takšne triangulacije je enakostranični trikotnik s koti 60° med stranicami trikotnika. Takšna triangulacija je primerna za večino površin, vendar predstavlja rečna struga določeno specifiko. Zaradi hidromorfnih procesov so si točke v strugi v vzdolžni smeri lahko višinsko bolj podobne kot v prečni smeri. Iz tega razloga bi bila v rečni strugi primernejša triangulacija

* Timotej MIŠIČ, MSc (GIS), Vodnogospodarski biro Maribor d.o.o., Glavni trg 19c, 2000 Maribor




z minimalnim kotom trikotnikov glede na vzdolžno os, kar je popolno nasprotje Delaunejevi zahtevi. Iz tega razloga so potrebne prilagoditve triangulacijske mreže na območju struge.

CILJI

Cilj naloge je bil izdelava DMR struge za namen 2D hidravličnega modeliranja. V ta namen smo za izdelali prilagojeno triangulacijsko mrežo, ki prisili triangulacijski algoritem k primernejšemu trianguliranju točk na območju struge. Takšna triangulacija daje bistveno bolj realistične rezultate.

METODOLOGIJA

V strokovni literaturi je kar nekaj pristopov h kreiranju DMR struge, vendar je večini prispevkov osnova sonarski posnetek prečnih profilov. V grobem lahko ločimo izdelavo triangulacijske mreže struge na podlagi dveh vrst interpolacij: interpolacije na podlagi matematičnih krivulj in linearne interpolacije. Kot primer programske opreme, ki ima implementirano interpolacijo na podlagi krivulj, je programski paket MIKE, natančneje modul MIKE 21C danskega podjetja DHI (Slika 2 levo). Tukaj se uporablja krivočrtni koordinatni sistem, ki se generira na podlagi eliptičnih diferencialnih enačb.

Slika 2

Spline interpolacijo s trirazsežnostnimi spline krivuljami so predstavili Flanagin in drugi (2005), t.i. „hydraulic spline“ (Slika 2 desno). Njihovo metodo so za samo generiranje geometrije struge implementiral tudi Mandlburger in drugi (2009). Schäppi in drugi (2010) so generirali strugo na podlagi prečnih profilov z bilinearno interpolacijo in lomnimi črtami. Generiranje DMR struge s prečno in vzdolžno linearno interpolacijo merjenih prečnih profilov so predstavili Vetter in drugi (2008). Na tej metodi temelji tudi v tem prispevku predstavljeno generiranje triangulacijske mreže. Specifika predstavljenega primera je batimetrični posnetek s fish-net metodo in ne z merjenimi prečnimi profili, kot uporabljeno Vetter in drugi (2008). V nadaljevanju je predstavljena uporabljena metoda po korakih: 1. linijska povezava posnetih točk Merjene batimetrične točke se povežejo v 3D polilinijo, okoli polilinij se kreira obodni poligon, ki predstavlja območje struge. Točke so navadno v datotekah shranjene zaporedno po času posnetka, zato lahko povezovanje točk poteka do neke mere avtomatsko, potrebni so le manjši popravki (Slika 3).




Slika 3

3. generiranje prečnih osi Pravokotno na vzdolžno os se generira poljubno število prečnih osi (Slika 4). Prečne osi so namenjene predvsem pravilnemu modeliranju širine struge, kjer se ta spreminja, natančneje oboda batimetričnega posnetka in pravilnemu prikazu delov struge, kjer ta meandrira. Medsebojna razdalja prečnih osi se zato prilagodi variabilnosti širin struge ter vzdolžni ukrivljenosti struge. Prečne osi se porežejo na robovih obodnega poligona (korak 2).

Slika 4

4. generiranje točk na prečnih oseh Vzdolž prečnih osi se generira n-število (2D) točk (Slika 5). Točke ležijo glede na vsakokratno dolžino prečne osi na enakomerni medsebojni razdalji l: l = L/(n-1) l razdalja med posameznimi točkami L dolžina posamezne prečne osi n število točk vzdolž prečne osi S takšno razporeditvijo točk je možno prilagajanje triangulacijske mreže vzdolž struge spreminjanju širine struge in meandriranja struge. Število točk določa gostoto kasnejše triangulacijske mreže. Število točk je smiselno prilagoditi predvsem gostoti točk posnetka batimetrije, torej medsebojni oddaljenosti snemanih točk.




Slika 5

5. generiranje vzdolžnih linij Na podlagi točk, generiranih vzdolž vsake prečne osi se v vzdolžni smeri izdela n-število 2D polilinij, ki linearno povezujejo točke istega reda (Slika 6).

Slika 6

6. generiranje presečnih točk vzdolžnih linij s 3D polilinijo batimetričnega posnetka V tem koraku se izvede presek med 2D polilinijami mreže in 3D polilinijo (korak 1) batimetričnega posnetka. S presekom dobimo 3D točke, ki so oporne točke za kasnejšo interpolacijo.




Slika 7

7. linearna interpolacija 2D polilinij na presečne 3D točke 2D polilinije, kreirane v koraku 5, se na podlagi presečnih točk (korak 6) linearno interpolirajo v 3D polilinije. 8. kreiranje triangulacjske mreže V zadnjem koraku se v posnetku LIDAR zamenja originalne (LIDAR) točke z zgoraj kreiranimi 3D polilinijami ter s snemanimi batimetričlnimi točkami. Na območju struge se tako izdela lastna triangulacijska mreža, pri čemer so 3D polilinije vključene v triangulacijo kot lomne črte (angl. hard breaklines).

REZULTATI

Rezultat triangulacije s pomočjo generirane mreže smo primerjali z Delaunay-evo triangulacijo. Žal iz časovnih razlogov ni bilo možno testiranje v hidravličnem modelu. Vizualna primerjava kaže, da je teren struge bolj gladek, brez ostrih robov in brez prečnih triangulacijskih linij. Po vizualni oceni zgleda tako triangulirano dno struge bolj realistično (Slika 8 - prikaz obeh modelov ima popačene višinske vrednosti, da pridejo razlike bolj med triangulacijama do izraza).

Slika 8




IZDELAVA ORODJA

Nobena od zgoraj opisanih metodologij izdelave triangulacijske mreže ni vključena v standardne CAD in GIS programske pakete, zato smo postopek s programskim skriptnim jezikom PythonTM zapisali v skript (korake 4 do 8), ki se izvaja v okolju ArcGIS. Metodologijo in orodje smo izdelali za namen projekta LIVEDRAVA, v okviru katerega se bo izdelal 2D hidravlični model.

ZAKLJUČEK

Po vizualni oceni je rezultat izdelane triangulacijske mreže na podlagi predstavljene metode bližje realnemu stanju v strugi, vendar bo šele njegova implementacija v hidravličnem modelu pokazala, kakšen hidravlični vpliv bo imela takšna triangulacija.

LITERATURA

Flanagin Maik [in drugi] Automated Terrain Generation Using LIDAR and Waterbody Survey Data [Konferenca] // Proceedings of the 2005 ACM symposium on Applied computing. - New York : [s.n.], 2005. - str. p. 1185-1189.

Mandlburger G. [in drugi] Topographische Daten aus Laserscanning als Grundlage für Hydrologie und Wasserwirtschaft [Časopis] // Österreichische Wasser- und Abfallwirtschaft. - avgust 2009. - str. pp 89-97.

Schäppi B. [in drugi] Integrating river cross section measurements with digital terrain models for improved flow modelling applications [Časopis] // Computers & Geosciences. - junij 2010. - str. pp 707-716 .

Vetter Michael [in drugi] Ableitung von Flusssohlenmodellen aus Flussquerprofilen und Integration in Airborne Laserscanning Geländemodelle mit GRASS GIS [Konferenca]. - Salzburg : Wichmann Verlag, 2008.

Documents

RAZVOJ METODOLOGIJE IN ORODJA ZA IZDELAVO 3D MODELA … fileMIŠIČEV VODARSKI DAN 2014 ... V okviru projekta LIVEDRAVA se bo izdelal čisti 2D model za namen monitoringa sipin v strugi