Laserové skenování – principy Radek Fiala
[email protected] Podpořeno z projektu FRVŠ 584/2011
Radek Fiala
Laserové skenování – principy
Co je a co umí laserové skenování?
Laserové skenovací systémy umožňují bezkontaktní určování prostorových souřadnic, 3D modelování vizualizaci složitých staveb a konstrukcí, interiérů, podzemních prostor, libovolných terénů atp. s mimořádnou rychlostí, přesností, komplexností a bezpečností. Nasnímaný objekt může být pomocí softwaru zobrazen ve formě mračen bodů, na jejichž základě může být vytvořen model objektu, který lze přenést do CAD systému. Většina skenovacích systémů využívá nejmodernější pulsní laserovou technologii pro měření délek a určuje polohu bodů prostorovou polární metodou. http://www.la-ma.cz/ (FSv ČVUT) Lidar: Light Detection and Ranging
Radek Fiala
Laserové skenování – principy
Kontrolní otázka
Jak funguje radar?
Radek Fiala
Laserové skenování – principy
Kontrolní otázka
Jak funguje radar?
http://www.radartutorial.eu/
Radek Fiala
Laserové skenování – principy
Princip laserového skenování Princip podobný jako u radaru – skener vyšle laserový impuls a „posloucháÿ jeho odraz Z doby mezi vysláním impulsu a přijetím jeho odrazu je možné spočítat vzdálenost k místu odrazu Svazek světla je v případě laseru mnohem užší než svazek vyslaný radarem – umožňuje přesnější „zaměřeníÿ objektu Pracujeme s výkony o několik řádů menšími než radar – jsme schopni sledovat odraz jen od blízkých objektů (řádově km) Na jeden vyslaný impuls můžeme získat i několik odrazů (např. vegetace, terén) Impulsy jsou vysílány opakovaně, pokaždé jiným směrem Skener vyprodukuje velké množství dat v poměrně krátkém čase – je schopen změřit tisíce až statisíce bodů za sekundu Radek Fiala
Laserové skenování – principy
Kontrolní otázka
Kolik času potřebuje světlo, aby urazilo vzdálenost 3 cm
Radek Fiala
Laserové skenování – principy
Kontrolní otázka
Kolik času potřebuje světlo, aby urazilo vzdálenost 3 cm t=
Radek Fiala
s c
Laserové skenování – principy
Kontrolní otázka
Kolik času potřebuje světlo, aby urazilo vzdálenost 3 cm t=
s c
s = 0,03 m = 3 · 10−2 m ∼ c = 300 000 000 m/s = 3 · 108 m/s t = 1 · 10−10 s = 0,000 000 000 1 s = 0,1 ns
Radek Fiala
Laserové skenování – principy
Laserový skener – laserový dálkoměr zpracování echa
Radek Fiala
detekce odrazů
vzdálenost intenzita
úhel vychýlení paprsku optický detektor, vzorkování
digitalizované echo
optika, rotující hranol
echo impulsu
pulsní laser
laserový impuls
řídicí jednotka
Laserové skenování – principy
výpočet souřadnic
souřadnice míst odrazu intenzita odrazu
laserový skener
Druhy laserových skenerů
Pozemní (statický) – na stativu Letecký – nesený letadlem, vrtulníkem Mobilní – nesený automobilem, lodí, drezínou. . . Ruční – nesený rukou :)
Radek Fiala
Laserové skenování – principy
Statické laserové skenování
Skener umístěný na stativu Ve skeneru je rotující zrcadlo nebo hranol, který rozmítá impulsy do svislé roviny Hlava skeneru se pomalu otáčí (a s ní také skenovaná rovina) Skener tak naskenuje celé okolí s výjimkou úzkých kuželů nad a pod skenerem
převzato od Riegl
Radek Fiala
Laserové skenování – principy
Výpočet souřadnic místa odrazu
Z pohledu geodézie se jedná o prostorovou polární metodu Z doby návratu echa vyslaného impulsu umíme spočítat vzdálenost k místu odrazu Abychom mohli vypočítat souřadnice místa odrazu, musíme znát trajektorii paprsku (přímka); pro její určení potřebujeme: ? ? ?
Radek Fiala
Laserové skenování – principy
Výpočet souřadnic místa odrazu
Z pohledu geodézie se jedná o prostorovou polární metodu Z doby návratu echa vyslaného impulsu umíme spočítat vzdálenost k místu odrazu Abychom mohli vypočítat souřadnice místa odrazu, musíme znát trajektorii paprsku (přímka); pro její určení potřebujeme: souřadnice skeneru (3 parametry), rotace skeneru (3 parametry) úhel vychýlení paprsku ve skeneru (natočení zrcátka) (1 parametr)
. . . a to pro každý vyslaný laserový impuls
Radek Fiala
Laserové skenování – principy
Určení polohy a orientace skeneru – statické LS
souřadnice skeneru výpočtem z vlícovacích bodů nebo klasickým geodetickým měřením
rotace skeneru výpočtem z vlícovacích bodů
úhel vychýlení paprsku ve skeneru poskytuje skener
Radek Fiala
Laserové skenování – principy
souřadnice a rotace IMU
laserový skener
úhel vychýlení paprsku digitalizované echo
zpracování echa
Radek Fiala
souřadnice míst odrazu (místní SS skeneru), intenzita odrazu
georeferencování
Laserové skenování – principy
souřadnice míst odrazu (geodetický SS), intenzita odrazu
Pořízení dat statického LS
Letecké laserové skenování Skener namontovaný v letadle Skener je nasměrován dolů a rozmítá vysílané impulsy do roviny podobně jako statický skener Další rozměr skenované oblasti je přidán pohybem skeneru Naskenuje se tak pás krajiny ubíhající pod letadlem
Radek Fiala
Laserové skenování – principy
Kontrolní otázka Kolik řádků (f ) a bodů za sekundu (F ) musí naskenovat skener v letadle letícím rychlostí v = 250 km/h při výšce letu h = 1000 m a max. úhlu vychýlení paprsku Θmax = 15◦ , aby vzdálenost řádků ∆l a bodů v řádce ∆s byla 1 m frekvence řádků f = v · ∆l
Radek Fiala
Laserové skenování – principy
Kontrolní otázka Kolik řádků (f ) a bodů za sekundu (F ) musí naskenovat skener v letadle letícím rychlostí v = 250 km/h při výšce letu h = 1000 m a max. úhlu vychýlení paprsku Θmax = 15◦ , aby vzdálenost řádků ∆l a bodů v řádce ∆s byla 1 m frekvence řádků f = v · ∆l v = 250 km/h = 70 m/s ∆l = 1 m
f = 70 Hz
Radek Fiala
Laserové skenování – principy
Kontrolní otázka Kolik řádků (f ) a bodů za sekundu (F ) musí naskenovat skener v letadle letícím rychlostí v = 250 km/h při výšce letu h = 1000 m a max. úhlu vychýlení paprsku Θmax = 15◦ , aby vzdálenost řádků ∆l a bodů v řádce ∆s byla 1 m frekvence řádků
šířka záběru
f = v · ∆l
S = 2 · h · tg Θmax
v = 250 km/h ∼ = 70 m/s ∆l = 1 m
f = 70 Hz
Radek Fiala
Laserové skenování – principy
Kontrolní otázka Kolik řádků (f ) a bodů za sekundu (F ) musí naskenovat skener v letadle letícím rychlostí v = 250 km/h při výšce letu h = 1000 m a max. úhlu vychýlení paprsku Θmax = 15◦ , aby vzdálenost řádků ∆l a bodů v řádce ∆s byla 1 m frekvence řádků
šířka záběru
f = v · ∆l
S = 2 · h · tg Θmax
v = 250 km/h = 70 m/s ∆l = 1 m
h = 1000 m Θmax = 15◦
f = 70 Hz
S = 536 m
Radek Fiala
Laserové skenování – principy
Kontrolní otázka Kolik řádků (f ) a bodů za sekundu (F ) musí naskenovat skener v letadle letícím rychlostí v = 250 km/h při výšce letu h = 1000 m a max. úhlu vychýlení paprsku Θmax = 15◦ , aby vzdálenost řádků ∆l a bodů v řádce ∆s byla 1 m počet bodů na řádku N=
S ∆s
Radek Fiala
Laserové skenování – principy
Kontrolní otázka Kolik řádků (f ) a bodů za sekundu (F ) musí naskenovat skener v letadle letícím rychlostí v = 250 km/h při výšce letu h = 1000 m a max. úhlu vychýlení paprsku Θmax = 15◦ , aby vzdálenost řádků ∆l a bodů v řádce ∆s byla 1 m počet bodů na řádku N=
S ∆s
S = 536 m ∆s = 1 m
N = 536 Radek Fiala
Laserové skenování – principy
Kontrolní otázka Kolik řádků (f ) a bodů za sekundu (F ) musí naskenovat skener v letadle letícím rychlostí v = 250 km/h při výšce letu h = 1000 m a max. úhlu vychýlení paprsku Θmax = 15◦ , aby vzdálenost řádků ∆l a bodů v řádce ∆s byla 1 m počet bodů na řádku N=
S ∆s
frekvence bodů F =N ·f
S = 536 m ∆s = 1 m
N = 536 Radek Fiala
Laserové skenování – principy
Kontrolní otázka Kolik řádků (f ) a bodů za sekundu (F ) musí naskenovat skener v letadle letícím rychlostí v = 250 km/h při výšce letu h = 1000 m a max. úhlu vychýlení paprsku Θmax = 15◦ , aby vzdálenost řádků ∆l a bodů v řádce ∆s byla 1 m počet bodů na řádku N=
S ∆s
frekvence bodů F =N ·f N = 536 f = 70 Hz
S = 536 m ∆s = 1 m
F = 37 520 Hz
N = 536 Radek Fiala
Laserové skenování – principy
Určení polohy a orientace skeneru – letecké LS
Problém určení polohy a rotace skeneru za letu
?
Radek Fiala
Laserové skenování – principy
Určení polohy a orientace skeneru – letecké LS
Problém určení polohy a rotace skeneru za letu
GNSS měření? nízká přesnost nízká frekvence měření (jednotky měření za sekundu) neposkytuje údaje o rotacích (při použití dvou přijímačů možno rotace přibližně určit)
Radek Fiala
Laserové skenování – principy
Určení polohy a orientace skeneru – letecké LS
Problém určení polohy a rotace skeneru za letu
DGNSS měření (Diferenciální GNSS)? vyšší, ale stále nedostatečná přesnost ostatní vlastnosti stejné s běžným GNSS měřením
Radek Fiala
Laserové skenování – principy
Určení polohy a orientace skeneru – letecké LS
Problém určení polohy a rotace skeneru za letu
IMU (Inerciální měřická jednotka)? IMU měří zrychlení ve třech osách a rotace podél těchto os (ze zrychlení je možné dopočítat rychlost a z ní pak změnu polohy) dostatečná přesnost, ale jen krátkodobě; chyba určení polohy v čase exponenciálně roste vyhovující frekvence měření (stovky měření za sekundu)
Radek Fiala
Laserové skenování – principy
Určení polohy a orientace skeneru – letecké LS
Problém určení polohy a rotace skeneru za letu
DGNSS+IMU (+ sofistikované zpracování) krátkodobě poloha určována pomocí IMU správná trajektorie je dlouhodobě udržována měřením GNSS z nepřesných dat GNSS a IMU se snažíme odhadnout trajektorii letadla s přihlédnutím k fyzikálním omezením (např. setrvačnost)
Radek Fiala
Laserové skenování – principy
Určení polohy a orientace skeneru – letecké LS
souřadnice skeneru GNSS+IMU
rotace skeneru IMU
úhel vychýlení paprsku ve skeneru poskytuje skener
Radek Fiala
Laserové skenování – principy
Dráha letu
převzato od ZÚ Pardubice
Radek Fiala
Laserové skenování – principy
Výpočet souřadnic místa odrazu
Radek Fiala
Laserové skenování – principy
referenční GNSS přijímač výpočty diferenciální GNSS
Radek Fiala
souřadnice míst odrazu (místní SS skeneru), intenzita odrazu
zpracování echa
vektory rozdílu polohy a rotací IMU a skeneru
IMU
souřadnice a rotace IMU
úhel vychýlení paprsku digitalizované echo
laserový skener
poloha antény odhad přesnosti
3D zrychlení, rotace
letadlo
vektor rozdílu polohy IMU a GNSS antény
navigační data
GNSS přijímač
GNSS korekce (RINEX)
georeferencování
výpočet trajektorie IMU
Laserové skenování – principy
souřadnice míst odrazu (geodetický SS), intenzita odrazu
Pořízení dat leteckého LS
Mobilní laserové skenování Dva skenery otočené o +45◦ a −45◦ vůči směru jízdy Skenery rozmítají paprsky do přibližně svislé roviny s úhlem záběru 360◦ Další rozměr skenované oblasti je přidán pohybem skenerů
převzato od GEOVAP Pardubice
Radek Fiala
Laserové skenování – principy
Určení polohy a orientace skeneru – mobilní LS
principem shodné s leteckým LS měří se na kratší vzdálenosti (max. stovky metrů) ⇒ nároky na přesnost IMU jsou menší systém se musí umět vypořádat se ztrátou GNSS signálu (např. v tunelu) ⇒ doplnění o další navigační prvky (např. snímač otáček kola)
Radek Fiala
Laserové skenování – principy
Zpracování dat LS
zpracování dat
využití dat detekce hran zjednodušení modelu
skenování
vyrovnání pásů a bloků (vlícování)
automatická klasifikace
filtrace
manuální klasifikace a filtrace
vizualizace analýzy modelování
transformace souřadnic konverze do rastru, TIN, atd.
kartografické zpracování CAD ...
...
Radek Fiala
Laserové skenování – principy
Plánování letu
převzato od ZÚ Pardubice Radek Fiala
Laserové skenování – principy
Stínovaný model (Závist)
převzato od ZÚ Pardubice Radek Fiala
Laserové skenování – principy
Skenování v pásech (Krokonoše)
převzato od ZÚ Pardubice
Radek Fiala
Laserové skenování – principy
me
Radek Fiala
Laserové skenování – principy
