INTENZÍV ALMAÜLTETVÉNY MIKRODOMBORZAT-VIZSGÁLATA PRECÍZIÓS ESZKÖZÖK ALKALMAZÁSÁVAL
Riczu Péter – Tamás János
Debreceni Egyetem, AGTC MÉK Víz- és Környezetgazdálkodási Intézet riczu@agr.unideb.hu
A Kárpát-medencében elterülő – makrodomborzat tekintetében sík – Alföld heterogén mikrodomborzata, valamint a szeszélyes csapadékviszonyok együttesen idézik elő Magyarország talajainak szélsőséges vízháztartási viszonyait. Ezen okok miatt gyakran alakulnak ki a talaj túlnedvesedései, belvizek, aszályok ugyanabban az évben, sokszor ugyanazon a területen. A kis felszíni elfolyás miatt fontos a sík területek domborzatmodellezése. A mikrodomborzat pontos térbeli lehatárolása esetenként speciális eszközöket és nagy vertikális pontosságot kíván meg, melyhez a fejlett információs technológiai elemek használata (globális helymeghatározás, térinformatika, távérzékelés) nélkülözhetetlen. Vizsgálatunkat a Debreceni Egyetem, Pallagi Kertészeti Kísérleti Telep intenzív termesztésű alma gyümölcsösében végeztük. A domborzati adatok gyűjtését a Trimble AgGPS FmX fedélzeti számítógéppel, valamint a Leica ScanStation C10 3D-s lézerszkennerrel végzetük. A DGPS korrekciós adatok domborzatmodellezésre használható pontosságát vizsgálva megállapítható, hogy bizonyos esetekben több mérés kombinálására van szükség ahhoz, hogy pontos belvízgazdálkodási adatokhoz jussunk. A lézeres adatok milliméter pontos DEM készítésére voltak alkalmasak.
Kulcsszavak: belvízgazdálkodás, AgGPS, lézerszkenner, térinformatika, DEM
Bevezetés, szakirodalmi áttekintés
A belvíz elsősorban a sík területek egyik sajátos hidrológiai jelensége, mely hazánkban különös figyelmet érdemel, hiszen Magyarország területének több mint fele (45 000 km2) síkvidéki jellegű (Tamás, 2003), melynek 60%-át, több mint 4 millió hektárt veszélyezteti számottevő mértékben a belvíz (Pálfai 2005).
Napjainkban a szélsőséges időjárási anomáliák, valamint a hidrológia tényezők kedvezőtlen alakulása, illetve ezen faktorok kölcsönhatása miatt folyamatosan nő az árvízzel,
belvízzel és aszállyal nagymértékben veszélyeztetett területek nagysága (Petró, 2011). Az alföldi talajok egyik jellemzője a vízáztatási extrémitás, ami a talajok fizikai féleségéből adódóan kisebb-nagyobb mértékben járulnak hozzá a káros felszíni vízborítás kialakulásához (Várallyay, 2001). Ez a vízháztartási szélsőség a nyáron kialakuló aszályos területeken, gyakran ugyanabban az évben káros víztöbbletek formájában nyilvánul meg (Várallyay, 1989;
Várallyay, 2002), ami a prognosztizált klímaváltozások esetén súlyosbodhat (Ligetvári, 2006).
A talajok fizikai jellemzői, valamint a talajhasználati mód mellett a vízgyűjtőterület domborzata, terepviszonyai a belvíz kialakulására jelenős hatást gyakorolnak. A precíziós mezőgazdaság és ezen belül a síkvidéki vízgazdálkodás nélkülözhetetlen információs forrása a mikrodomborzati adatok pontos ismerete, mivel ez a belvízi elöntés, illetve az összegyülekezési folyamatok fontos alappillére, ugyanakkor meghatározása nehezen végezhető el (Pálfai, 2005). A korábban hagyományos módon felmért síkvidéki vízgyűjtő- területeinek belvízi veszélyeztetettségi térképének lehatárolását (Mosonyi, 1954; Várallyay et al. 1979) manapság egyre inkább a korszerű távérzékelési és térinformatikai módszerek váltják fel (Bíró et al. 2000, Pásztor et al. 2004; Bíró és Tamás 2006; Bozán et al. 2009; Dely et al. 2010; Szatmári et al. 2011a; Tamás, 2011). A gyors és nagy pontosságú technikai vívmányok jóval kevesebb terepi mérést „igényelnek”, ugyanakkor részletes domborzati térképek (DTM) készítéséhez járulhatnak hozzá, amelyek a belvízborítási térképek létrehozásának elengedhetetlen kellékei (BELVÍZ-INFO, 2012). A – felszíni víz összegyülekezése szempontjából fontos – mikrorelief pontos térképezésre többek közt aktív távérzékelési eszközök és módszerek biztosítanak lehetőséget. A távérzékelési technikák egyik robbanásszerűen fejlődő ága a lézerszkennelés (LiDAR – Light Detection and Ranging). A lézerszkenner aktív technikával elemzi a valós világot és információt gyűjt a vizsgált objektumok bizonyos tulajdonságairól. Az így begyűjtött, akár több millió pontból álló ún. pontfelhő adataiból tudunk digitális 3 dimenziós modellt készíteni (Lerma García et al., 2008). Szatmári et al. (2011b) légi lézerszkenneres és sztereo- légifényképes adatok alapján a belvíztérképezés és –modellezés megalapozására készítettek domborzatmodellt. Lénárt et al. 2010 a légi LiDAR technológiával előállított adatokból digitális domborzatmodellt állítottak elő jövőbeni vízügyi tervezési feladatokhoz. A földi lézeres felmérés a légi lézerszkennelésnél részletesebb, akár milliméterpontos eredményt biztosíthat (Heritage és Large 2009; Vosselman és Hans-Gerd 2010).
Jelen publikációban egy gépvezérlést biztosító fedélzeti számítógép pozicionálási, továbbá egy földi 3D lézerszkenner pontfelhőjének adatainak elemzését végeztük el, melyek
mezőgazdasági és kertészeti területeken segíthetik a mikrodomborzat jellemzőinek vizsgálatát, biztosíthatva egy jövőbeli komplex felszíni összegyülekezési modell kidolgozását.
Anyag és módszer
Vizsgálatainkat a Debreceni Egyetem, Pallagi Kertészeti Kísérleti Telep jéghálóval védett, csepegtető öntözőrendszerrel ellátott, intenzív termesztésű alma gyümölcsösében végeztük el.
A valamivel több mint negyed ha-os terület talaja homok fizikai féleségű.
A valós idejű magassági adatok gyűjtéséhez egy Trimbe AgGPS FmX fedélzeti számítógépet használtunk. A jobcomputer egy külső AgGPS 25 típusú antenna segítségével vette a műholdak jelét. A műholdjelek, illetve a mérés pontosítása érdekében EGNOS korrekciót használtunk. A vizsgált ültetvényben hat mérést végeztünk annak érdekében, hogy megvizsgáljuk a gyümölcsös talajának jellemző deciméteres domborzati heterogenitását. A precízióra vonatkozó műholdadatokat (VDOP, HDOP), valamint a másodpercenként gyűjtött magassági értékeket Surfer 11 térinformatikai szoftverkörnyezetben dolgoztuk fel és értékeltük ki.
A földi lézeres felmérést 2012. március 9-én végeztük el a Leica ScanStation C10 3D-s lézerszkennerrel. A műszer egy zöld színű (532 nm hullámhosszúságú) lézernyalábbal pásztázza a valós világot, másodpercenként 50000 pontmérést végezve, így a teljes területről egy több millió pontból álló pontfelhő készült el. A takarásmentes, illetve a minél pontosabb térbeli rekonstrukció érdekében 8 szkennállásból mértük fel a területet, melynek összeillesztését, valamint a pontfelhő előfeldolgozását Leica Cyclone 7.1 szoftverben végeztük. A szkennelés során 10 m-en 8 mm felbontást használtunk.
Eredmények és azok értékelése
Az intenzív gyümölcsültetvény AgGPS-szel történő valós idejű felmérését 6 különböző időpontban történt 2011 és 2013 között, melynek lényege az ingyenesen elérhető EGNOS korrekcióból, valamint műhold konstellációból adódó egyes hibák kiküszöbölése. A mérések során maximálisan 9 műhold adatait összegezte a jobcomputer. Az egymással (a mérések átlagában szoros kapcsolatban álló; R2=0,54) horizontális (HDOP) és vertikális (VDOP) pontosság hígulási éréke a „látott” műholdszám függvényében változott. A műholdak pályakonstellációs adatai, a mérés során a változó időjárás (felhősödés) hatására, valamint a mérések során a 8°-os domborzati maszk alkalmazása mellett, az AgGPS FmX
készülék csak a legerősebb jelek adatait gyűjtötte össze, így egyes esetekben kevés számú műholdadat állt rendelkezésre a pontos helymeghatározás kiszámításához (1. ábra). Az ábra szemlélteti a 2012.07.05-i mérés során a műholdak száma és vertikális precízió közti összefüggést.
R² = 0.233 0.0
5.0 10.0 15.0 20.0 25.0
3 4 5 6 7 8 9
VDOP érték
Műholdak száma
2012.07.05.
Magasság (m)
1. ábra: A műholdak száma és a VDOP értékek közti negatív korreláció a 2012.07.05.
mérés során és a vertikális magasságcsökkenés térképi ábrázolása
Az ábrán kiemelt részek magasabb VDOP értékeket mutatnak, melyek a műholdak száma és egyéb – jelen publikációban nem vizsgált – konstellációs problémákból eredő hibákból adódnak. A 2012.07.05-i mérés során azokban az esetekben, ahol mindössze 4 műholdtól származtak az adatok, ott az átlagostól kb. 4-szer nagyobb VDOP értéket tapasztaltunk. Ez, a valós idejű magassági értékben is tükröződik, mivel átlagosan 2,5 m-rel kaptunk alacsonyabb területi értéket a környező magassági pontokhoz képest. Ezen hibák torzíthatják a mikrodomborzati elemzést. Az mikrodomborzat alacsonyabb és magasabb részeinek
„kiemelése” érdekében az egyes mérések rácsértékeit összeszoroztuk. A térbeli interpoláció eredményeként megfigyelhető, hogy a sorközökben találhatók az alacsonyabb térrészek (2. ábra).
Nagy et al. (2011) komplex vízgazdálkodási kutatásai kimutatták, hogy az intenzív gyümölcsös mely területein alakulhatnak ki időszakos vízállások – a belvíz kialakulásának szempontjából – kedvezőtlen talajtani adottságok miatt. Kutatásuk nem terjedt ki a terület domborzatának vizsgálatára, ugyanakkor a 2. ábrából megfigyelhető, hogy a mélyebb fekvésű pontokon alakultak ki nagyobb valószínűséggel a felszíni vízborítások.
A
1 5 2
3 4
8 7
6
Relatív magassági értékek (m)
B
C
D
Forrás: Nagy Attila felvétele, 2010.06.04. Forrás: Nagy Attila felvétele, 2010.06.04.
2. ábra: Az AgGPS FmX fedélzeti számítógép adatai alapján (A), valamint a 3D lézeres felmérés során (B) elkészült domborzatmodellek és a 2010-es jelentősebb belvízfoltok (C, D) térbeli elhelyezkedése
A Leica ScanStation C10 lézerszkenneres felmérést 2012. március 9-én végeztük. A közel 75 millió pontból álló pontfelhő előfeldolgozásaként a domborzatmodellezés szempontjából zavaró elemeket (gyomok, gyümölcsfák, jégháló, stb.) eltávolítottuk az adathalmazból, így egy több mint 3,5 millió pontból álló adathalmazzal végeztük a domborzatmodellezést (3. ábra). A Leica Cyclone-ban a program egy szabálytalan háromszöghálót húzott a talajt alkotó pontfelhőre készült, míg a lefolyásvektorokat jelző DEM-et Krigelési technikájával készítettük Surfer 11 szoftverben.
A B
3. ábra: A Leica Cyclone 7.1 (A) és a Surfer 11 szoftverekben elkészült DEM
Következtetések és javaslatok
Méréseink során, egy speciális agrárterületen alkalmazható GPS rendszer, valamint egy – mezőgazdasági és kertészeti területen kevésbé elterjedt – 3D lézerszkenner segítségével vizsgáltuk a Debreceni Egyetem, Pallagi Kertészeti Kísérleti Telep intenzív termesztésű almaültetvényének és mikrodomborzatát. Az AgGPS rendszer által gyűjtött adatok a mérések során kisebb-nagyobb vertikális és horizontális hibával voltak terhelve, melynek mérséklésére a felvételezések adatait összeszoroztuk. Az így kapott adatok lehetőséget nyújtottak pontosan meghatározni azokat mélyebb fekvésű területeket, amelyek – domborzati viszonyok tekintetében – összegyülekezési folyamatok színtere lehet.
További vizsgálatok szükségesek annak érdekében, hogy más, pontosabb GPS- korrekciókból származó adatok mérési pontosságát mérjük össze, így még precízebb módon váljhat lehetővé a potenciális belvízborítási területek lehatárolása.
A 3D lézeres felmérés lehetőséget nyújtanak a domborzati heterogenitás milliméter pontosságú vizsgálatára, ami akár kis lejtésű területek átfogó lefolyás-összegyülekezés modellezésre is alkalmazható. Jövőben mérések lehetnek szükségesek megvizsgálni a különböző színű lézernyalábok talajtani tulajdonságokkal való reflektív kölcsönhatását, így nemcsak domborzat, hanem egy heterogén területen a talajok fizikai féleségének gyors térképezése is lehetővé válhat.
Köszönetnyilvánítás
Köszönetemet fejezem ki a Nyugat-magyarországi Egyetem, Geoinformatikai Karának, hogy rendelkezésünkre bocsátotta a Leica ScanStation C10 3D lézerszkennert, mellyel
hozzájárult a méréshez, illetve Váradi Attilának a Leica Geosystems Hungary Kft.
dolgozójának, aki a Leica Cyclone szoftverhez biztosított elérhetőséget és munkám során segítette a 3D pontfelhő feldolgozását. Köszönettel tartozom Mesterházi Péter Ákos GPS termék menedzsernek, aki a GreenSeeker 505 típusú vegetációs indexméterrel és a Trimble AgGPS FmX feldélzeti számítógéppel végzett vizsgálatokat segítette. A kutatás a TÁMOP 4.2.4.A/2-11-1-2012-0001 azonosító számú Nemzeti Kiválóság Program – Hazai hallgatói, illetve kutatói személyi támogatást biztosító rendszer kidolgozása és működtetése konvergencia program című kiemelt projekt keretében zajlott. A projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósult meg.
Irodalomjegyzék
BELVÍZ-INFO (2012): Modellezés és neurális hálózat szimuláció. Az egyedi belvízképződési mechanizmus vizsgálatán alapuló, belvíz-gyakorisági és - veszélyeztetettségi térkép előállítására képes BELVÍZ-INFO rendszer kifejlesztése projekt.
BELVÍZ-INFO Projekt (GOP-1.1.1-2008), 98 p.
Bíró T., Tamás J. (2006): Hydrodynamic and water quality model using GIS techniques. [In:
Suarez, J., Márkus, B. (szerk.): Shaping the Future of Geographic Information Science in Europe.] 9th Agile International Conference on Geographic Information Science. 345-350.
Bíró T., Thyll Sz., Tamás J., Lénárt Cs. (2000): Térinformatikai módszerek alkalmazása a belvíz-veszélyeztetettség térképezésében. MHT XVIII. Országos Vándorgyűlésének kiadványa. Veszprém. 2: 754-759.
Bozán Cs., Körösparti J., Pásztor L., Kuti L., Kozák P., Pálfai I. (2009): GIS-based Mapping of excess water inundation hazard in Csongrád county (Hungary). Proceedings of the International Symposia on Risk Factors for Environment and Food Safety & Natural Resources and Sustainable Development, Faculty of Environmental Protection. 14 (14):
678 – 684.
Dely F., Westsik V., Bencsik Gy. (2010): Belvíz képződési és belvíz információs rendszer fejlesztése. Társadalom – térinformatika – kataszter. GISopen konferencia, Nyugat- magyarországi Egyetem, Geoinformatikai Kar, Székesfehérvár. 1-9.
Heritage, G. L., Large, A. R. G. (2009): Laser scanning for the environmental sciences.
Blackwell Publishing Ltd., Oxford. 278. p.
Lénárt Cs., Bíró T., Burai P., Tomor T. (2010): Légi lézerszkenner (LIDAR) alkalmazása a vízügyi térképezésben és tervezésben. XXVIII. Országos Vándorgyűlés. Sopron. 1-6.
Lerma García, J. L., Van Genechten, B., Heine, E., Santana Quintero, M. (2008): Theory and practice on Terrestrial Laser Scanning. Editorial de la Universidad Politécnica de Valencia 261 p.
Ligetvári F. (2006): Felmelegedés és vizeink. Agroinform Kiadó, Budapest. 238 p.
Mosonyi E. (1954): Országos Vízgazdálkodási Keretterv. A Magyar Tudományos Akadémia Műszaki Tudományok Osztályának Közleményei.
Nagy A., Nyéki J, Szabó Z., Soltész M., Tamás J. (2011): Pallagi gyümölcsös talaj és vízgazdálkodási tulajdonságainak térbeli értékelése. „Klíma-21” Füzetek. 64: 115-122.
Pálfai I. (2005): Belvizek és aszályok Magyarországon (Hidrológiai tanulmányok).
Közlekedési Dokumentációs Kft. Budapest. 492 p.
Pásztor L., Pálfai I., Bozán Cs., Körösparti J., Szabó J. (2004): Quantifying and mapping lowland excess water hazard. The 19th ESRI Europen User Conference. Koppenhága, Dánia. 1-4.
Petró T. (2011): A helyi vízkár elleni védekezés helyzete napjainkban, a védekezés feladatai.
Hadmérnök. 5 (1): 172-180.
Szatmári J., Szijj N., Mucsi L., Tobak Z., van Leeuwen, B., Lévai Cs., Dolleschall J.
(2011a): A belvízelöntések térképezését és a belvízképződés modellezését megalapozó térbeli adatgyűjtés. [In. Lóki J. (szerk.) Az elmélet és gyakorlat találkozása a térinformatikában II.] Debrecen. 27-35.
Szatmári J., Tobak Z., van Leeuwen, B, Dolleschall J. (2011b): A belvízelöntések térképezését megalapozó adatgyűjtés és a belvízképződés modellezése neurális hálózattal.
Földrajzi Közlemények. 135 (4): 351-363.
Tamás J. (2003): Problems and solutions of field scale agro-ecological data acquisition and data interpretations in agroinformatical domain. Applied Ecology and Environmental Research. 1 (1-2): 143-157.
Tamás J. (2011): Vízrendezés és belvízgazdálkodás almaültetvényekben. [In: Tamás J.
(szerk.): Almaültetvények vízkészlet-gazdálkodása.] Debreceni Egyedem, AGTC Kutatási és Fejlesztési Intézet; Kecskeméti Főiskola, Kertészeti Főiskolai Kar. 263-273.
Várallyay Gy. (1989): Soil degradation process and their control in Hungary. Land Degradation & Development. 1 (3): 171-188.
Várallyay Gy. (2001): Soil conditions influencing extreme hydrological events. In: Proc. 19th European Regional Conference of ICID, Brno, Csehország. 161: 1-9.
Várallyay Gy. (2002): A mezőgazdasági vízgazdálkodás talajtani alapjai. Egyetemi jegyzet, FVM Vízgazdálkodási Osztály, Budapest-Gödöllő. 171 p.
Várallyay Gy., Rajkai K., Klimes-Szmik A. (1979): A belvízképződésre ható talajtani tényezők. MTA TAKI Budapest.
Vosselman G., Hans-Gerd M. (2010): Airborne and Terrestrial Laser Scanning. Whittles Publishing, CRC Press. 336 p.
