Możliwości technologii LIDAR

Ratownictwo, ochrona przeciwpożarowa oraz zarządzanie kryzysowe stale potrzebują nowych technologii, by realizować swoje podstawowe cele i zadania ustawowe. Podmioty odpowiedzialne za zapewnienie bezpieczeństwa oraz podległe im służby mogą wykorzystywać nowoczesne rozwiązania techniczne, aby mitygować sytuacje negatywnie wpływające na poziom bezpieczeństwa ludzi, mienia w znacznych rozmiarach lub środowiska. Usprawniają one realizację działań – szczególnie gdy podejmowanie decyzji wymaga zarządzania i kierowania znacznymi siłami i środkami.

Aby optymalizować wykorzystanie posiadanych zasobów (które zawsze są ograniczone i z reguły niewystarczające), warto wspierać prowadzenie działań przez zastosowanie dodatkowych rozwiązań. Wykorzystanie zaawansowanych technologii może usprawnić prognozowanie rozwoju zagrożenia oraz maksymalne wykorzystanie dostępnych sił i środków. Jednym z rozwiązań, które zostanie szerzej omówione w niniejszym artykule, jest skanowanie LIDAR. Wykorzystane mogą tu zostać zarówno dane pozyskane w ramach projektu Informatyczny System Osłony Kraju (ISOK), dane satelitarne, jak i bezzałogowe statki powietrzne z modułem LIDAR. Po dane LIDAR można sięgnąć w fazie zapobiegania, przygotowania, reagowania i odbudowy zarządzania kryzysowego, a także podczas rozpoznania i przygotowania obiektu/terenu do prowadzenia działań ratowniczych lub bezpośrednio podczas interwencji Państwowej Straży Pożarnej i podmiotów KSRG.

Akronim LIDAR (ang. Light Detection and Ranging) oznacza skaning laserowy. Jest to metoda skanowania powierzchni terenu, a jej historia sięga lat 60. XX w. Jak działa? Emiter, umieszczony np. w samolocie lub na bezzałogowym statku powietrznym emituje wiązkę światła, a po odbiciu wiązki  od przeszkody na podstawie czasu jej lotu (ang. ToF – Time of Flight) oraz prędkości światła w powietrzu ustalona zostaje odległość od niej. Czas powrotu rejestrowany jest przez odbiornik, a odległość urządzenia LIDAR od przeszkody to połowa drogi wiązki, gdyż ulega ona odbiciu.

Wiązka laserowa emitowana jest z dużą częstotliwością. Współczesne urządzenia LIDAR charakteryzują się częstotliwością pomiaru rzędu nawet 1 mln na sekundę. Na podstawie kąta odbicia i czasu lotu rejestrowane są współrzędne x, y, z oraz klasy punktów, które zapisywane są w formacie LAS. Klasy punktów LAS przedstawiają się następująco:

• 0 – punkty utworzone, ale nieklasyfikowane,
• 1 – punkty nieklasyfikowane,
• 2 – punkty leżące na gruncie,
• 3 – punkty reprezentujące niską roślinność – zakres od 0 do 40 cm,
• 4 – punkty reprezentujące średnią roślinność – zakres od 40 cm do 200 cm,
• 5 – punkty reprezentujące wysoką roślinność – zakres powyżej 200 cm,
• 6 – punkty reprezentujące budynki,
• 7 – punkty omyłkowe (tzw. szum),
• 8 – punkty kluczowe numerycznego modelu terenu,
• 9 – punkty reprezentujące wodę,
• 10-11 – punkty zarezerwowane dla przyszłych definicji,
• 12 – punkty z obszarów wielokrotnego pokrycia,
• 13-31 – punkty zarezerwowane dla przyszłych definicji.

Zapisane punkty tworzą tzw. chmurę punktów. W Polsce dzięki skaningowi lotniczemu LIDAR ALS gęstość punktów wynosi od 4 pkt/m² do 20 pkt/m². Jednym z produktów skanowania LIDAR jest numeryczny model terenu (NMT), który tworzy siatkę – odwzorowanie wysokości i ukształtowania terenu. Kolejny produkt to numeryczny model pokrycia terenu (NMPT), stanowiący reprezentację powierzchni terenu wraz z obiektami, które wystają ponad powierzchnię, jak np. drzewa, budynki i budowle, mosty czy inne elementy infrastruktury. Klasyfikacja punktów w post-processingu umożliwia filtrowanie różnych warstw utworzonych przez odpowiednio sklasyfikowane punkty.

Zidentyfikowane obszary wykorzystania LIDAR na potrzeby PSP i KSRG, a także zarządzania kryzysowego to między innymi:

• wsparcie modelowania hydraulicznego sieci wodociągowych projektowanych na potrzeby zaopatrzenia wodnego do zewnętrznego gaszenia pożaru,
• prowadzenie analiz i modelowania hydraulicznego scenariuszy wezbrań i powodzi,
• przygotowanie modeli 3D do analiz uwolnień substancji niebezpiecznych z uwzględnieniem przeszkód terenowych,
• przygotowanie modeli 3D do modelowania ewakuacji ludzi, z uwzględnieniem szerokości ciągów komunikacyjnych oraz przewyższeń i różnic wysokości terenu,
• analiza ilościowa i jakościowa drzewostanów, w tym określenie odległości między koronami drzew oraz ilości paliwa na potrzeby zapobiegania pożarom lasów oraz w ich trakcie,
• pomiary objętości hałd, np. węgla lub śmieci, w celu określenia ilości paliwa, które może spalać się podczas pożaru,
• inwentaryzacja terenu prowadzonych działań w celu zabezpieczenia materiałów dowodowych na potrzeby organów procesowych lub do wykorzystania w fazie odbudowy.

Modelowanie hydrauliczne sieci wodociągowych

Wykorzystanie skanowania LIDAR do celów ochrony przeciwpożarowej może nastąpić już we wczesnej fazie – koncepcji i projektowania. Zgodnie z art. 6.1 ustawy z dnia 24 sierpnia 1991 r. o ochronie przeciwpożarowej (DzU z 1991 r. nr 81 poz. 351 ze zm.) właściwe urzędy, instytucje, organizacje, przedsiębiorcy lub osoby fizyczne są obowiązane uwzględnić wymagania w zakresie ochrony przeciwpożarowej przy zagospodarowaniu i uzbrajaniu terenu. Dane LIDAR ALS – numerycznego modelu terenu – wspomagają projektowanie i dobór średnic rurociągów, a także pompowni. Zastosowanie danych NMT pozwala na osiągnięcie korzyści podczas projektowania, zmniejszając koszty inwestycji. Dokładne modele matematyczne, które uwzględniają różnice wysokości, umożliwiają przeprowadzenie symulacji komputerowych pozwalających określić straty i przepływy w sieci wodociągowej, która może służyć również do celów przeciwpożarowych.

Modelowanie hydrauliczne podczas wezbrań i powodzi

Numeryczny model terenu prezentuje powierzchnię zewnętrzną ziemi wraz z jej cechami morfologicznymi, natomiast numeryczny model pokrycia terenu – ukształtowanie powierzchni ziemi wraz z roślinnością i infrastrukturą. Dzięki nim możliwe jest prowadzenie analiz powodziowych, na podstawie wyników modelowania hydraulicznego. Dane skanowania lotniczego ALS umożliwiają wyznaczenie głębokości i zasięgów stref zalewowych, co przekłada się na szacowanie skutków powodzi. Wyniki przeprowadzonych symulacji mogą ułatwić podjęcie decyzji o przeprowadzeniu ewakuacji masowej ludności lub przygotowaniu dodatkowych umocnień przeciwpowodziowych, w celu ochrony wybranego terenu i infrastruktury przed zalaniem. Należy również podkreślić, że skaning LIDAR może zostać wykorzystany do monitoringu stanu wałów powodziowych, ich nadmiernego przemieszczenia lub osuwania. Produktem projektu ISOK są mapy zagrożenia powodziowego, które przedstawiają obszary zagrożone powodzią o prawdopodobieństwie wystąpienia:

• niskim, tj. 0,2% – raz na 500 lat,
• średnim, tj. 1% – raz na 100 lat,
• wysokim, tj. 10% – raz na 10 lat.

Należy podkreślić, że ustawa Prawo wodne wprowadza zakaz zabudowy na obszarach o średnim i wysokim ryzyku wystąpienia powodzi. Mapy ryzyka powodziowego mogą pomóc w określeniu potencjalnych strat, uwzględniających szacunkową liczbę ludności, budynki i infrastrukturę, budynki i obiekty zabytkowe, zanieczyszczenie źródeł wody pitnej czy też wartość potencjalnych strat dla wybranych klas użytkowania terenu.

Modelowanie uwolnień substancji i czynników niebezpiecznych

Uwolnienie czynników CBRNE oraz substancji niebezpiecznych podczas emisji awaryjnych może tworzyć zagrożenie dla życia i zdrowia ludzi, a także mienia i środowiska, gdy jego parametry przekroczą wartości dopuszczalne w funkcji odległości od źródła emisji. Uwzględnić należy również czas ekspozycji. Pozyskane dane LIDAR dotyczące ukształtowania terenu i przeszkód mogą stanowić dane wejściowe do programów CFD, jak np. ANSYS. Symulacje można wykonać w związku ze spodziewanym zagrożeniem podczas imprezy masowej, dla zakładu dużego lub zwiększonego ryzyka wystąpienia poważnej awarii przemysłowej, gdy rozpatrywane są scenariusze awaryjne uwolnień substancji i czynników niebezpiecznych, które mogą występować poza terenem wybranego zakładu. Uwzględnienie profilu terenu oraz przeszkód pozwala z większą dokładnością oszacować stężenia lub wartości wybranego czynnika powodującego narażenie (np. stężenie NDS – najwyższe dopuszczalne stężenie czy NDSCh – najwyższe dopuszczalne stężenie chwilowe) i w ten sposób wyznaczyć strefy narażenia. Przeprowadzone analizy mogą służyć do wyznaczenia stref awaryjnych, w celu przeprowadzenia ewakuacji ludzi i zwierząt.

Modelowanie ewakuacji ludzi

Ewakuacja to zorganizowane przemieszczanie się ludzi, często wraz z dobrami materialnymi, z miejsca, w którym występuje zagrożenie, do miejsca bezpiecznego. Dane LIDAR mogą zostać wykorzystane podczas ewakuacji ludzi z obszarów wielkopowierzchniowych, które zostały dotknięte żywiołem, na których uwolniony został czynnik CBRNE lub inna substancja stwarzająca zagrożenie. Często organizacja imprez masowych lub tych, które nie podlegają ustawie o imprezach masowych, jak np. imprezy w pasie drogowym, wymaga przeprowadzenia symulacji ewakuacji różnych przewidywanych scenariuszy, w celu poznania czasów opróżniania poszczególnych sektorów. Dane LIDAR mają szczególne znaczenie, gdy w symulacji komputerowej należy uwzględnić dokładną szerokość ciągów komunikacyjnych, przeszkody terenowe oraz profil terenu. Dzięki tym danym wejściowym podczas definiowania warunków brzegowych można przeprowadzić dokładniejsze symulacje komputerowe, które dadzą wyniki zbliżone do rzeczywistych.

Pożary lasów i terenów wielkopowierzchniowych

Pożary stanowią poważne zagrożenie nie tylko dla życia ludzi, ale także dla ekosystemów i infrastruktury. Dane LIDAR mogą pomóc w identyfikacji wrażliwych obszarów poprzez mapowanie gęstości roślinności oraz określenie ilości paliwa. Informacje te można wykorzystać do opracowywania skutecznych strategii pożarowych na terenach leśnych i wielkopowierzchniowych, uwzględniając projektowanie pasów wolnego terenu. Informacje pozyskiwane w trakcie pomiarów to między innymi wysokość drzew, zwarcie poziome koron, średnica pnia, liczba drzew i ich lokalizacja przestrzenna. Są one szczególnie cenne, gdy przygotowuje się model paliwowy do symulacji rozwoju pożaru lasu, np. w oprogramowaniu FARSITE.

Do uruchomienia symulacji trzeba dostarczyć dane przestrzenne i tabelaryczne, w tym numeryczny model terenu oraz pokrycie terenu leśnego. Przeprowadzone symulacje mogą służyć do określenia sił i środków niezbędnych do lokalizacji i likwidacji pożaru. Oczywiście dobrze jest takie rozważania prowadzić przed wystąpieniem pożaru, np. podczas tworzenia planu ratowniczego. W fazie przygotowania lasu na wystąpienie pożaru dane wysokościowe można wykorzystać do analizy zasięgu widoczności, w celu zaprojektowania optymalnej liczby wież przeciwpożarowych. Służą do tego programy do zarządzania danymi geograficznymi GIS.

Wysokorozdzielczy LIDAR umieszczony na pokładzie samolotu lub satelity (np. satelity CALIPSO) pozwala na zebranie szczegółowych danych dotyczących rozkładu zanieczyszczeń powietrza w troposferze podczas tego rodzaju pożarów.

Wykorzystanie ortofotomapy w połączeniu z leśną mapą numeryczną pozwala na przeprowadzenie monitoringu poklęskowego, który zakłada lokalizację pożarzyska, pomiar powierzchni pożaru i szacowanie strat sortymentowych. Podczas działań odnowieniowych lasu za pomocą LIDAR można wyznaczyć tereny pod odnowienie i lokalizację fragmentów lasu, które uległy nieznacznym uszkodzeniom podczas pożaru.

Pomiary objętości hałd

Wykorzystanie technologii LIDAR podczas działań ratowniczo-gaśniczych może znaleźć zastosowanie np. podczas pożarów składowisk odpadów, wysypisk lub dużych hałd paliwa, np. węgla czy biomasy. Dzięki skanowaniu LIDAR można określić potencjalną objętość i ilość paliwa biorącą udział w pożarze, czyli prowadzić analizy wolumetryczne 3D. Nałożenie kilku skanowań w dużej rozdzielczości pozwala oszacować prędkość spalania paliwa przez porównanie danych z kilku skanowań i obliczenie różnicy. Dzięki temu rozwiązaniu można określić masę spalonego paliwa, ilość wydzielonej energii oraz oszacować dynamikę pożaru.

Inwentaryzacja terenu prowadzonych działań

Bezzałogowe statki powietrzne z modułem LIDAR mogą posłużyć do mapowania miejsca prowadzenia działań. Co ważne – o każdej porze dnia. Pozyskany materiał może stanowić wsad do raportów i analiz ze zdarzenia, a także dowód w sprawie. Inwentaryzacja rozległego terenu działań, np. po karambolu na autostradzie, przyśpieszy udrożnienie drogi i usprawni przywrócenie ruchu.

Dane LIDAR mogą zostać wykorzystane do oceny zniszczeń, szczególnie podczas powodzi i lawin błotnych. Porównując zbiory danych sprzed klęski i po klęsce, można ocenić wpływ niekorzystnego zdarzenia, np. powodzi, na uszkodzenia (erozję) wałów powodziowych. W fazie odbudowy wykorzystanie danych pozyskanych przed nadejściem klęski żywiołowej pomoże w odtworzeniu terenu i infrastruktury, które uległy zniszczeniu.

Szczególnym przypadkiem są obiekty i tereny historyczne – materialne dziedzictwo kulturowe, które w obecnych czasach powinno być dobrze zinwentaryzowane, w celu zachowania go dla przyszłych pokoleń nie tylko w formie fizycznej, ale i cyfrowej. Z kolei dzięki kamerom LIDAR w zdalnie sterowanych pojazdach podwodnych możliwe jest obrazowanie topografii zbiorników wodnych do celów inspekcyjnych.

Podsumowanie

Dane LIDAR, pozyskane z różnych platform: samolotu, bezzałogowego statku powietrznego, pojazdu podwodnego lub satelity, mogą służyć jako dane wejściowe do dalszych analiz i symulacji, w post-processingu. W zależności od wykorzystanej platformy oraz samego urządzenia LIDAR pozyskane zostaną dane o różnym stopniu gęstości chmury punktów, co będzie wpływało na dalsze obliczenia oraz ich wyniki.

Do niekwestionowanych zalet skanowania LIDAR należy: pomiar niezależny od warunków świetlnych, rejestracja wielu odbić wiązki światła, duża dokładność pomiarów oraz podatność na automatyzację procesów opracowania. Wykorzystanie danych LIDAR może stanowić świetne uzupełnienie zaplecza technicznego służb, w tym PSP i podmiotów KSRG, a także innych podmiotów i jednostek odpowiedzialnych za zarządzanie kryzysowe. Pozwoli na optymalizację procesów podejmowania decyzji oraz wykorzystania sił i środków na miejscu zdarzenia. Po dane LIDAR można sięgnąć w każdej fazie zarządzania kryzysowego oraz podczas przygotowania strategii ochrony przeciwpożarowej dla budynku lub terenu.

kpt. Mateusz Banaś pełni służbę w Dziale Projektów Akademii Pożarniczej,
a dr Radosław Fellner zatrudniony jest na stanowisku adiunkta w Instytucie Bezpieczeństwa Wewnętrznego Akademii Pożarniczej