Časopis 112 ROČNÍK XXII ČÍSLO 5/2023

V květnovém čísle časopisu si můžete mimo jiné přečíst o požáru a následném výbuchu v bytě v Českém Těšíně způsobeném technickou závadou při nabíjení powerbanky, dále o taktickém cvičení složek integrovaného záchranného systému u mimořádné události. Námět byl inscenován do prostředí leteckého dne, kdy došlo k pádu malého sportovního letadla do davu přihlížejících diváků. Dozvíte se zajímavosti o spuštění tísňové komunikace formou krátkých textových zpráv na linkách 112 a 150, nebo o mimořádných událostech řešených na úrovni Evropské unie. 

V roce 2022 postihla Českou republiku (ČR) jedna z největších přírodních katastrof za dobu existence samostatného státu. Jednalo se o požár v Českém Švýcarsku, jenž byl velkou výzvou pro celý Hasičský záchranný sbor České republiky (HZS ČR) a který prověřil i využité technologie pro práci na tomto území. Velkým přínosem při této katastrofě byly bezpilotní prostředky a data z nich pořízená. Článek shrnuje proces sběru dat bezpilotními prostředky, jejich zpracování a následné zpřístupnění/publikování.

Národní park České Švýcarsko: základní charakteristika 
„Lesy táhnoucí se kam oko dohlédne, hluboké rokle a soutěsky, průzračné bystřiny a mohutné věže pískovcových měst. Takový nevšední svět na vás čeká v krajině plné tajemství – v Českém Švýcarsku.“ [3] Národní park (NP) České Švýcarsko je jedním ze čtyř NP v Česku. Nachází se v Ústeckém kraji, v okrese Děčín mezi obcemi Hřensko, Chřibská a Brtníky. Zaujímá oblast při státní hranici s Německem, která ho odděluje od NP Saské Švýcarsko. Jeho rozloha činí 79,23 km².
NP České Švýcarsko byl založen v roce 2000. Jeho hlavním úkolem je ochrana bohatství unikátního komplexu pískovcových měst a skalních stěn, jedinečných endemitů z rostlinné i živočišné říše. NP Saské Švýcarsko je jediným NP v Sasku a je jediným skalním NP v Německu. Status NP byl vydán v roce 1990.

Obr.1 Rozsah požáru v NP České Švýcarsko

Lesní požár v Českém a Saském Švýcarsku 

Lesní požár v Českém Švýcarsku vypukl 23. července 2022 v NP nedaleko Hřenska. 24. července 2022 před 8. hodinou ranní byl vyhlášen 2. stupeň požárního poplachu jednotkám požární ochrany, které vyjely k požáru lesního porostu do obce Hřensko [10]. Ten postupně zasáhl více než 1 600 ha plochy parku (obr. 1). Pro hašení požáru se využily vrtulníky, letadla, celkem přes 400 kusů techniky a dohromady bylo nasazeno více než 6 300 hasičů [6]. V pondělí 25. července se požár rozšířil na německou stranu do oblasti Saského Švýcarska, kde zasáhl plochu 250 ha. Šlo o nejrozsáhlejší lesní požár v novodobé historii Česka i Saska. Požár byl na českém území uhašen po 21 dnech nepře­tržitého nasazení a na německé straně o týden později.

Využití bezpilotní techniky pro sběr obrazových dat

Bezpilotní prostředek nebo bezpilotní letadlo (UAV – Unmanned Aerial Vehicle) je letadlo bez posádky, které je řízené dálkově řídicím zařízením ovládaným pilotem UAV nebo je schopné letět automaticky i autonomně pomocí předdefinovaných letových plánů. Pokud se hovoří o celé soustavě (pilot, UAV a dálkově řídicí ovladač), tak se jedná o bezpilotní systém (Unmanned Aerial System). Existuje několik různých terminologií pro pojmenování bezpilotního prostředku, UAV je nejsofistikovanější a dron je veřejnosti nejznámější.
První UAV, které se jmenovaly Aerial Target 0, se objevují v 1. světové válce. Jejich tvůrcem byl profesor Archibald Montgomery Low. Další typy UAV vznikají během 2. světové války a patří mezi ně i V-1 a V-2 německého konstruktéra Wernhera von Brauna. Vývojový trend UAV se opírá o vývoj průmyslu informačních technologií, zejména jejich rostoucího výkonu a miniaturizace. Historicky jsou v informačních technologiích velké skoky v důsledku válek, pro UAV tomu není jinak. Velký zájem o UAV nastává v 80. a 90. letech 20. století a také kvůli válce v Perském zálivu, kde se UAV využívají jako průzkumné i jako útočné stroje [1]. Ikonickým bezpilotním strojem pro toto období je MQ-1B Predator (obr. 2).

Obr. 2  MQ-1B Predator

Pro civilní sféru jsou začátky bezpilotních leteckých prostředků spojeny spíše s RC modely letadel nebo vrtulníků. Velkým skokem pro UAV v civilní sféře je počátek nového tisíciletí, a to zejména s příchodem strojů Phantom od čínského výrobce DJI [4]. Podle citování klíčových slov „UAV“ a „drone“ na Google Ngram [5] je patrný tento skok i v literatuře (obr. 3).

Obr. 3 Výřez výsledků z Google Ngram pro pojem UAV a drone

UAV se dají dělit podle nejrůznějších kritérií, např. typu pohonu, tvaru, rozměrů, nosnosti a jiných parametrů. Nejzákladnější dělení je podle hmotnosti UAV, resp. podle maximální vzletové hmotnosti (MTOW). S MTOW často souvisí i konstrukce UAV, kde převažuje stavba draku typu quadrokoptéra, tedy UAV se čtveřicí ramen s rotory. Hmotnostní rozdělení UAV se využívá i pro legislativu o provozu bezpilotních prostředků. Dřívější předpis L 2 rozděloval MTOW do čtyř kategorií a v každé kategorii se rozdělovaly předpisy létání pro rekreačně sportovní létání a pro výdělečné, experimentální a výzkumné létání. Současná legislativa nahlíží na provoz UAV trochu odlišně a bezpilotní prostředky dělí také podle hmotnosti [8].
Samotné UAV je víceméně jen „hračka“, teprve se správným snímacím zařízením se posouvá na hranici nepostradatelné technologie pro přenos dat. Nejčastějším snímačem je klasická kamera, která snímá obrazová data ve viditelné části spektra (RGB). Tento snímač bývá z principu vestavěn v draku UAV, často zavěšen na stabilizačním gimbalu (dvouosý, tříosý) a poskytuje živý přenos pro pilota. UAV větší konstrukce mívají přidanou konzoli pro zavěšení dalších typů snímačů, ze kterých mohou přenášet obrazová data z různých částí elektromagnetického spektra současně pilotovi. Mezi nejčastěji využívané spektrum mimo RGB je snímání infračervené části spektra (IR, termální spektrum), které snímá tepelné záření, tedy část spektra nad viditelnou částí [7]. IR snímač se využívá např. pro detekci skrytých ohnisek požáru, při hledání osob nebo zvěře [11], pro detekování teplotních úniků a pro jiné aplikace, kde se využije snímání v této části spektra.
Mimo snímače RGB a IR záření se dají na UAV připojit laserové snímače neboli LIDAR [2], které již netvoří obrazová data. LIDAR je metoda dálkového měření vzdálenosti na základě výpočtu doby šíření pulsu laserového paprsku odraženého od snímaného objektu. Tento přístup lze použít pro měření vzdálenosti, mapování terénu aj. Výstupem tohoto snímače je mračno bodů, které lze po zpracování převést na model terénu.

Zpracování dat z UAV

I když obrazová data pořízená UAV jsou velmi užitečná, jedná se o individuální snímky, které lze zobrazit. Vhodnější je však složit je do celistvého snímku neboli mozaiky. Celistvá mozaika může být jak plošná, tak objemová (2D nebo 3D model). Pro skládání se využívá nejrůznějších softwarových nástrojů, podle účelu výstupu. 
Na případové studii (požár Hřensko) se využívaly UAV k dvěma účelům. Prvním z nich bylo hledání skrytých ohnisek požáru IR snímačem. Druhým byla dokumentaristická část, pro snímání RGB obrazových dat a celého zasaženého území. V prvním případě se využíval okamžitě při požáru. Druhý záměr a zejména jeho druhá část (snímky celého zasaženého území) bylo potřeba zpracovat. Pro tento případ byla data zpracována v centrálním datovém skladu HZS ČR v Institutu ochrany obyvatelstva v Lázních Bohdaneč (CDS).

Obr. 4 Rozdělení zasaženého území na sektory pro lety s UAV

Vstupní data byla tvořena za pomocí plánovaných letů, které pokrývaly jednotlivé sektory zasaženého území (obr. 4). To bylo rozděleno na 
42 sektorů, které bylo potřeba nasnímat. Pro snímání jednotlivých sektorů se využívalo plánovaného letu s identickými parametry letu. Výstupem těchto letů pro jeden časový horizont je datový set obrazových dat, který obsahuje skoro 180 GB dat ve 25 332 snímcích, jak je patrné z obr. 5. Tento objem dat bylo potřeba zpracovat do celistvého snímku. Pro jejich skládání byl použit softwarový nástroj Pix4Dmapper. Jedná se o fotogrammetrický nástroj, který umožňuje skládat snímky do 2D i 3D výstupů a umožňuje využít pro výpočty i grafickou kartu.

Obr 5 Objem dat a jejich pozice v prostoru

Takto velký objem dat si vyžadoval potřebný čas na zpracování. To probíhá ve třech fázích [9]. První fáze je inicializační, v ní se extrahují klíčové body na jednotlivých snímcích, u těch se následně hledá shoda na dalších snímcích, optimalizuje se kamera (kalibrace a vnější parametry) a dochází ke geolokaci. Ve druhé fázi dochází k automatické stavbě mřížky bodů z prvního kroku a vzniká i mračno bodů. Ve třetím kroku vzniká digitální model povrchu a ortomozaika. Z pohledu časové náročnosti je nejtěžší krok první fáze, která trvala dva dny a 21 hodin. Druhý a třetí krok jsou už méně náročné a trvaly devět, respektive 1,25 hodin. Tyto hodnoty zpracování byly dosaženy na počítači s konfigurací v tabulce.

Na obr. 6 a obr. 7 jsou výstupy zpracování dat ve formě ortofoto mozaiky (celistvé mozaiky) a 3D modelu povrchu. 3D model byl vytvořen ve dvou formách, a to v mračnu bodů a trojúhelníkové síti. Ortofoto mozaika disponuje prostorovým rozlišením 12,07 cm/px. Výsledná mozaika je dost velký soubor a pro následné prohlížení je takovýto soubor téměř nepoužitelný. Proto následoval další krok – převést mozaiku na mapové dlaždice, kde se při prohlížení přenáší pouze zobrazovaná data, čímž je dosaženo vysoké rychlosti načítání. Pro vytvoření mapových dlaždic byly využity nástroje firmy ESRI, a to na tvorbu dlaždic ArcGIS PRO a na zpřístupnění do interní sítě ArcGIS SERVER, kde mapové dlaždice fungují jako služba a lze je načítat nad jinými mapovými podklady.
 

Obr. 6 Výsledná mozaika	Obr. 7 Ukázka 3D modelu (mračna bodů)

Na počátku zpracování dat docházelo k obtížím, kdy při spuštění tvorby mozaiky docházelo k pádu aplikace. Tento problém se po delší době podařilo vyřešit spouštěním jednotlivých kroků procesování dat samostatně a úpravou parametrů. Závěrem lze konstatovat, že požár v Hřensku byl zlomový okamžik pro HZS ČR, zejména pro využívání technologií UAV a zpracování dat v CDS. Ale přineslo to nová poznání, která se budou moci využít v budoucnu.

Ing. Jakub JECH, Ing. Zdeněk ČERVENKA, Institut ochrany obyvatelstva, foto archiv Institutu ochrany obyvatelstva

Seznam použitých zdrojů:

[1]    Air Force [online]. [cit. 2023-02-03]. Dostupné z: https://www.af.mil/About-Us/Fact-Sheets/Display/Article/104469/mq-1b-predator/
[2]    Collis, R. T. H. (1970). Lidar. Applied optics, 9(8), 1782-1788.
[3]    České Švýcarsko [online]. [cit. 2023-01-30]. Dostupné z: https://www.ceskesvycarsko.cz/cs/ceske-svycarsko
[4]    DJI Phantom Series [online]. [cit. 2023-02-01]. Dostupné z: Google Ngram [online]. [cit. 2023-02-01]. Dostupné z: https://books.google.com/ngrams/graph?content=drone%2CUAV&year_start=1800&year_end=2019&corpus=en-2019&smoothing=3
[5]    Google Ngram [online]. [cit. 2023-02-01]. Dostupné z: https://books.google.com/ngrams/graph?content=drone%2CUAV&year_start=1800&year_end=2019&corpus=en-2019&smoothing=3 
[6]    Hasičský záchranný sbor ČR – Twitter [online]. [cit. 2023-02-03]. Dostupné z: https://twitter.com/hasici_cr/status/1609123118106263553?s=20&t=lNg84baWHgVBLXfETMRxhw
[7]    Kania, P. (2007). Infračervená spektrometrie. PRAHA: VŠCHT PRAHA [cit. 2018-04-25]. Dostupné z: https://www.vscht.cz/files/uzel/0005766/Infra% C4% 8Derven% C3% A1+spektrometrie.pdf
[8]    Letecká informační služba [online]. [cit. 2023-02-01]. Dostupné z: https://aim.rlp.cz/?lang=cz&p=uas-drony 
[9]    Pix4D – processing steps [online]. [cit. 2023-02-03]. Dostupné z: https://support.pix4d.com/hc/en-us/articles/115002472186-Processing-steps 
[10]   Požár národního parku České Švýcarsko [online]. [cit. 2023-02-03]. Dostupné z: https://www.hzscr.cz/clanek/hzs-usteckeho-kraje-menu-informacni-servis-zpravodajstvi-2022-cervenec-pozar-narodniho-parku-ceske-svycarsko.aspx?q=Y2hudW09Mg%3d%3d 
[11]    Stop! Sečení srnčat [online]. [cit. 2023-02-03]. Dostupné z: https://stopsecenisrncat.cz/drony-a-termovize

vytisknout  e-mailem  X Corp.   Facebook