Hogeschool Gent Faculteit Natuur en Techniek
Academiejaar 2014-2015
Topometrie 1: Meetmethodes 1
Driedimensionale Lasserscanning
Devin De Brabander 1ste Bachelor vastgoed landmeten
INLEIDING
Lasserscanning is één van de laatste ontwikkelde meetmethodes binnen het landmeten, hierbij wordt gebruik gemaakt van een driedimensionaal lasserscanner. Het toestel gaat met een zeer grote snelheid alle punten rondom zich opmeten, hierdoor wordt een enorme puntenwolk bekomen op zeer korte tijd. Er worden 2 werkingstypes onderscheiden van de laserafstandmeting, er zijn puls scanners geschikt voor grotere afstanden en er zijn faselaserscanners geschikt voor kortere afstanden door hun kort bereik. Om al deze gegevens te kunnen verwerken is specifieke software nodig, maar kan via plug-ins worden mee gewerkt in al bestaande software zoals in AUTO CAD. Het meeste werk kruipt bij deze techniek in de verwerking van deze enorme puntenwolk. Recentere 3D scanner beschikken over een camera, hier mee worden dan foto’s genomen zodat men direct een ingekleurd beeld kan verkrijgen bij de scan, zodat de interpretatie veel gemakkelijker gaat. De techniek is bruikbaar voor kleine ruimtes zoals lokaaltjes tot zeer grote ruimtes, zoals industriële sites. De toepassingen zijn zeer uitgebreid, de laserscanners worden gebruikt in de industrie, wegenbouw, architectuur, erfgoed, ongevallen analyse, mijnen, … ze kunnen vast gemaakt worden aan verschillende voertuigen zoals drones, wagens, … voor een zeer snelle en uitgebreide opmeting. Via verschillende opstellingen kan men zo bekomen tot een uitgebreide opmeting. Deze toestellen hebben een zeer hoge kostprijs van ongeveer 100 000 euro, maar ze leveren in zeer korte tijd een enorme hoeveelheid aan data. Hierbij heeft men soms te veel data die men niet nodig heeft. Het voordeel hiervan is dat men nooit te weinig heeft gemeten en kan het nadien nog gebruiken voor andere projecten. De nieuwste soort toestellen multistations genaamd, zijn totaalstations die nog een bijhorende functie er bij hebben, dat ze laserscanning kunnen uitvoeren. Zo kan men tijdens het meten een bepaald onderdeel gaan inscannen, zonder hierbij nog een lasserscanner te gaan gebruiken.
ONTSTAAN
Laserscanning is een techniek die al ontstaan is in de jaren 1960. Maar kende pas zijn doorbraak einde jaren 1990. In 1993 creëerde het bedrijf Cyra Technologies een van de eerste laserscanners, dit werd bedrijf opgekocht door Leica Geosystems. De laserscanning kon pas later doorbreken wanneer er de harde schijven krachtig genoeg waren om de enorme puntenwolken te kunnen opslaan, want deze vragen enorm veel datagebruik. 2
WERKING
De werking van het opmeten met een laserscanner is gelijkend aan deze van het reflector loos meten met een totaalstation. Het grote verschil is dat hier in plaats van met een kijker er met een roterende spiegel wordt gewerkt. Een laserstraal wordt uitgestuurd door de laserscanner en wordt door de objecten teruggekaatst, als het signaal nog voldoende sterk is kan het worden opgevangen door de laserscanner. Hierbij meet het toestel telkens de horizontale en azimutalehoek en de afstand tot het punt. Hieruit berekent het toestel dan de x, y en z coördinaat van het punt. Dit kan het toestel doen voor tot wel 1 miljoen punten per seconde. Al deze gegevens worden opgeslagen op de harde schijven van het toestel. Het toestel kan een beeld vormen van 360 graden rondom zijn as en kan in de verticale as kan het enkel de onderkant niet meten door de belemmering van zijn eigen. Dit kan variëren van het verticale hoek van 270 graden tot 320 graden. Bij het uitgezonden laser zijn er twee werkingsprincipes namelijk de puls scanner en de faselaserscanner.
Fasegestuurd of pulsgestuurde scanners
Puls gestuurde scanner of een time-of-flight scanner, gaat de tijd meten tussen het uitsturen van de laserimpuls en het terug ontvangen van het gereflecteerde lasersignaal. De nauwkeurigheid van de meting hangt hier af van de nauwkeurigheid van de tijdsbepaling. Deze methode is niet afstandsafhankelijk heeft dus een groter meet bereik. Het nadeel aan deze techniek is dat een 2de laserpuls slecht kan verstuurd worden als het vorig ontvangen is. Dit zorgt voor een tragere opmeting. Fase gestuurde laserscanners. Gaan het fase verschil tussen het verstuurde signaal en het ontvangen signaal. Hierdoor is het wel afstandsafhankelijk en kan men maar tot 50m gaan voor een nauwkeurige opmeting. Het voordeel bij deze techniek is dat het signaal niet hoeft te wachten tot het teruggekeerd is want er wordt een constant signaal uitgestuurd. De nauwkeurigheid is afhankelijk van hoe nauwkeurig het fase verschil kan bepaald worden. Een fase scanner zal nauwkeurigere metingen uitvoeren voor afstanden kleiner dan 50m, zijn nauwkeurigheid neemt wel af met de afstand. producenten van 3D scanners hebben meestal een fase gestuurde laserscanner als een puls gestuurde scanner zodat men groter publiek kan bereiken.
3
Z+F IMAGER 5010C
Is een van de nieuwe generaties laserscanner, door verbeterde technologie kan het verder meten dan de 50m, het geraakt aan afstanden tot 187m bij goede reflectie wat zeer ver is voor een fase laserscanner. Deze scanner haalt een snelheid van meer dan 1 miljoen punten per seconde die worden opgemeten, het behoort hiermee tot 1 van de snelste laserscanners ter wereld. De scanner kan alles opnemen rondom zich door de horizontale hoek 360 graden en met verticale hoek van 320 graden door het enkel het onderstuk die niet kan opgemeten worden. Door de camera aan boord van Z+F imager 5010C is het mogelijk om een mooie kleuren 3D scan af te leveren als eind resultaat, die de interpretatie zeer eenvoudig maakt.
Figuur 1: Z+F Imager 5010C laserscanner Bron: http://www.zf-laser.com/Z-F-IMAGER-R-5010C.3d_laserscanner.0.html?&L=1
Leica scanstation C10 en P20
Is een puls gestuurd laserscanner van Leica. Het kan tot afstanden van 300m meten bij goede reflectie. Heeft een gezichtsveld van 360 graden horizontaal en 270 graden verticaal. Haalt een scansnelheid van 50.000 punten per seconde. De P20 Leica scanstation een puls scanner heeft kleiner bereik tot 120m maar haalt snelheden van 1 miljoen punten per
4
seconde. Beide bevatten een camera om een makkelijker verwerking te kunnen uitvoeren. Op de Leica scanstations, zijn ook compatibel met andere landmeetapparatuur. Zo kan en een gps ontvanger van boven op de lasserscanner plaatsen (zie figuur 2), men gaat op deze manier de exacte locatie kunnen bepalen van waar men stond opgesteld. Een andere mogelijkheid is om een prisma reflector op de scanner te bevestigen zodat men via een totaalstation de positie van de laserscanner kan mee gaan opnemen.
Figuur 2: Leica C10 scanstation met gps ontvanger Bron: Brochure Leica scanstation C10
UITVOERING
Bij het uitvoeren van een 3d laserscanning gaat men op dezelfde manier tewerk om op te stellen als bij een meting met een totaalstation. Zo plaatste met de laserscanning op een driepikkel. Net als bij een totaalstation gaat men boven een bepaald punt gaan centreren of men doet een vrije opstelling. De laserscanners beschikken namelijk over een laserlood of andere methoden om te kunnen centreren Voor een makkelijke referentie bepaling, gaat men gebruik maken van targets, dit zijn plaatjes die geplaatst worden in het op te meten gebied en die gebruikt worden als referentie punten. Voor als men meerdere opstellingen gaat uitvoeren. Zo kan men als men veranderd van opstelpunt de targets opnieuw gaan inmeten, voor dezelfde referentie te kunnen gebruiken. Als men een scanning heeft uitgevoerd vanuit een bepaald opstelpunt, meet men eerst zonder targets om geen hinder te veroorzaken door de targets. Daarna deze pas in te meten. Vervolgens bij de volgende opstelling eerst de targets inmeten en deze dan pas verwijderen zodat de targets op dezelfde plaats zijn blijven staan, zodat de referentie met de vorig meting blijft. Bij de opstelpunten worden targets op geplaatst, zodat met het vorig en volgende opstelpunt kan 5
inscannen en op deze manier een aaneengesloten meting gaan uitvoeren Voor naar het volgend punt te gaan moet men opnieuw eerst een reeks target punten gaan inmeten. Om het nauwkeurigst te werk te kunnen gaan, neemt men meestal een paar ongewijzigde targets te gaan gebruiken zodat men een nauwkeurige registratie kan maken.
Bij iedere meting worden miljoenen punten opgemeten telkens met een x, y en z coördinaat, berekent automatisch uit de afstand, horizontale hoek en de zenitale hoek. De gegevens worden opgeslagen in het toestel en worden er nadien uitgehaald voor de verwerking ervan.
Figuur 3: target disc
Figuur4: checker target plate bron: www.go3dusa.com
bron: http://meet-tekenwerk.nl/
VERWERKING
De verwerking van deze enorme puntenwolk voort specifieke software, maar ook met de reeds bestaande programma’s om landmeetkundige date te verwerken is het mogelijk. Autocad, Pythagoras, enz. beschikken over plug ins om deze punten wolken te verwerken. De producenten van de toestellen beschikken meestal over bijhorende software waarmee de puntenwolken het best mee kunnen geregistreerd worden. De verwerking van de gegevens neemt veel tijd in beslag, door de toevoeging van de camerabeelden van de scanners gaat het verwerken een stuk vlotter. Het meeste tijd kruipt in de verwerking ervan, de meting is zeer snel gebeurt. De software kan opgedeeld worden in 3 delen. Registratie-, visualisatie- en modelleringssoftware.
6
Bij de registratie software, gaat de verschillende puntenwolken tot 1 geheel samenvoegen. Hierbij wordt ofwel gebruik gemaakt van target-to-target registratie, bij deze vorm gaat men de targets die gebruikt zijn tijdens het meten linken met elkaar vanuit de verschillende opstelpunten. Deze registratie techniek is de meest nauwkeurige. Een andere registratie methode is de cloud-to-cloud methode deze moet worden gebruikt als er geen gebruik is gemaakt van targets. De software via algoritme zelf de transformaties uitvoeren, hiervoor is er een overlap nodig van de puntenwolken onderling van 30 tot 40 procent. De modelingssoftware is het de bedoeling om geometrische figuren te gaan creëren uit de enorme puntenwolken, hiervoor heb je verschillende softwarepakketten.
Voor en nadelen in vergelijking met totaalstation
Voordelen met totaalstation: je kan zelf bepalen welke punten je gaat op meten, zo heb je geen onnodige gegevens, sommige verborgen punten kunnen ook opgemeten worden. Bij opmeten met een totaalstation gaat bij het een in meten van punt een code meegeven wat de verwerking inkort. Voordelen met laserscanner: veel kortere meettijd dan met een totaal station. Er kan ook gemeten worden in het donker. Alles in het gezichtsveld wordt opgemeten. Er kan blijven info uitgehaald worden, voor nieuwe opdrachten kunnen dezelfde meetgegevens gebruikt worden als de nadruk op iets anders van het gebied ligt.
TOEPASSINGEN
Met een laserscanning kan je statische metingen uitvoeren maar is het mogelijk om dynamische opmeting uit te voeren door het toestel te bevestigen aan een voertuig. Enkele voorbeelden van statische laserscanning. In de industrie meer specifiek in de petrochemie heeft de techniek vooral nut voor de pijpinstallaties in kaart brengen. Buizen hebben eenvoudige vormen en zijn dus makkelijk te herkennen. Tegenwoordig herkent de software al automatisch de buizen en worden ze automatisch getekend. Dit zorgt voor zeer efficiënte werking en krijgt men snel een deftig beeld van de pijpinstallaties. Een andere toepassing is het inmeten van erfgoed, zoals oude gebouwen of monumenten in kaart brengen. Zo blijf er altijd een digitale kopie van bestaan. Door de nauwkeurigheid van de laserscanner kan elk detail opgenomen worden, zodat als het ware een exacte kopie wordt gemaakt. Dit kan nuttig zijn voor het in kaart brengen van het gebouw, voor restauraties uit te voeren of dat het voor altijd blijft bestaan. 7
voor gewone opmetingen wordt het ook gebruikt, naar gelang wat gevraagd is wordt er maar een bepaald deel op het volledige gebied opgemeten en door naar meerdere opstelpunten te gaan. Men voert op deze manier dezelfde meting uit als met een totaalstation. Bij de mijnindustrie kent de laserscanner veel nut voor onder andere volumes te gaan bepalen van het ontgonnen stuk of om de uitputting van de grondstoffen te gaan nagaan, of een digitaal terreinmodel gaan creëren van de steengroeve. Zelf bij de politie kan men de hulp in roepen van de laserscanner, door de scene van het ongeval of misdrijf op te meten, zodat nadien snel kan teruggekeken worden naar hoe het eruit uitzag en dat de scene snel kan opgekuist worden. met de bekomen data kan men een reconstructie uitvoeren van de misdrijf of het ongeval. Zo zijn zeker alle objecten en mogelijke factoren opgemeten, zodat hun positie achteraf nog kan bepaald worden, ook al werd het niet meteen vastgesteld.
Toepassingen op het gebied van dynamische laserscanning zijn onder meer voor het inmeten van een wegenis. Hierbij wordt een worden 1 of meer laserscanners op het dak van een auto bevestigt, gaat men rijden en terwijl een opmeting uitvoeren. Hierbij worden mogelijk ook gps apparatuur gebruikt zodat een nauwkeurige meting kan uitgevoerd worden met positie bepaling. op rivieren kan een laserscanning uitgevoerd worden, wordt er een scanner op een boot geplaats en zo de oevers van de rivieren deftig inmeten. als er op de bodem moet gescand worden bestaan er tegenwoordig al onderwaterlaserscanners die het mogelijk maken om een nauwkeurig scan te gaan uitvoeren onder het wateroppervlak. Een zeer belangrijke toepassing nog voor de dynamische laserscanning is in de lucht. Hierbij wordt een scanner onderaan een vliegtuigtuig, helikopter of drone bevestigd kunnen, hierdoor kunnen grote gebieden opgemeten worden. zodat zelfs steden in 3D kunnen worden voorgesteld. Hierdoor kunnen het meeste punten oppervlakte gemeten, worden en is beter dan elke andere techniek voor deze toepassing.
MULTISTATIONS
Een multistation is voor een deel een laserscanning toestel. Het is een totaalstation en een laserscanner in één toestel. Hierdoor kan je tijdens het inmeten met een toestel overschakelen naar laserscanner, als je bijvoorbeeld een volume wil bepalen, of een gedetailleerde opmeting wil hebben van een bepaald stuk. Een voorbeeld van zo een toestel is de Leica nova ms50 is 1 van Leica’s nieuwste ontwikkelingen. Hierdoor scan je tijdens je meting wat nodig is en meet je de rest als met een totaalstation. De laserscan toepassing is 8
wel een stuk minder snel dan een laserscanner, het meet maar met een snelheid van 1000 punten per seconde op een afstand van 300m. Het bereik ligt wel een stuk verder.
PROJECTEN
Laserscanning kan voor grote en kleine gebieden gebruikt worden. een voorbeeld van een kleine ruimte is een opmeting van een klein zeiljacht voor een bedrijf die zich specialiseert met de interieurbouw. De meting werd uitgevoerd door PelserHartman. Hierbij werd de scanner in het kleine bootje geplaatst, het inscannen van referentiepunten is tegenwoordig niet meer nodig wat, zorgt voor minder tijdverlies. Op de foto’s kan je het resultaat zien, kan je een gedetailleerde opmeting zien van de binnen kant van de zeilboot. Van deze opmeting konden dan 2d doorsnedes van zeilboot afgeleverd worden. de hele opmeting zou een klein uurtje in beslag hebben genomen.
Figuur 5: puntenwolk opmeting klein zeiljacht Bron: http://meet-tekenwerk.nl/inmeten/3d-inmeten-boten-voor-jachtbouw-2/
Een ander voorbeeld nu van een iets groter gebied de Kennedytunnel in Antwerpen opgemeten door PelserHartman. Het bedrijf Renotec NV deed de restoratie in de Kennedytunnel, Om dit te kunnen realiseren deed PelserHartman een volledige opname van de tunnel zodat Renotec NV exact kon bepalen waar er overal moest gerestaureerd worden. Bij de opmeting werd er gebruik gemaakt van fototechnieken om een totaal beeld te kunnen afleveren. Ze maakten gebruik van auto target recognitiën, dat de targets automatisch werden geregistreerd door de software achteraf. Dit zorgde voor een snellere werking, en de hele tunnel van 500m werd in ongeveer 12u volledig in kaart gebracht. PelserHartman bewijst dat een laserscanning niet altijd nuttig is. Zo experimenteerde om een terreinmeting te gaan doen bij de olifanten safari in de beekse bergen hierbij moest de 9
over goed opgemeten worden van een waterpartij die 2 gebieden verdeeld. Het resultaat was niet goed, de oeverlijnen waren niet correct opgemeten en zagen er vertroebeld uit op de data. Dit kwam door de brekingsindex van het water en door de slechte zichtlijnen. Een laserscanner kent dus niet altijd zijn nut en kan men toch best gebruik maken van de traditionele methoden.
BESLUIT
Laserscanning is een zeer efficiënte techniek, door zijn enorme snelheid en enorme verzameling aan data die er wordt door bekomen. Door de verschillende types kunt u zelf bepalen wat u vereist van u toestel, als het nu om kleine ruimtes gaat dat je beter met een fase gestuurde laserscanner werkt in plaats van met een puls gestuurde scanner, voor de beste nauwkeurigheid en dus resultaat. Voor grotere afstanden kan je dan niet anders dan voor een puls gestuurde laserscanner te gaan, maar nu zijn er al fasetoestellen op de markt die een groter bereik hebben. Het werken met een laserscanner is zeer eenvoudig, het doet bijna al het werk voor u je hoeft enkel het toestel op te stellen en ingeven wat er exact moet opgemeten worden. Voor referentie te kunnen doen maak je best gebruik van targets, met de nieuwste software worden ze al automatisch gedetecteerd. Het gebruik van de 3D laserscanners kent vele toepassingen, zoals in de petrochemie, voor alle pijpleidingen, of voor restauratie werken op gebouwen, ook voor een digitale kopie van erfgoed zodat ze wel altijd wel een kopie van blijft bestaan en zelf bij de politie wordt er gebruik van gemaakt voor het nemen van de scene van een ongeval of inbraak zodat nadien alles kan worden herbekeken als er iets over het hoofd is gezien. De multistations zijn de nieuwste ontwikkelingen waar de het principe van laserscanner in verwerkt is, zo kan men nu terwijl ze een meting uitvoeren, enkele onderdelen scannen. Zodat je niet nog eens een laserscanner moet gaan gebruiken.
10
LIJST VAN FIGUREN
Figuur 1: Z+F Imager 5010C laserscanner Figuur 2: Leica C10 scanstation met gps ontvanger Figuur 3: target disc Figuur4: checker target plate Figuur 5: puntenwolk opmeting klein zeiljacht
REFERENTIE
Niet digitale bron
De Wulf, A. (2012). Inleiding Topografie. Gent: Academia Press.
Digitale bronnen
Plato 3D (2010). Geraadpleegd op 5 december 2014 via www.plato3d.be PelserHartman BV(2014). Geraadpleegd op 3 december 2014 via http://meet-tekenwerk.nl Datasheet Leica scanstation P20 (2013). Geraadpleegd op 3 december 2014 via http://www.leica-geosystems.be/downloads123/hds/hds/ScanStation_P20/brochuresdatasheet/Leica_ScanStation_P20_DAT_nl.pdf Datasheet Leica scanstation C10 (2011). Geraadpleegd op 3 december 2014 via http://www.leica-geosystems.be/downloads123/hds/hds/ScanStation%20C10/brochuresdatasheet/Leica_ScanStation_C10_DS_nl.pdf toepassingen 3D lasserscanning (2013). Geraadpleegd op 3 december 2014 via http://3dlaserscanning.be/nl/toepassingen.aspx Geschiedenis
van
lasserscanning.
Geraadpleegd
op
4
december
2014
via
http://floridalaserscanning.com/3d-laser-scanning/history-of-laser-scanning/ Datasheet Z+F IMAGER 5010C (2013). Geraadpleegd op 3 december 2014 via http://www.zflaser.com/fileadmin/editor/Datenblaetter/Datasheet_Z_F_IMAGER_5010C_E _kompr.pdf Foto checker target (2014). Geraadpleegd op 5 december 2014 via www.go3dusa.com
11
