Możliwości wykorzystania bezzałogowej fotogrametrii lotniczej do identyfikacji przekształceń antropogenicznych w korytach rzecznych

• Autorzy: Witek M. , Jeziorska J. , Niedzielski T.

Identyfikatory

DOI

http://dx.doi.org/10.12657/landfana.024.012

Warianty tytułu

EN

Possibilities of using unmanned air photogrammetry to identify anthropogenic transformations in river channel

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Przestrzenny charakter antropogenicznych zmian w obrębie koryt rzecznych wymaga zastosowania metod i narzędzi umożliwiających nie tylko jakościową, ale i ilościową ich analizę. Pomiary geodezyjne są bardzo dokładne, lecz kosztowne i czasochłonne, co sprawia, że regularne pomiary, potrzebne do określenia dynamiki form fluwialnych, są trudne do zrealizowania. Tradycyjna fotogrametria lotnicza jest wartościowym źródłem informacji jedynie w przypadku analizy dużych obiektów. Skala, w jakiej najczęściej wykonywane są zdjęcia lotnicze, nie zapewnia wystarczającej szczegółowości do analizy niewielkich form rzeźby. W niniejszej publikacji zaprezentowane zostanie użycie bezzałogowego statku powietrznego (ang. UAV, Unmanned Aerial Vehicle), który wypełnia lukę między pomiarami naziemnymi a tradycyjną fotogrametrią czy analizą obrazów satelitarnych. Ultralekki bezzałogowy statek powietrzny swinglet CAM wyposażony jest w kompaktowy aparat fotograficzny wykonujący sekwencje zdjęć, które po przetworzeniu mogą służyć jako źródło kartometrycznych danych przestrzennych. Zniekształcenia geometryczne zdjęć oraz zniekształcenia spowodowane pochyleniem aparatu i rzeźbą terenu są usuwane w procesie wieloetapowego przetwarzania. Dzięki wysokiej rozdzielczości materiałów obserwacyjnych (do 3 cm px–1), wygenerowane ortofotomapy umożliwiają analizę niewielkich obiektów. Teren badań – Kotlina Kłodzka – jest doskonałym przykładem występowania zmian fluwialnych o podłożu antropogenicznym i – z uwagi na ten fakt – został wybrany jako obszar testowy do prezentacji możliwości bezzałogowego statku powietrznego w zakresie zdalnego wykrywania omawianych form. Wyniki potwierdzają dużą szczegółowość pozyskanych materiałów, co – w połączeniu z niskimi kosztami misji lotniczych oraz łatwością dostosowania parametrów i czasu realizacji lotów – jednoznacznie pokazuje, że zastosowana technologia jest odpowiednim narzędziem do obserwacji antropogenicznych form fluwialnych i może przyczynić się do rozwiązywania wielu problemów badawczych dotyczących ich roli w kształtowaniu procesów hydrologicznych.

EN

Spatial character of anthropogenic fluvial changes requires the use of methods and tools eligible for not only qualitative, but also quantitative analysis. Geodetic surveys are very accurate, but time and cost consuming, what makes repetitive measurements needed for determining the dynamics of fluvial landforms hard to perform. Traditional aerial photogrammetry is a valuable source only for examining features visible in a small cartographic scale. Hence, small fluvial forms cannot be observed using traditional aerial photogrammetry due to its limitations in resolution. Unmanned Aerial Vehicles (UAVs), presented extensively in this paper, serve as the additional source of high-resolution spatial information and thus fill the gap between terrestrial measurements and traditional aerial photogrammetry as well as satellite data. Ultra-light unmanned aircraft swinglet CAM, with consumer – grade camera onboard, provides sequences of pictures, which after geoprocessing can serve as source of spatial data eligible for quantitative measurements. Geometric incorrectness of the acquired pictures and distortions caused by tilt and relief are removed in the process of multistep processing. Due to high resolution of the observational material (up to 3 cm px-1) the generated orthophotomaps are appropriate for the analysis of small fluvial features. The study area – namely Kłodzko County – serves as a great example of assemblages of anthropogenic fluvial changes and – due to this fact – has been chosen as a test area to present potentials of UAV in observing the aforementioned landforms. The results confirm a great accuracy of the collected materials, which – in combination with low cost surveys, ease of parameter adjustment and flight schedule – unequivocally shows that the applied technology is an appropriate tool for observing anthropogenic fluvial forms, and thus may contribute to solutions of numerous research problems related to hydrological processes impacted by human interventions.

Słowa kluczowe

PL

bezzałogowy statek powietrzny; wysokorozdzielcze ortofotomapy; koryta uregulowane; zabudowa hydrotechniczna; Ziemia Kłodzka

EN

UAV; unmanned aerial vehicles; high-resolution orthophotomap; regulated channels; hydraulic engineering structure; Kłodzko District

• Wydawca: Stowarzyszenie Geomorfologów Polskich
• Czasopismo: Landform Analysis
• Rocznik: 2013
• Tom: Vol. 24
• Strony: 115--126
• Opis fizyczny: Bibliogr. 44 poz., rys.

Twórcy

autor

Witek M.

• Instytut Geografii i Rozwoju Regionalnego, Uniwersytet Wrocławski, Wrocław

autor

Jeziorska J.

• Instytut Geografii i Rozwoju Regionalnego, Uniwersytet Wrocławski, Wrocław

autor

Niedzielski T.

• Instytut Geografii i Rozwoju Regionalnego, Uniwersytet Wrocławski, Wrocław

Bibliografia

• Bates P.D., De Roo A.P.J., 2000. A simple raster-based model for flood inundation simulation. Journal of Hydrology 236(1–2): 54–77.
• Brasington J., Rumsby B.T., McVey R.A., 2000. Monitoring and modelling morphological change in a braided gravel-bed river using high resolution GPS-based survey. Earth Surface Processes and Landforms 25: 973–990.
• Chiabrando F., Nex F., Piatti D., Rinaudo F., 2011. UAV and RPV systems for photogrammetric surveys in archaelogical areas: two tests in the Piedmont region (Italy). Journal of Archaeological Science 38: 697–710.
• Dobrowolski A., Głowacka B., Krupa-Marchlewska J., 2004. Określenie zmian morfologicznych koryta Wisły powyżej Warszawy w oparciu o lotnicze zobrazowania terenu metodą wideo-komputerową. Teledetekcja Środowiska 33: 52–57.
• Grenzdörfer G.J., Guretzki M., Friedlander I., 2008. Photogrammetric image acquisition and image analysis of oblique imagery – a new challenge for the digital airborne system PFIFF. Photogrammetric Record 12/2008: 372–386.
• Herget J., 2000. Holocene development of the River Lippe Valley, Germany: A case study of anthropogenic influence. Earth Surface Processes and Landforms 25: 295–305.
• Kasprzak M., Migoń P., 2010. Prognozowanie geomorfologicznych skutków wezbrań i powodzi. W: P. Migoń (red.), Wyjątkowe zdarzenia przyrodnicze na Dolnym Śląsku i ich skutki. Rozprawy Naukowe Instytutu Geografii i Rozwoju Regionalnego Uniwersytetu Wrocławskiego 14: 269–290.
• Knight D.W., Brown F.A., 2001. Resistance studies of overbank flow in rivers with sediment using the flood channel. Journal of Hydraulic Research 39: 283–301.
• Kondolf G.M., 1997. Hungry water: effects of dam and gravel mining on river channels. Environmental Management 21(4): 533–551.
• Korpak J., 2007a. Morfologiczna rola budowli regulacyjnych w górskich systemach fluwialnych. Praca doktorska. Uniwersytet Jagielloński, Kraków: 277.
• Korpak J., 2007b. The influence of mountain river training on Chanel changes (Polish Carpathian Mountains). Geomorphology 92: 166–181.
• Korpak J., Krzemień K., Radecki-Pawlik A., 2009a. Wpływ budowli regulacyjnych i poboru rumowiska na koryta rzek i potoków górskich – wybrane przykłady z rzek karpackich. Gospodarka Wodna 7: 274–281.
• Korpak J., Krzemień K., Radecki-Pawlik A., 2009b. Wpływ działalności człowieka na funkcjonowanie górskich systemów fluwialnych. Czasopismo Techniczne 2-A, 10. Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej.
• Kościelniak J., 2005. Skuteczność hydrotechnicznych regulacji koryta górskiej rzeki na przykładzie Białego Dunajca. W: A. Kotarba, K. Krzemień, J. Święchowicz (red.), Współczesna ewolucja rzeźby Polski. IGiGP UJ, Kraków: 221–226.
• Küng O., Strecha C., Beyeler A., Zufferey J.-C., Floreano D., Fua P., Gervaix F., 2011. The accuracy of automatic photogrammetric techniques on ultra-light UAV imagery. International Archives of the Photogrammetry. Remote Sensing and Spatial Information Sciences XXXVIII-1/C2: 125–130.
• Lane S.N., 2000. The measurement of river channel morphology using digital photogrammetry. The Photogrammetric Record 16: 937–961.
• Latocha A., 2009. Wpływ działalności człowieka na procesy korytowe na przykładzie Nysy Kłodzkiej między Bystrzycą Kłodzką a Kłodzkiem. Przyroda Sudetów 12: 99–122.
• Loveless J.H., Sellin R.H.J., Bryant T.B., Wormleaton P.R., Catmur S., Hey R., 2000. The effect of overbank flow in a meandering river on its conveyance and the transport of graded sediments. Water and Environment Journal 14: 447–455.
• Marcus W.A., Fonstad M.A., 2008. Optical remote mapping of rivers at sub-meter resolution and watershed extents. Earth Processes and Landform 33: 4–24.
• Mikuni A.M., 1996. Digital Orthophoto Production. W: C. Greve (red.), Digital Photogrammetry – An Addendum to the Manual of Photogrammetry. American Society of Photogrammetry, Bethesda, MD.
• Niethammer U., James M.R., Rothmund S., Travelletti J., Joswig M., 2012. UAV-based remote sensing of the Super-Sauze landslide: Evaluation and results. Engineering Geology 128: 2–11.
• Paine D., Kiser J., 2003. Aerial Photography and Image Interpretation. 2nd ed. John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey.
• Radecki-Pawlik A., Bencal J., Kowalski M., Radecki-Pawlik B., 2005. Zróżnicowanie warunków hydrodynamicznych i granulometrycznych podczas tworzenia się łachy środkowo-korytowej w potoku górskim o dnie żwirowym. Infrastruktura i Ekologia Terenów Wiejskich 4: 115–130.
• Shaw E.M., Beven K.J., Chappell N.A., Lamb R., 2011. Hydrology in Practice. Fourth Ed. Spon Press (Taylor and Francis), London.
• Singh M., Singh I.B., Müller G., 2007. Sediment characteristics and transportation dynamics of the Ganga River. Geomorphology 86: 144–175.
• Slama C. (red.), 1980. Manual of Photogrammetry. American Society of Photogrammetry, Falls Church, VA.
• Słowik M., 2011. Changes of river bed pattern and traces of anthropogenic intervention: The example of using GPR method (the Obra River, western Poland). Applied Geography 31: 784–799.
• Somodi I., Carni A., Ribeiro D., Podobnikar T., 2012. Recognition of the invasive species Robinia pseudacacia from combined remote sensing and GIS sources. Biological Conservation 150: 59–67.
• Surian N., 1999. Channel changes due to river regulation: the case of the Piave River, Italy. Earth Surface Processes and Landforms 24: 1135–1151.
• Tarboton D.G., Bras R.L., Rodriguez-Iturbe I., 2006. On the extraction of channel networks from digital elevation data. Hydrological Processes, Special Issue: Digital Terrain Modelling in Hydrology 5(1): 81–100.
• Turner D., Lucieer A., Watson C., 2012. An Automated Technique for Generating Georectified Mosaics from Ultra-High Resolution Unmanned Aerial Vehicle (UAV) Imagery, Based on Structure from Motion (SfM) Point Clouds. Remote Sensing 4: 1392–1410.
• Vallet J., Panissod F., Strecha C., Tracol M., 2011. Photogrammetric Performance of an Ultra Light Weight Swinglet “UAV”. W: H. Eisenbeiss, M. Kunz, H. Ingensand (red.), SPRS Archives, Vol. XXXVIII-1/C22, International Conference on Unmanned Aerial Vehicle in Geomatics (UAV-g), 14–16 September, Zurich, Switzerland: 253–258.
• Vandenberghe J., van Overmeeren R.A., 1999. Ground penetrating radar images of selected fluvial deposits in the Netherlands. Sedimentary Geology 128: 245–270.
• Vassilopoulou S., Hurni L., Dietrich V., Baltsavias E., Pateraki M., Lagios E., Parcharidis I., 2002. Orthophoto generation using IKONOS imagery and high-resolution DEM: a case study on volcanic hazard monitoring of Nisyros Island (Greece). ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing 57: 24–38.
• Verbanck M.A., 2008. How fast can a river flow over alluvium? Journal of Hydraulic Research 46, Supplement 1: 61–71.
• Verhoeven G., Doneus M., Briese C., Vermeulen F., 2012. Mapping by matching – A computer vision-based approach to fast and accurate georeferencing of archaeological aerial photographs. Journal of Archaeological Science 39: 2060–2070.
• Warmink J.J., Dohmen-Janssen C.M., Schielen R.M.J., 2012. Bed form evolution under varying discharges, flume versus field. W: R.R. Murillo Muñoz, River Flow 2012. Taylor & Francis Group, London: 183–190.
• Wieczorek B., Glińska-Lewczuk K., Sobieraj A., 2012. Geoinformation technologies in the identification of meandering section of the river. W: R. Seppelt, A.A. Voinov, S. Lange, D. Bankamp (red.), Proceedings of 2012 International Congress on Environmental Modelling and Software.
• Witek M., 2007. Wpływ zabudowy hydrotechnicznej na procesy w korycie Bystrzycy Dusznickiej. MS, Wrocław: 207.
• Witek M., 2010a. Funkcjonowanie górskich systemów fluwialnych w warunkach regulacji na przykładzie koryta Ścinawki pomiędzy Ścinawką Dolną a Kłodzkiem. Przyroda Sudetów 13: 275–292.
• Witek M., 2010b. Obiekty hydrotechniczne a rozmieszczenie stref erozji i akumulacji – problematyka koryt uregulowanych na ziemi kłodzkiej. W: Współczesne trendy w naukach o Ziemi. III Geosympozjum Młodych Badaczy Silesia 2010. Bytom–Sucha Góra: 242–255.
• Witek M., 2012. Wpływ zabudowy hydrotechnicznej na współczesne kształtowanie rzeźby koryt rzek ziemi kłodzkiej. Landform Analysis 9: 91–102.
• Witek M., Latocha A., 2009. Zabudowa hydrotechniczna Bystrzycy Dusznickiej w warunkach zmian społeczno-gospodarczych w ciągu ostatnich 100 lat. W: W. Bochenek, M. Kijowska (red.), Zintegrowany monitoring środowiska przyrodniczego. Funkcjonowanie środowiska przyrodniczego w okresie przemian gospodarczych w Polsce. Biblioteka Monitoringu Środowiska, Szymbark: 154–171.
• Wolf P.R., Dewitt B.A., 2000. Elements of Photogrammetry with Applications in GIS. 3rd ed. McGraw-Hill, New