-
5/23/13
1
LASERSKO SKENIRANJE TERENA I OBJEKATA
Avionsko lasersko skeniranje
Izvori greaka u komercijalnim LIDAR sistemima
Greke koje se javljaju u procesu skeniranja nastaju zbog
nesavrenos0 sistema za lasersko skeniranje.
Neke rela0vne i apsolutne greke je mogue otkloniJ, ako su im
poznate uzroci.
RelaJvnom grekom se moe smatraJ odstupanje na preklopima
susednih traka.
Neke uobiajene greke su greka u merenju rastojanja od 2-3 cm,
kao i GNSS greka od 5-10.
-
5/23/13
2
Izvori greaka u sistemu za avionsko lasersko skeniranje
Glavni faktori koji koji uJu na tanost su: tanost odreivanja
rastojanja, tanost odreivanja pozicije izvora laserskog zraka,
i
pravac laserskog zraka.
OpJka svojstva materijala
Univerzitet Crne Gore, Podgorica Studijski program Geodezija
Luka ali: Magistarski Rad Stranica 22 od 93
Intenzitet signala je direktno vezan za apsorpciju samog
materijala i za transparentnost materijala, ali zavisi i od drugih
faktora koje emo kasnije prikazati. Povratni intenzitet signala se
moe izraunati po formuli:
1. Za neprovidne materijale: Refleksija materijala = 1 -
apsorpcija laserske svjetlosti materijala
2. Za providne materijale: Refleksija materijala = 1 -
apsorpcija laserske svjetlosti materijala - transparentnost
materijala
Materijal Koeficijent refrakcije Refleksija materijala
Aluminijum 1.75 0.91 Bakar 0.15 0.99 eljezo 3.81 0.64 Molibden 3.83
0.57 Nikl 2.62 0.74 Olovo 1.41 0.84 Volfram 3.04 0.58 Cink 2.88
0.58 Kalaj 4.70 0.46 Staklo 1.5 0.04
Tabela 2.2. Optika svojstva nekih materijala 2.4.1.2. RGB
mjerenja
Osim intenziteta signala, terestriki laserski skeneri sa
ugraenim kamerama mogu mjeriti i RGB (red -green- blue) komponentu
svake take. Kada se kalibrisana kamera postavi na TLS (Slika
2.13.), kamera napravi seriju slika mjerenog objekta. Na osnovu
kalibracije kamere, relativne orijentacije i njene pozicije u
odnosu na skener, slikovni zapis kamere se upotrebljava kako bi se
svakoj snimljenoj (izmjerenoj) taki dodijelila RGB vrijednost.
Kako je kamera pasivan instrument, njene vrijednosti zavise od
osvjetljenja, za razliku od vrijednosti dobijenih terestrikim
laserskim skenerom koje su nezavisne u odnosu na osvjetljenje. I
intenzitet povratnog signala i RGB komponenta su korisni za
vizualizaciju oblaka taaka, npr. prilikom odreivanja ivice zgrade
ili prilikom odreivanja promjene materijala na samom objektu
mjerenja.
-
5/23/13
3
Tanost merenja rastojanja
Tanost merenja rastojanja kod lasera sa konJnualnim zrakom
zavisi od: Frekvencije signala ili modulacije. TanosJ merenja faze,
koja zavisi od snage signala, uma, itd.
StabilnosJ oscilatora modulacije. Broj merenja koji se koriste
za raunanje prosenog rastojanja.
Turbulencije i varijacije u indeksu rafrakcije.
Tanost merenja rastojanja
Za detektor laserskih zraka je poeljno da poseduje sledee
osobine: Visoka osetljivost detektovanja odgovarajue talasne
duine.
Mala vrednost dodatnog uma koji poJe od samog detektora.
Dobra brzina detektovanja (npr. malo vreme uzdizanja primljenog
signala).
-
5/23/13
4
Tanost merenja pozicije laserskog skenera
Tanost merenja pozicije zavisi prvenstveno od kvaliteta
postprocesiranja GNSS-a.
Dodatni uJcaji: GNSS hardver, konstelacija GNSS satelita tokom
leta, broj zemaljskih referentnih stanica i njihovo rastojanje od
aviona (obino nekoliko deseJna kilometara), tanost rastojanja i
nepodudarnost izmeu GNSS i INS, i INS i laserskog skenera, i tanosJ
odreivanja pravca laserskog zraka.
Greka merenja GNSS-a se menja tokom vremena, ali je ograniena.
Integracijom GNSS-a i INS-a vremenska promenljivost se izglaava.
Tipino, sa DGPS-om i primenom postprocesiranja posJe se tanost
5-15cm.
Tanost merenja nagiba
Tanost merenja nagiba zavisi od kvaliteta i frekvencije INS-a,
interpolacione greke, metode postprocesiranja, i integracije sa
GNSS-om.
Efekat greaka nagiba na greku merenja 3D koordinata se poveava
sa poveanjem visine leta i ugla skeniranja
-
5/23/13
5
Model sistema za dinamiko lasersko skenira
Da bi se odredile koordinate jedne skenirane take sistem
kombinuje merenja sve tri komponente: laserskog skenera, INS ureaja
i GNSS prijemnika. Laserski skener meri rastojanje do merene take i
ugao pod koji je laserski zrak emitovan.
INS meri nagibe aviona oko tri ose prostornog koordinatnog
sistema i odreuje pozicije pla^orme izmeu dva merenja GNSS
prijemnika.
GNSS prijemnik meri pozicije pla^orme u pravilnim vremenskim
intrvalima
Model sistema za dinamiko lasersko skenira
-
5/23/13
6
Greka u merenju rastojanja
RazliiJ faktori doprinose greci u merenju rastojanja. esto je
teko napraviJ razliku izmeu sistematskih i sluajnih greaka.
Odstupanje rastojanja moe znaajno da se povea u zavisnosJ od
osobina povrine unutar odbitka
Greka u merenju rastojanja
Greka merenja rastojanja r Zavisi od ugla skeniranja i Ima
komponente greke u y i z pravcu Maksimalna greka visine je u sluaju
merenja take direktno ispod aviona za koju vai z = r
Deformie povrinu jer y nije linerana
-
5/23/13
7
Greka u merenju rastojanja
Komponente greke rastojanja zavise od ugla skeniranja.
One su iste za ravnu i nagnutu povrinu
Greke u merenju ugla skeniranja Vrednost koja se meri je
trenutni
ugao skeniranja i: Greka indeksa nula skenera se ne podudara sa
Z osom to rezultuje dodavanjem konstantnog ugla na izmereni ugao
skeniranja;
Greka merenja ugla skeniranja odstupanje izmerene vrednosJ od
stvarne vrednosJ i;
Greka ravni skeniranja oznaava da X osa nije normalna na ravan
skeniranja. Izraava se preko dva ugla i .
-
5/23/13
8
Greke u merenju ugla skeniranja
UJcaj greke merenja ugla skeniranja i na Y i Z koordinate
izmerene take
Greke u merenju ugla skeniranja
Greke merenja uglova skeniranja , => RL Zavisi od rastojanja
ri i ugla skeniranja i Uzrokuje greke po sve tri kooordinate
Planimetrijska greka je vea od greaka visine Maksimalna greka
visine se javlja na krajevima trake
Deformie povrinu Uzrokuje naziv horizontalne povrine
-
5/23/13
9
Greke ugradnje
Greke ugradnja sistema za lasersko skeniranje i GNSS antene se
posmatra u odnosu na INS sistem
Ako se pretpostave sledee vrednosJ parametara = 30, visina leta
H = 1000m, greke ugraivanja 0,01 za sva tri ugla, uglovi ugraivanja
= 0, = 5, = 0. Izraunate greke su prikazane u sledeoj tabeli:
greke X i Y komponente znatno vee od greke po visini
Greke odreivanja uglova ugradnje, RM
Zavisi od rastojanja ri i ugla skeniranja i Uzrokuje greke po
sve tri kooordinate Planimetrijska greka je vea od greaka visine
Maksimalna greka visine se javlja na krajevima trake
Deformie povrinu Uzrokuje nagib horizontalne povrine
-
5/23/13
10
INS greke
Greka merenja uglova ugraivanja oko X ose, , uzrokuje greke u Y
i Z koordinatama. Suprotan znak greaka po visini uzrokuje nagib
hoJzontalne povrine za ugao =
Greke odreivanja nagiba INS, RN
Zavisi od rastojanja ri, ugla skeniranja i, i INS uglova
Uzrokuje greke po sve tri kooordinate Planimetrijska greka je
vea od greaka visine Maksimalna greka visine se javlja na krajevima
trake
Deformie povrinu Uzrokuje nagib horizontalne povrine
-
5/23/13
11
Sekundarna greka visine
Sekundarna greka visine nastaje na nagnuJm povrinama i
uzrokovana je planimetrijskim grekama x i y. Koordinate take P su
odreene bez greaka
Greke Sve greke su nelinearne i deformiu povrinu. Prema
tome, povrina koja je rekonstruisana iz laserskih taaka ne moe
biJ biJ povezana sa originalnom povrinom preko similarity
transformacije.
Najvie greaka ima vee komponente po X i Y nego po visini. To je
vano uzeJ u obzir kada se laserske take koriste za rekonstrukciju
objekata, kao to su zgrade.
Neki od vektora greaka imaju istu orijentaciju. To je sluaj za
greke uglova ugradnje i greke INS, gde se orijentacija razlikuje
samo nagib pla^orme u trenutku merenja rastojanja.
Ako vektori greaka imaju istu orijentaciju oni ne mogu biJ
individualno odreeni nakon kalibracionog leta.
-
5/23/13
12
Sledea tabela prikazuje maksimalne greke komponenJ i ugao
nagiba, ako je u pitanju horizontalna povrina, visina leta H =
1000m, i ugao skeniranja = 30.
Orijentacija ureaja za lasersko skeniranje
Laserski skener meri odreeni oblak taaka odreivanjem rastojanja
i orijentacije ogledala ka reektujuim povrinama.
Ovaj odreeni oblak je stoga u koordinantnom sistemu samih
senzora. Bilo da transformiemo merenja iz dve pozicije snimanja u
isJ koordinatni sistem ili da transformiemo merenja u dravni
koordinatni sistem, podudarnost (kongruencija) transformacije mora
biJ odreena.
U primeru avionskog laserskog skeniranja, direktno
georeferenciranje je obavezujue.
-
5/23/13
13
Orijentacija ureaja za lasersko skeniranje
Skup oblaka taaka sa avionske pla^orme zahteva uvek da se
putanja pla^orme, tj. pozicija skenera i ugaono stanje konstantno
praJ.
Sa PRR od 100kHz, vrimo 100000 merenja/sec i za svako od Jh
merenja treba odrediJ njegovu spoljanju orijentaciju.
Da bi se poveala tanost, potreban je odreeni broj (i oblik)
kontrolnih taaka na zemlji koje vode ka metodama meusobnog
usklaivanja traka skeniranja.
Orijentacija ureaja za lasersko skeniranje
Podaci u avionskom skeniranju se prikupljaju po tkz.
trakama(strip). Duine traka su uslovljenje greakama smera kretanja
u IMU Trake duine na primer 20km nisu neuobiajene
iri prostori su obezbeeni stavljanjem strip-a jedan pored drugog
sa preklapanjem da bi se izbegle praznine.
Vea preklapanja mogu korisJJ poveanju preciznosJ u orijenJsanju
traka ili u poveanju gusJne taaka (prazninama strip-a od 50%)
-
5/23/13
14
Georeferenciranje Najea oprema za direktno georeferencinranje
je
kombinacija GNSS (globalni navigacioni satelitski sistem)
prijemnika i jedinica inercijalnih mera(IMU), gradei zajedno POS
(pozicioni i orientacioni sistem).
Tipino, GNSS antena je smetena na vrhu aviona i IMU je vrsto
nametena na senzorskoj pla^ormi.
Vektor GNSS antene koji ini centar taki ispaljivanja lasera, ili
preciznije take reekcije u ogledalu, se zove GNSS pomeraj. Mora da
bude meren nakon instalisanja laserskog skenera u avion.
Georeferenciranje
GNSS se korisJ iz dva razloga. U real Jme mode-u, korisJ se za
navigaciju i realizaciju planiranog leta.
Stvarni plan leta se rekonstruie na osnovu GNSS merenja najee uz
pomo diferencijalne korekcije. U kombinaciji sa kopnenom GNSS
stanicom, koja ne treba da bude dalja od 30 do 50 km od aviona,
plan leta je rekonstruiran.
-
5/23/13
15
Georeferenciranje Brzina rada GNSS prijemnika je u intervalu od
1Hz do 10Hz,
to je manje nego PRR za faktor od 10000 ili vie. Avioni obino
lete brzinom od 60ms, dok su helikopteri
neto sporiji. Srednje pozicije senzora du linije leta, ali takoe
i ugaoni polaaj je odredjen pomou IMU-a.
Frekvencija mera IMU-a je u intervalu od 200Hz sve do 2kHz.
Posmatranje spoljne orjentacije sjedinjeno u Kalman lteru i
putanji leta moe biJ odreeno sa tanou od 5 do 10cm u dobrim
uslovima. Konstantna rotacija uglova IMU-a ka okviru laserskog
skenera,
takozvanog IMU nesimetrija, je odreena izvrenjem leta
izravnavanja.
t - spoljna GNSS antena Rm - IMU nesimetrija R - rotacija
uglova
Sve mere usvojene od mulJ senzorskog sistema moraju biJ
sinhornizovane, to je mogue sa GNSS vremenskim signalom.
-
5/23/13
16
Izravnanje traka
Vea preciznost moe biJ posJgnuta primenjivanjem takozvane metode
izravnanja traka.
Zasniva se na vezi susednih taaka snimljenih skenerom Planarnost
grupe taaka na ravnoj betonskoj povrini moe biJ do 2cm
Greke u planimetriji postaju vidljive u nagnuJm terenima i
posebno na ivicama, poput ivica na krovovima ili nasipu na
prugama.
: Odstupanja izmeu taaka iz razliiJh traka
-
5/23/13
17
Izravnanje traka
Podeavanje traka takoe postaje neophodno kada spoljni GNSS
vektor ili IMU nesimetrija nisu zadovoljavajue preciznosJ
U suJni, izravnanje traka, moe biJ posmatrano kao metoda
uklanjanja sistematskih greaka u podacima.
Izravnanje traka Postoje dve metode za podeavanje traka. Jedan
je voen podacima i ne uraunava osobine senzorskog sistema.
Sistematske greke se odstranjuju pomeranjem ili naginjanjem traka
ili dodavanjem korekcionih polinoma (ili drugih funkcija) svakom
koordinantnom pravcu.
Sistematske greke se mere runo ili automatski na preklopljenim
povrinama.
Dodatno, kontrolni patch(zakrpa), analogno kontrolnim takam u
postupku izravnavanja u aero-fotogrametrijskim snimka, moe biJ
korien kako bi se poboljala orijentacija celog bloka traka.
Mana ovakvog naina podeavanja traka je da uvienje novih greke.
Polinomski model moda nee uvek biJ u mogunosJ da uzme u obzir sve
deformacije izazvane nesimetrijom u samom senzoru.
-
5/23/13
18
Odstupanja izmeu traka
Izravnanje traka
Druga metoda podeavanja traka je upotreba modela senzora Zasniva
se na povezivanju glavne koordinatne take sa merama laserskog
skenera i vanjske orijentacije.
Na ravnim povrinama, kod preklapanja, npr. krov zgrade, take sa
svih traka moraju da lee(da se nalaze) u jednoj ravni.
-
5/23/13
19
Izravnanje traka Levo: Pozadina pokazuje podatke avionskog
lasera nastale iznad
gleera. U preseku graninih strip-ova pokazane su razlike u
visini strip-ova. Tamno crveni i plavi tonovi se odnose na razlike
vee od 30cm.
Desno je prikazan princip avionskog laserskog skeniranja baziran
na uskim zakrpama (Kager, 2004)
Postupak obrade rezultata skeniranja
Posmatranje take od interesa u tri dimenzije Klasikaciju zemlje,
vegetacije, zgrada,... Klasikacija uz pomo automaJzovanih ruJna
Klasikacija 3D objekata Brisanje nepotrebnih ili netano izmerenih
taaka u ograenom podruju od interesa
Otklanjanje nepotrebnih taaka proreivanjem Detekciju objekata od
interesa Projekciju taaka u odreeni prol
-
5/23/13
20
Klasikacija
Strategije Low points Isolated points Air points Ground
Non-ground Buildings
Greske dvostrukih taaka
Univerzitet Crne Gore, Podgorica Studijski program Geodezija
Luka ali: Magistarski Rad Stranica 37 od 93
5. Greka dvostrukih taaka javlja se zbog rasipanja laserskog
zraka, kada laserski zrak osvijetli ivicu objekta snimanja, jedan
dio zraka se odbija i vraa od ivice objekta dok drugi dio zraka
nastavlja put prema povrini iza objekta, koja je ponekad na jako
velikim udaljenostima, a ponekad je uopte nema (Slika 5.2.). Konano
rastojanje se rauna kao sredina dve udaljenosti, te koordinate nisu
ni na jednoj osvijetljenoj povrini.
Slika 2.26. Greke dvostruke take: boni prikaz i laserski zrak na
ivici objekta Visoka gustoa oblaka taaka je omoguena kombinacijom
laserskog mjerenja rastojanja
i ureaja za usmjeravanje laserskih zraka - rotirajuih ogledala.
Ova komponenta ima takoe svoje greke koje utiu na tanost i
preciznost mjerenja uglova, ali za razliku od laserskog mjerenja
duina nije bila previe istraena zbog tekoe procjene samih greaka, a
i nedovoljnih informacija o samim ogledalima od strane
proizvoaa.
Kako bi se predoile greke ose u terestrikim laserskim skenerima,
uporediemo je sa geodetskim instrumentom iji princip rada je slian
totalnom stanicom. Iako ose totalne stanice ne odgovaraju osama
laserskog skenera, zbog razliitih mehanikih principa mjerenja, mogu
se koristiti kako bi se prikazale greke ose terestrikog laserskog
skenera. Tako emo ose skenera definisati kao:
1. Vertikalna osa za panoramski skener e to biti rotacijska osa
skenera. Za skenere-kamere vertikalna osa moe biti definisana kao
osa koja je upravna na osu dva meusobno upravna ogledala.
2. Vizurna osa (kolimaciona osa) to je osa koja prolazi kroz
centar ogledala skenera i kroz centar laserske zrake na objektu.
Moemo rei da se kolimaciona osa poklapa sa laserskim zrakom
skenera.
3. Horizontalna osa rotacijska osa ogledala skenera Zbog greaka
u proizvodnji, a i samih tolerancija proizvoaa, ose nisu
postavljenje
savreno i javljaju se greke: 1. Kolimaciona greka ugao izmeu
vizurne ose i normalne na horizontalnu osu
mjerene u ravni vizurne i horizontalne ose 2. Greka horizontalne
ose ugao izmeu horizontalne ose i normale na vertikalnu osu,
mjeren u ravni horizontalne i vertikalne ose.
-
5/23/13
21
Klasikacija Low points
Princip niskih taaka Klasikuje one take koje su nie u odnosu na
druge take u
okruenju. esto se koriste za pronalaenje moguih greaka ispod
zemlje. Ove ruJne obino porede uzvienost svake take sa svakom
drugom takom u okviru zadatog xy rastojanja. Ako je centar take
vidljivo nii u odnosu na druge take ona e
biJ klasikovana. Ponekad emo imaJ veu gusJnu pogrenih taaka. Ako
postoji nekoliko pogrenih taaka jednih blizu drugih, nee
biJ otkrivene ako se trai jedna niska taka. MeuJm,ova ruJna moe
takoe da trai grupu niskih taaka gde bi cela grupa bila nia u
odnosu na ostale take u blizini.
Klasikacija
Isolated points Princip izolovanih taaka Klasikuje take koje
nemaju mnogo bliskih taaka u 3D radijusu.
Ovaj princip je koristan za pronalaenje izlovanih taaka u
vazduhu ili ispod zemlje.
Prilikom klasiciranja jedne take, ovaj princip e nai koliko
taaka u okolini se nalazi u zadatom 3D radijusu. Izvrie klasikaciju
ak iako nema dovoljno susednih taaka.
-
5/23/13
22
Klasikacija
Air points Princip vazdunih taaka Klasikuje one take koje su
jasno vie u odnosu na sredinju visinu okolnih taaka.
Kada klasikujemo jednu taku , ovaj princip e pronai sve okolne
take u zadatom radijusu. Izraunae srednju visinu taaka i standardna
odstupanja. Taka e biJ klasikovana jedino ako je iznad limita
odstupanja srednje nadmorske visine.
Klasikacija Ground
Princip tla klasikuje take na zemlji. Proces poinje selekcijom
nekih niskih taaka na zemlji kao sigurni
pogodci. Ovaj princip pravi inicijalni model na osnovu
selektovanih niskih
taaka. ZaJm se kree sa uklapanjem modela dodavanjem novih taaka
na njega. Svaka dodata taka ini model realnijim.
Parametri iteracije pokazuju koliko blizu mora biJ trougaona
ravan tako da taka moe biJ prihvaena kao model. IteraJon angle
(ugao iteracije) maksimalni ugao izmeu dve take i IteraJon
distance (rastojanje iteracije) parametri obezbeuju da iteracija
ne pravi velike korake napred kada su trouglovi veliki.
Ovo nam pomae da drimo niske objekte van modela. to je manji
ugao iteracije, princip e biJ manje voljan da praJ promene u oblaku
taaka. Treba da korisJmo manje uglove na ravnim i velike uglove na
brdovitm terenima.
-
5/23/13
23
Klasikacija
Klasikacija
Non-ground Ovaj princip klasikuje one take koje imaju drugu taku
u neposrednoj blizini i druge take pod strmim uglom silazno.
U principu, klasikuje one take koje ne mogu biJ ground take zato
to je nagib ka drugoj taki veoma strm.
Ova ruJna uporeuje centar svake take sa drugim takama u zadatom
xy rastojanju. Ako verJkalni ugao od jedne take do centra druge
take prelazi dozvoljeni limit, taka e biJ klasikovana.
-
5/23/13
24
Klasikacija
Buildings Princip zgrada Klasikuje take na zgradama koje
formiraju neku vrstu ravni.
Ova ruJna zahteva da ve imamo pripremljene klasikacije tla.
Takoe je preporuljivo da se prvobitno klasikuje niska vegetacija
tako da se jedino take iznad 2 metra od zemlje razmatraju kao mogue
zgrade.
Algoritmi za klasikaciju taaka dobijenih laserskim
skeniranjem
Algoritam za klasikaciju niskih taaka Algoritam za klasikaciju
taaka na terenu Algoritam za poravnavanje taaka Algoritmi za
izravnanje traka skeniranja
-
5/23/13
25
Algoritam za klasikaciju niskih taaka
Parametri algoritma za pronalaenje niskih taaka
Poluprenik
Visinsko odstupanje
Algoritam za klasikaciju taaka na terenu
Parametri algoritma za pronalaenje taaka na terenu
Parametar iteracionog rastojanja
Ugao
Rastojanje
-
5/23/13
26
Algoritam za poravnavanje taaka