PROTIPOVODŇOVÁ OCHRANA MODRY - MERACIE PRÁCE

Martin Orfánus, Andrej Šoltész, Andrej Škrinár, Peter Kyrinovič, Ján Erdélyi

Abstrakt Základným predpokladom efektívneho a realistického návrhu protipovodňových opatrení sú aktuálne a dostatočne podrobné vstupy pre ďalšie činnosti či už v prípravnej alebo realizačnej fáze každého projektu. Jedným zo základných vstupov takýchto návrhov je aj geodetické zameranie skutočného stavu. Progresívne metódy akými sú tvorba digitálneho modelu terénu, terestrické laserové skenovanie a geodetické zameranie terénu pomocou GPS aparatúr GNSS sú efektívnym a koncepčným riešením mapovania záujmových území so širokými možnosťami ďalšieho využitia pre účely numerického modelovania, zostavovania GIS systémov na analýzu charakteru územia a potenciálnych lokalít ohrozujúcich sídelné oblasti počas povodní.

Abstract FLOOD PROTECTION OF MODRA CITY – SURVEYING. The fundamental pre-condition of an effective and realistic application of flood protecting arrangements for each project are up-to-date sufficiently detailed inputs for activities in phase of preparation or realization as well. One of the basic inputs is surveying of interested areas. Progressive methods such a digital terrain model preparation, terrestrial laser scanning technology and surveying with GPS equipment GNSS are effective and conceptual solution of mapping with large possibilities of exploitation such a numerical modeling or GIS systems assembling which are important for flood risk analyzes of problematic localities.

Kľúčové slová Terestrické laserové skenovanie, digitálny model terénu, protipovodňová ochrana Keywords Terrestrial laser scanning, digital terrain model, flood protection

Úvod

Digitalizácia územia metódami, ktoré s dostatočnou presnosťou a aktuálnosťou interpretujú skutočný charakter terénu, patria spolu s ďalšími podkladmi ku kľúčovým vstupom pre efektívne modelovanie hydrologických a hydraulických procesov prebiehajúcich počas povodní. Výsledky numerických modelov môžu byť následne použité ako vstupy pre prípadné návrhy protipovodňových opatrení.

V rámci operačného programu výskum a vývoj EU (Európsky fond regionálneho rozvoja) „Tvorba a vývoj environmentálnych technológií pri protipovodňovej ochrane sídiel Malokarpatskej oblasti – prípadová štúdia Modra“ (ITMS kód projektu 26240220019) bolo v prvej etape pristúpené k detailnému zmapovaniu záujmového územia pre potreby ďalších analýz v súvislosti so zrážkovo- odtokovými a hydrodynamickými procesmi počas povodňových stavov v oblasti Modry.

Záujmové územie sa nachádza v Malokarpatskej oblasti a priamo súvisí s mestom Modra a okolitými oblasťami (obr.1). Mapovanie územia bolo rozdelené do troch etáp:

• Tvorba digitálneho modelu terénu a ortofotomáp

• Zameranie priečnych profilov tokov spadajúcich do záujmového územia

• Terestrické laserové skenovanie vodohospodárskych objektov

Obr.1 Prehľadná situácia s ohraničením záujmového územia

Tvorba digitálneho modelu terénu a ortofotomáp

Digitálny model terénu „DTM“ reprezentuje priestorový a výškový charakter terénu v digitálnom formáte bez akýchkoľvek ďalších informácií o povrchu, jeho využívaní, vegetácii, hustote zaľudnenia atď. Dopĺňaním databázy digitálneho modelu terénu o ďalšie informácie získavame podrobný prehľad o území a v takomto prípade môžeme hovoriť o geografickom informačnom systéme „GIS“.

Metód tvorby digitálneho modelu terénu je niekoľko avšak najčastejšie používanými sú:

• Geodetické zameranie

• Diaľkový prieskum Zeme

Digitálny model terénu záujmového územia (obr.2) bol spolu s ortofotomapami spracovaný spoločnosťou Geodis Slovakia s rozlíšením 1m. Model referencovaný v súradnicovom systéme Jednotnej trigonometrickej siete katastrálnej JTSK a vo výškovom systéme Balt po vyrovnaní (Bpv) slúžil ako základný prvok pri podrobnej digitalizácii oblasti. Spracovaný bol vo formáte TIN

(„triangular irregular network“) a bol ďalej dopĺňaný o merania priečnych profilov a dotknutých objektov na toku „INSITU“.

Obr.2 Digitálny model terénu mesta Modra

Zameranie priečnych profilov

Geodetické merania prebiehali v čase od apríla 2010 do októbra 2010 na vybraných tokoch a ich úsekoch v niekoľkých fázach. Záujmovým územím preteká niekoľko menších tokov (obr. 3):

• Trniansky potok

• Holombek 1

• Holombek 2

• Stoličný potok

• Žliabok

• Vištucký potok

Jednotlivé toky sú popísane a staničené v prehľadnej situácií. Celkovo sa jednalo o 21 km koryta. Digitálny model terénu bol doplnený o zamerané priečne profily s hustotu 100 m. Geometria priečnych profilov bola zvolená vo forme x, z kde „x“ je staničenie jednotlivých bodov profilu sprava a „z“ nadmorská výška bodu. V oblasti sa rovnako nachádza niekoľko objektov, ktoré sú zamerané a vztiahnuté na staničenie jednotlivých tokov. Číslovanie profilov narastá v smere proti prúdu toku rovnako ako staničenie v osi koryta. Aktuálny tok koryta je spresnený podľa zobrazenia v ortofotomapách. Priečne profily sú merané od ľavého brehu po pravý breh kolmo na tok. Zamerané je blízke okolie brehových čiar, brehové čiary, brehy, aktuálna hladina a dno toku. Časti tokov sú zamerané brodením, prípadne z brehov.

Geodetické meranie je vykonané v štátnom súradnicovom systéme Jednotnej trigonometrickej siete katastrálnej (JTSK) a vo výškovom systéme Balt po vyrovnaní (Bpv) v 3. triede presnosti. Merania boli vykonané kombináciou trigonometrickej metódy použitím totálnych staníc Leica TC 1100 a metódy GNSS SKPOS použitím GPS aparatúr Leica GPS1200 [1]. Presnosti merania korýt a objektov sa pohybovali v rámci prijateľných odchýlok v závislosti na použitom meracom zariadení. Miesta s menšou hustotou zameraných bodov sú výsledkom neprístupnosti terénu z dôvodu hustého porastu alebo zamedzenia prístupu vlastníkov pozemkov okolí toku. V takýchto prípadoch bol charakter terénu a koryta prebraný s digitálneho modelu terénu.

Obr.3 Aktuálna riečna sieť v blízkom okolí mesta Modra

Terestrické laserové skenovanie vodohospodárskych objektov

V záujmovej oblasti nad intravilánom mesta Modra sa nachádzajú dva poldre ležiace na tokoch Holombek 1 a Holombek 2 s rovnomenným názvom (tab.1), ktoré svojim retenčným priestorom výrazne prispievajú k protipovodňovej ochrane mesta.

Tabuľka 1: Špecifikácia vodohospodárskych objektov

Keďže neexistuje zameranie retenčného priestoru rovnako ako samotného funkčného objektu, ktoré by zmapovalo aktuálny stav a rozsah zanesenia, pristúpili sme k zameraniu poldrov pomocou terestrického laserového skenovania. Metóda terestrického laserového skenovania predstavuje nový trend v problematike tvorby priestorových modelov objektov. Efektívnosť zvolenej metódy merania a spracovania meraných údajov spočíva v rýchlosti merania, variabilite rozsahu a hustoty skenovania, ako aj kvality výsledného produktu. Výsledný produkt – 3D model objektu, tvorí základ pre ďalšie projektové činnosti v rámci protipovodňovej ochrany územia [2]. Skener Leica ScanStation 2 je geodetický prístroj na meranie priestorových súradníc bodov (x,y,z). Skener má integrovanú technológiu impulzného merania dĺžok, ktorá umožňuje rýchly zber údajov (obr. 4).

Obr.4 TIN model a vrstevnice meraného objektu Holombek 2 (farba podľa intenzity odrazeného signálu)

Skener umožňuje nastaviť maximálnu hustotu skenovania (raster bodov) 1 mm x 1 mm v celom dosahu merania. Výsledkom skenovania je mračno (súbor) bodov, pričom každý bod je definovaný pravouhlými súradnicami (x, y, z) v miestnom súradnicovom systéme skenera. V prípade rozsiahlejších objektov, sú tieto skenované z viacerých stanovísk. Vzájomné spojenie jednotlivých mračien bodov do jedného súboru s jedným súradnicovým systémom umožňuje softvér na automatizované spájanie a vyhodnocovanie skenov Cyclone Register. Ďalšie spracovanie a tvorba 3D modelu sa vykonáva v softvéri Cyclone, ako aj CloudWorx, ktorý má Katedra geodézie Stavebnej fakulty STU v Bratislave k dispozícii [3]. Výsledkom terestrického laserového skenovania je trojrozmerný model TIN poldrov Hlombek 1 a Holombek 2, ktoré boli následne zapracované do digitálneho modelu terénu (obr.5).

Obr.5 Zapracovanie TIN modelu poldra Holombek 1 do celkového digitálneho modelu terénu V etape zameriavania vodohospodárskych objektov ako meracích prác v teréne bolo zameraných množstvo menších objektov na dotknutých tokoch ale aj funkčné objekty poldrov Holombek 1 a Holombek 2 (obr.6) pre potreby CFD „Computional Fluid Dynamics“ analýz, t.j. 3D simulácie prúdenia a jej vplyv na konštrukciu („fluid structure interaction“).

Obr.6 3D model funkčného objektu Holombek 1

Záver

V rámci prvej etapy projektu „Tvorba a vývoj environmentálnych technológií pri protipovodňovej ochrane sídiel Malokarpatskej oblasti – prípadová štúdia Modra“ (ITMS kód projektu 26240220019) operačného programu výskum a vývoj EU (Európsky fond regionálneho rozvoja prebehlo podrobné zmapovanie záujmového územia malokarpatskej oblasti v okolí mesta Modra v troch hlavných fázach: tvorba digitálneho modelu terénu a ortofotomáp, zameranie priečnych profilov tokov spadajúcich do záujmového územia, zameranie vodohospodárskych objektov.

Digitálny model terénu s rozlíšením 1m bolo spolu s ortofotomapami zhotovený spoločnosťou Geodis Slovakia. Digitálny formát terénu bol prevedený do nepravidelnej trojuholníkovej siete TIN (Triangular irregular network) a ďalej spresňovaný podrobnými meraniami „INSITU“.

Merania boli uskutočnené na šiestich tokoch s celkovou dĺžkou 21 km. Meracie práce boli vykonané s úmyslom podrobne zmapovať geometriu korýt všetkých dotknutých tokov rovnako ako rekognoskácia jestvujúcich objektov na tokoch. Metódou terestrického laserového skenovania boli detailne zmapované poldre Holombek 1 a Holombek 2 nachádzajúce sa nad mestom Modra pre zistenie skutočného retenčného objemu vodohospodárskych objektov.

Takto zostavená geometria územia bola ďalej podrobená numerickým modelom simulujúcim zrážkovo-odtokové procesy počas povodňových stavov v oblasti a rovnako tak hydrodynamickému numerickému modelu MIKE 11 by DHI spoločnosťou DHI Slovakia spol. s.r.o.

Zoznam literatúry

[1] GEODIS SLOVAKIA spol. s r.o: Technická správa GFT.2010. Bratislava. [2] Kyrinovič,P.- Erdélyi,J.- Kopáčik,A.: Efektívna tvorba priestorového modelu objektu protipovodňovej ochrany územia technológiou terestrického laserového skenovania, Acta Hydrologica Slovaca. 2011. Bratislava. [3] Leica Geosystems: Leica ScanStation 2. Product specifications. Leica Geosystems, AG, Heerbrugg, Švajčiarsko. 2009. www.leica-geosystems.ch.

"Tento článok, bol vytvorený realizáciou projektu "Tvorba a vývoj environmentálnych technológií pri protipovodňovej ochrane sídiel Malokarpatskej oblasti – prípadová štúdia Modra" a ITMS kód projektu 26240220019, na základe podpory operačného programu Výskum a vývoj financovaného z Európskeho fondu regionálneho rozvoja." Autori

Ing. Martin Orfánus, Katedra hydrotechniky, STU – Stavebná fakulta Radlinského 11, 813 68 Bratislava, martin.orfanus@stuba.sk

prof. Ing. Andrej Šoltész, PhD., Katedra hydrotechniky, STU – Stavebná fakulta Radlinského 11, 813 68 Bratislava, andrej.soltesz@stuba.sk

Ing. Andrej Škrinár, PhD., Katedra vodného hospodárstva krajiny, STU – Stavebná fakulta Radlinského 11, 813 68 Bratislava, andrej.skrinar@stuba.sk

Ing. Peter Kyrinovič, PhD., Katedra geodézie, STU – Stavebná fakulta Radlinského 11, 813 68 Bratislava, peter.kyrinovic@stuba.sk

Ing. Ján Erdélyi, Katedra geodézie, STU – Stavebná fakulta Radlinského 11, 813 68 Bratislava, jan.erdelyi@stuba.sk