Přednáška Univ.-Prof. Dr.-Ing. Bertolda Witteho na fakultě stavební ČVUT v Praze

Koncem loňského roku 2002 navštívil Katedru speciální geodézie Stavební fakulty ČVUT v Praze Univ.-Prof. Dr.-Ing. Bertold Witte z prestižní RFWU (Rhenische Friedrich-Wilhelms Universität) v Bonnu. Prof. B. Witte, který v roce 2002 oslavil své 65té narozeniny [1], spolupracuje neformálním způsobem s naší vysokou školou již pěknou řádku let. V dřívějších letech přednesl na fakultě několik velmi zajímavých přednášek. Prof. Witte se stal v roce 1988 zakládajícím členem skupiny 6E FIG (Mezinárodní organizace geodetů) »Using Laser Technique in Engineering Surveying«, jejíž prvé ustavení se konalo v Praze. Členové této pracovní skupiny (z deseti evropských států) se pravidelně scházeli zejména u příležitosti mezinárodních konferencí v různých zemích Evropy a řešili problémy spojené s využíváním laserové techniky ve svých zemích a mezinárodní autorský kolektiv připravil v roce 1997 rukopis knihy: »Lasers in Engineering Surveys«, kterou se však pro nedostatek finančních prostředků nepodařilo vydat.
Při své poslední návštěvě přednesl Prof. Witte pro pracovníky katedry zajímavý příspěvek na téma: »The Influence of Geodetic Refraction and its Determination Using a Digital Camera«. Z vlastní přednášky vyjímáme:

Vliv geodetické refrakce a její určení s použitím digitální kamery<br> Jedním z důvodů významných systematických chyb při určování výšek geometrickou a trigonometrickou nivelací je zakřivení světelného svazku při průchodu atmosférou způsobené nehomogenním indexem lomu. Na přednášce byly prezentovány dvě metody vedoucí ke zvýšení přesnosti měření. První metoda se zabývá vyhodnocením refrakčního efektu optickou turbulencí. Při určování středního kvadratického posunu referenčního bodu roviny snímku z digitální kamery způsobeného atmosférickou turbulencí je možno určit krátkodobé kolísání indexu lomu. Při použití teorie podobnosti ruských meteorologů Monina a Obuchova je možné odvodit vertikální refrakci z těchto krátkodobých efektů. Druhá metoda modeluje vliv refrakce přímým určováním změn refrakčního úhlu, způsobených kolísáním teplotního gradientu s výškou nad terénem.
Je známo, že světelný paprsek procházející atmosférou bude ovlivňován refrakcí. Nepůjde tedy po přímé linii, ale bude zakřiven v závislosti na vertikální změně indexu lomu, který je závislý na teplotním gradientu. Změna indexu lomu může být odvozena z teorie TTM (Turbulent transfer model), která popisuje šíření vln v turbulentním prostředí a určuje tak vztah mezi vertikálním teplotním gradientem a meteorologickými veličinami. Tento model zavádí dvě důležité statistické veličiny krátkodobého kolísání indexu lomu, Cn2, strukturní parametr a l0, nejmenší vnitřní rozměr turbulence. Pomocí podobnostních vztahů může být teplotní gradient získán určením turbulentních parametrů Cn2 a l0. Podobně lze nalézt i empirickou funkci pro větrný profil.

Určení indexu lomu pomocí vysoko-rychlostní CCD kamery
Ke zjištění turbulence atmosféry je nutný přesný a rychle pracující systém. Měřicí systém se skládá ze CCD kamery Pulnix TM6705, speciálního 400 mm objektivu, rámové sběrnice Pulsar of Matrox Company a osobního počítače ke kontrole a analýze měření. Speciálně zkonstruovaná terčová jednotka obsahuje černé kruhy na bílém pozadí. CCD senzor kamery obsahuje 640×480 pixelů oddělených mezerami o velikosti 9 mm s tzv. mikročočkami před každým pixelem. V kombinaci objektivu a dosažitelného rozlišení 5/100 pixelu může být dosažena přesnost 0,01 mm na vzdálenost 20 m.
Zaznamenávají se několikasekundové obrazové sekvence, které se dají využít ze dvou hledisek. Umožňují analyzovat posuny referenčních bodů cílové značky (image-dancing) a dále z nich lze zjistit deformaci obrazu cíle. Při vyhodnocování je nejdříve provedena digitalizace obrazu, tedy vyhledání a lokalizace příznaků. Využívá se zde Casottova metoda digitálního zpracování obrazu. Pak jsou odvozeny parametry popisující turbulenci atmosféry Cn2 a l0.
Za účelem ověření jsou výsledky zpracování obrazu porovnány s přídavným meteorologickým měřením. Vhodné je měření scintilometrem, který umožňuje měření atmosférické turbulence pomocí optického mihotání (scintilace) při průchodu paprsku atmosférou. Pomocí scintilometru SLS20 lze zjistit hodnotu strukturního parametru Cn2 a rozměr nejmenší složky turbulence l0.
Se scintilometrem a kamerou jako paralelními měřeními byla realizována vzdálenost 55 m. Výsledky ukazují zřetelné denní průběhy turbulence a proto také refrakce.

Modifikovaná metoda s použitím nízko-frekvenční kamery a měření větru
Tato metoda vede k určení teplotního gradientu pomocí efektu image-dancingu za současného určení parametrů lokálního větru. Metoda byla vyvinuta ze dvou následujících důvodů:
• Tato metoda může používat nízkofrekvenční senzor, protože efekt image-dancingu je nízkofrekvenční efekt a vyhneme se tak určení rozměru nejmenší složky turbulence. Navíc jsou nízkofrekvenční senzory používány v geodetických přístrojích.
• Kromě toho za určitých atmosférických podmínek může být určení rozměru nejmenší složky turbulence problémem.
Zjištění image-dancingu a určení strukturního parametru Cn2 je stejné jako v první metodě. Druhý vstupní parametr modifikované metody, vítr, nemůže být zjištěn z 2D obrazu, musí být zvlášť změřen. K určení rychlosti a směru větru jsou k dispozici dva různé systémy určující 3D vektor větru, mechanický lopatkový anemometr nebo novější ultrazvukový anemometr.
Výsledný teplotní gradient určený za pomocí CCD kamery a měření větru byl opět porovnán s měřením provedeným scintilometrem SLS20. Gradienty teploty získané z obou metod během celého dne vzájemně korelují, jen po 15 hodině je patrná divergence. Možné důvody této divergence jsou popsány v [2]. Problémem této metody jsou lokální větrné anomálie, lokálně měřené parametry větru nejsou dokonale reprezentativní pro celou dráhu svazku. Pro krátké geodetické záměry (geometrická nivelace) není toto omezení kritické.

Přímá metoda
Při využití CCD kamery a kódové nivelační latě může být určena relativní změna refrakčního úhlu. Vybraný senzor by měl být schopný určit změny refrakčního úhlu velkého vertikálního cíle. Pro tento účel byla použita digitální řádková CCD kamera s 8192 pixely a objektivem s ohniskovou vzdáleností 600 mm a třímetrová kódová nivelační lať. Z rozdílných deformací obrazu nivelační latě v její horní a dolní části je možno určit změnu refrakčního úhlu. Pro porovnání bylo opět provedeno i měření scintilometrem.
Teorie podobnosti poskytuje možnost specifikovat novou prezentaci určení vlivu refrakce. Teplotní gradient může být vyjádřen parametry, které jsou jednoduše zjistitelné během měření. Získané vztahy pro případ geometrické nivelace poskytují korekce pro kompenzaci vlivu refrakce při měření použitím uvažovaných modelů.
Aplikace CCD kamer, kterou dnes můžeme najít v mnoha geodetických přístrojích, umožňuje vyvinout dvě metody k určení vlivu refrakce. Je prezentován měřicí a analyzující systém k určení strukturní konstanty Cn2 detekováním efektu image-dancingu, který se objevuje na všech digitálních úrovních a v automaticky cílících tachymetrech. Ale pro určení korekcí vlivu vertikální refrakce je nutná vysokorychlostní kamera.
Přednáška na základě přání našich doktorandů byla přednesena anglicky. Po přednášce následovala neformální diskuse zaměřená nejen na tento vysoce zajímavý problém, ale i na problém studia geodézie a kartografie na německých vysokých školách, kde značně ubývá zájemců o tato studia. Prof. Witte upozornil na možnosti našich studentů, především doktorandů, při dalším studiu na německých vysokých školách v rámci mezinárodních projektů (Sokrates, Erasmus apod.).
Při následné diskusi po přednášce jsme se zaměřili na výměnu publikací a prof. Witte nás upozornil na pracoviště univerzit zaměřené na laserové skenovací systémy a na novinky na knižním trhu. Bylo doporučeno objednat knihu: Th. Luhmann: »Photogrammetrie und Laserscanning, Anwendung für As-Built-Dokumentation und Facility Management«, vydáno Th. Luhmannem v r. 2002 (186 st.) v nakladatelství Herbert Wichmann, Verlag, Heidelberg. Poprvé byla představena na mezinárodní výstavě INTERGEO ve Frankfurtu nad Mohanem v r. 2002. Upozornili jsme Prof. Witteho na náš záměr vydat knihu »Laserové skenovací systémy ve stavebnictví« v roce 2003 ve Vydavatelství Vega spol. s r.o. v Hradci Králové [3]. Terestrické skenovací systémy jsou doplněny o letecké systémy. Autorský kolektiv Stavební fakulty se rozšířil o pracovníka Geodis Brno. Prof. Witte náš záměr podpořil.

Literatura:
[1] SEELE, W., Prof. Dr-Ing. Bertold Witte zur Emeritierung. Flächenmanagement und Bodenordung 64 Jg., 2002, H.2, s. 53-54
[2] BINNENBRUCK, B. – DEUSSEN, D. – WITTE, B.: The Influence of Geodetic Refraction and its Determination Using a Digital Camera.
In: Proc. of the 2nd International Conference of Engineering Surveying INGEO 2002, Bratislava, November 11-13. 2002, pp. 25-36, ISBN 80-227-1792-4
[3] KAŠPAR, M. – POSPÍŠIL, J. – ŠTRONER, M. – KŘEMEN, T.: Informace o připravované knize »Laserové skenovací systémy ve stavebnictví«. Stavebnictví a interiér 10, 2002, č. 10, s. 76-77
Pozvání zahraničního hosta se uskutečnilo v rámci grantového projektu 103/02/0357 Grantové agentury ČR.