3 Mobilní laserové skenování

Transkript

1 3 Mobilní laserové skenování Mobilní laserové skenovaní systémy se objevily po r.2000; nutnou podmínkou je totiţ dostupný inerciální systém (INS nebo GPS/IMU), přizpůsobený pozemním aplikacím s ohledem na rychlejší a větší změny trajektorie a rychlý laserový skener s dostatečným dosahem a přesností. Řada původních mobilních systémů byla a je stále v oblasti výzkumných zařízení a prototypů. Data z pozemních mobilních systémů jsou podobná leteckým datům s tím rozdílem, ţe při pojíţdění na zemském povrchu nastává řada problémů se zakrytými prostory (lze řešit několikerým průjezdem nebo několika skenery s různým úhlem záběru) a dosah je logicky výrazně menší. Uţitná hodnota těchto dat je ve stádiu výzkumu, ale do budoucnosti se počítá s jejich výrazným nasazením pro mapovací, dokumentační i monitorovací práce. Vzhledem k tomu, že se od r.2009 začalo provádět laserové letecké skenování středního pásu Čech, projekt VaV MD ČR v tomto bodě se zaměřil na laserové skenování objektu právě v této předpokládané části naší republiky tak, aby bylo možno data porovnat a případně kombinovat.vybrána byla tedy dálnice D11 Praha Hradec Králové v projektu mobilního laserového skenování. Tato metoda je velmi podobná leteckému laserovému skenování, ale laserový skener je přitom umístěn na střeše automobilu. Dosah je sice menší, vzniknou zakryté prostory, ale na druhou stranu je tato metoda přesnější, mobilnější a má větší možnosti využití. Možnosti dat mobilního laserového skenování, výzkum, kombinace s dalšími datovými zdroji jako jsou ZABAGED, data z leteckého laserového skenování, digitální ortofoto, katastrální mapy i družicová data jsou předmětem části projektu VaV č. CG Mobilní skenovací systémy ( mobile mapping system) základní pojmy Současně s leteckým laserovým skenováním (LLS) se začalo rozvíjet i pozemní mobilní laserové skenování (nazývané mobilním mapovacím systémem, mobile mapping system, MMS). Princip je stejný nosič laserového skeneru se pohybuje po nelineární trajektorii; pro správné určení polohy podrobných bodů je třeba znát pro kaţdý okamţik měření přesnou polohu nosiče a směr měření. Tyto informace zajistí jednotka IMU (inertial measurement unit) a zcela zásadně záleţí na její přesnosti. Je-li nosičem letadlo 75

2 nebo automobil, je v současné době téměř jedno, ale je jasné, ţe automobil dělá rychlejší změny pohybu i směry jízdy. Pozemní laserové skenování pouţívá dva různé reţimy: statický a kinematický reţim. Ve statickém reţimu pouţívá mračno bodů pořízené z jednoho stanoviska jeden souřadnicový systém. Vzhledem k trvalému pohybu laserového skeneru v kinematickém reţimu, se ke kaţdému pořizovanému bodu vztahuje individuální kartézský souřadnicový systém. Příslušná poloha a orientace musí být určována pomocí GNSS (global navigation satellite systems - globální navigační satelitní systémy) a IMU (inertial measurement unit - inerciální měřicí jednotka) technologie. V mobilních mapovacích systémech jsou k dispozici dva observační reţimy: "stop-and-go" "on-the-fly" Stop-and-go režim Pro tento reţim je na vozidle, která nese platformu s přístroji, namontován jeden nebo více laserových skenerů. Jednotlivé skeny jsou pořizovány ve statickém reţimu - během doby skenování se pozice a orientace skeneru nemění. Po skenování se vozidlo přesune a pořídí se další sken. Poloha kaţdého mračna bodů je určena v místním souřadnicovém systému, který má šest (nebo sedm) stupňů volnosti: tři souřadnice referenčního bodu skeneru (počátek souřadnicového systému), tři úhly rotace os (a případně změnu měřítka). Registrace a georeferencování kaţdého mračna bodů můţe být zaloţeno například na ICP (iterative closest point - iterační algoritmus nejbliţšího bodu) algoritmu v kombinaci s prostorovou podobností transformací zaloţenou na vlícovacích bodech se známými souřadnicemi v globálním souřadnicovém systému On-the-fly režim V případě on-the-fly reţimu se vozidlo pohybuje po trajektorii bez zastavení a laserový skener skenuje nepřetrţitě v rovinném profilu. Prostorové rozlišení skenu závisí na časovém a prostorovém rozlišení nastaveném pro skenovaný profil a také na rychlosti vozidla. Kaţdý skenovaný bod je v individuálním souřadnicovém systému a proto je nutné sledovat okamţitou polohu referenčního bodu skeneru a orientaci os skeneru v globálním systému s vysokou přesností a časovým rozlišením. Reţim on-the-fly je obdobou leteckého laserového skenování. Vyuţívá se IMU (inertial measurement unit, inerciální jednotka), informace o poloze je odvozena z GNSS a informace o orientaci jsou získané z měření vlastní inerciální jednotky (gyroskopy a odometr). Rozdíl mezi 76

3 leteckou metodou je v tom, ţe pouţití určování polohy pomocí GPS pro mobilní mapovací systémy je v městském prostředí omezeno a v případě aplikace v interiéru (např. tunely nebo rozlehlé haly) nemoţné kvůli nedostupným GPS satelitům Konstrukce mobilních mapovacích systémů Typický systém obsahuje následující komponenty pro: Zobrazování Referencování - prostorové: umístění a orientace - relativní a absolutní časová: synchronizace Komunikace a řízení procesů Zpracování dat a dodání produktu Systémy mohou pouţívat také další senzory, jako jsou digitální teploměry, senzory náklonu, magnetometr aj. Zobrazování a referencování V případě stop-and-go reţimu je prostorové referencování zaloţeno na informacích z prostoru objektu a synchronizace není nutná. V případě on-the-fly reţimu je typický zobrazovací postup, zaloţený na vertikálních profilech pořizovaných pomocí jednoho či více skenerů. Profily obyčejně bývají kolmé ke směru pohybu vozidla. Prostorové souřadnicové připojení (referencování) je zaloţeno na IMU. Přímé absolutní prostorové referencování vyţaduje další měření se statickou (staniční) GPS na referenčním bodě (viz metody D-GPS). Zásadní pro zpracování je synchronizace software a hardware; pro představu: -při rychlosti vozidla 60km/h ujede vozidlo za vteřinu 16m; pokud bude chyba v synchronizaci větší neţ 1ms, budou jiţ chyby měřitelné (1ms způsobí chybu asi 2cm v poloze). IMU je obvykle nejdraţší součástí mobilního mapovacího systému (nejkvalitnější a nejpřesnější stojí aţ stovky tisíc dolarů). Jako alternativa existuje systém, který funguje bez IMU, informace o pozici a orientaci je převzata z GPS trajektorie kromě úhlu náklonu, který je sledován pomocí náklonového senzoru. Komunikace a řízení Pro sběr dat musí být všechny senzory propojeny s operačním systémem pracujícím v reálném čase. Pro řízení procesů je nutné PC či kvalitní notebook, který slouţí jako hostitelský server pro počítadlo reálného času a pro ukládání dat. Proces sběru dat je rozdělen do tří částí: příprava mobilního mapovacího systému, pořizování dat, a ukončování. 77

4 Příprava znamená inicializaci všech pouţitých senzorů, například otočení skeneru na určenou orientaci. Kalibrace kompletního mobilního mapovacího systému se pravidelně provádí z důvodu zjištění relativní pozice a orientace systémových komponent. V průběhu sběru dat jsou naměřená data spolu s informací o čase zaznamenána a uloţena na PC do databáze měření; ukládání dat můţe být provedeno také ve fázi dokončování. V ukončovacím kroku musí být systém zastaven. Průběh zpracování Matematický algoritmus, který je jádrem zpracování dat, kombinuje synchronizované informace ze všech senzorů, potřebných pro prostorové referencování k odvození trajektorie skeneru a orientace os ve zvoleném referenčním systému. Vzhledem k pouţití IMU jsou plně určeny orientace všech třech os laserového skeneru. K prostorově-časovému referencování se dále často pouţívá filtrování a vyhlazování dat (obyčejně Kalmanův filtr) tak, aby měření vyhovovalo účelu měření trajektorie (eliminace nahodilých chyb při měření, vyhlazení rozkolísání signálu jednotlivých senzorů)) Vizualizace mračna bodů se vyuţívá pro první rychlou kontrolu naměřených dat a je také nezbytná při dalším zpracování. Mračna bodů jsou ukládána ve formě dlouhých seznamů souřadnic (X,Y,Z) případně s dalšími atributy jako je intenzita (amplituda). Body zůstávají obvykle seřazeny tak, jak byly skenovány, coţ se neukazuje jako nejvhodnější např. při snaze najít rychle všechny okolní body do určité vzdálenosti. Pro rychlejší práci s obrovskými soubory jsou vyuţívány různé datové struktury. Vizualizace Laserová data mohou být převedena do rastrového obrazu. Moţné je zobrazit mračno bodů přímo pomocí bodových renderovacích metod. Vizualizace dat ve formě rastrového obrazu se obvykle pouţívá u leteckého laserového skenování nebo u jednotlivých pozemních skenů. Existuje několik typů rastrových obrazů: Výškové obrazy Výškový obraz se vytváří ve třech krocích: definice mříţky obrazu (velikost pixelu), určení výšky pro kaţdý pixel a transformace výšky na hodnotu šedé nebo barevné škály. Výška je definována jako funkce výšky bodů v rámci pixelu (např. průměr, medián). Výška v oblastech bez měřených bodů bodu se obvykle odvozuje interpolací nebo extrapolací z hodnot sousedních pixelů. Jednoduchý způsob přepočtu výšky na hodnotu monochromatického obrazu (šedotónového obrazu) je určení minimální a maximální 78

5 výšku v datovém souboru, přiřazení hodnoty 0 k minimální výšce (černá barva) a hodnotou 255 k maximální výšce (bílá barva) a provedení lineární interpolaci pro všechny výšky mezi nimi. V datovém souboru je často jen několik poměrně vysokých objektů, zatímco většina ostatních objektů a terén jsou výrazně niţší, proto se dosahuje lepších výsledků zobrazení při přiřazování hodnoty 255 k hodnotě, která je niţší neţ maximální výška, nebo pouţívání nelineární interpolace pro mezilehlé výšky. Stínovaný obraz Tento typ je vhodný pro vizualizaci lokálních výškových změn, jako jsou střechy budov. Hodnota pixelu ve stínovaném obraze závisí na gradientu. Obrazy intenzity K tvorbě obrazu se pouţívá amplituda odraţeného laserového pulsu. Obrazy hustoty bodů Tyto obrazy se určují prostým sčítáním bodů v rámci pixelu. Bodové renderování Bodová mračna lze procházet přímo pomocí prohlíţečů mračen bodů; kromě souřadnic X,Y,Z je umoţněno zadat i velikost bodu (v pixelech), barvu a normálu bodu. Bez normál nelze provést stínování. Normály mohou být dodány společně s body jako výstup skenování nebo se odhadnou později v kroku předzpracování. Bod je zobrazen jako čtverec nebo kruh. Obr.3.1: Ukázka výstupu 79

6 Obr.3.2: Ukázka konfigurace 4 Projekt D11 V rámci projektu byl po úvaze (od listopadu 2009 začalo laserové letecké skenování středního pásu ČR) zajištěn projekt pozemního mobilního laserového skenování dálnice D11 tak, aby mohlo dojít k sloučení obou typů dat a doplnění o obrazová druţicová data a ortofoto. Ve spolupráci s firmou Geovap Pardubice (zástupce firmy Optech pro ČR a Střední Evropu), která zajišťuje v kooperaci s belgickou firmou laserové mobilní skenování, byla nasnímána dálnice D11; celkem bylo provedeno více jízd po dálnici (tam a zpět a ještě jednou pro eliminaci zakrytých prostor např. automobily a povětrnostních podmínek). Vyuţit byl špičkový systém LYNX. Data, získaná v tomto projektu jsou první svého druhu v ČR a zcela unikátní; jejich potenciál je obrovský a je otázkou času, neţ tato technologie bude vyuţívána mnohem častěji a na klasické komerční bázi. V současné době je řada postupů ve fázi výzkumu, kdy se hledají cesty, jak a co zpracovat a co bude vlastně největším přínosem celé nové technologie. Právě na tyto otázky se snaţí najít odpověď část projektu č. CG Dále jsou uvedeny základní parametry skenování i systému. 4.1 Parametry systému LYNX: Běţný skenovací den: 3 miliardy bodů 80

7 Uliční fronta v zástavbě: km/den Liniové trasy mimo zastavěné oblasti: aţ 100 km/den Dálnice a rychlostní komunikace: aţ 120 km/den Za 1 den byl zaměřen celý úsek dálnice D11 2x tam a zpět. Aspekty mobilního laserového skenování: Podrobné zaměření polohopisu a výškopisu snadné generování DMT rychlé a přesné získání podkladů pro projektové práce moţnost kombinace s dalšími mapovými podklady, např. s katastrální mapou okamţitá kontrola průběhu vlast. hranic Moţnost sledování (monitoring) postupu stavebních prací Zaměření stávajícího stavu staveb Sledování změn v okolí komunikací (půdní eroze, skalní sesuvy, růst vegetace, ) Vyhledávání a lokalizace objektů (překáţek) v blízkosti komunikací z pohledu bezpečnosti silničního provozu (např. reklamní poutače) Pasportizace dopravního značení Klady a zápory Rychlost vyhodnocení 1-2 km za 1 den + Cena takto získané mapy je poloviční oproti klasicky zaměřené + Přesnost a detailnost mapy je mnohem větší - Mapování pouze toho co je vidět z komunikace Případně nutné doměření jinou metodou 81

8 Obr. 4.1: SBET Smoothed Best Estimated Trajectory Trajektorie vozu v reálném čase200 záznamů za sekundupozice (x, y, z) vozu + náklony a stočení Applanix POSLV GPS přijímače Trimble Zephyr - 1 DMI (Distance Measuring Indicator snímač otáček kola) - 1 IMU (Inertial Measuring Unit) Northrop Grumman LN gyroskopy 3 akcelerometry 82

9 Se signálem GPS Tab.4.1: Přesnost POSLV min bez signálu GPS X,Y (m) Z (m) Náklony ( ) Stočení ( ) Obr.4.2: Systém LYNX laserová hlava Snímací hlavy skenerů LYNX - Pokrytí Rychlost otáčení: 9000 ot/min - Výstup: pulsů/sec - Měření aţ 4 odrazy/puls 83

10 - Třída 1. bezpečnosti laserového záření - Neviditelný svazek paprsků - Dosah aţ 200 m - Zaměření pásu o šířce 400 m Obr.4.3: Ukázka dat - absolutní přesnost zaměření bodů +/- 5 cm Kaţdý bod má přesné prostorové souřadnice X,Y,Z a můţe obsahovat i další informace, např.: - intenzitu odrazivosti - barvu - úhel odrazu - počet a číslo odrazu, atd. 84

11 Obr.4.4: Dálnice D11 na podkladu Google Earth Obr.4.5: Skenování d dálnice D11 85

12 Obr.4.6: Ukázka výstupu z MMS (dole, pro ČVUT Geovap a Teccon) v porovnání s ortofotem (nahoře, Geodis- Google); dálnice D11 86

13 Obr.4.7: Ukázka výstupu MMS (pro ČVUT Geovap a Teccon, dálnice D11) Obr. 4.8: Ukázka měření dálnice D11 (2009) 87

14 Obr.4.9: Ukázka výstupu- začlenění měření MMS dálnice D11 do ZABAGED a sloučení s ortofotem 88

15 Obr.4.10: LYNX na terénním voze a vnitřní jednotka (GEOVAP Pardubice) Obr.4.11:Využití MMS při klasické geodetické práci zjišťování souladu katastrální mapy se skutečností v tomto případě s laserovými daty, získanými mobilním mapovacím systémem (Geovap Pardubice) 89

16 Obr.4.12:Využití MMS při dokumentaci stavu vozovky(goevap Pardubice). Snadné a rychlé využití naměřených dat 90

17 4.2 Problematika a výzkum využitelnosti a zpracování dat pro oblast dopravy V rámci projektu jsou data podrobena výzkumu z hlediska jejich informačního vyuţití pro oblast dopravy. Základně byly testovány programové produkty, které se běţně vyuţívají v oblasti laserového či obecně 3D skenování. Výsledek se ukázal být problematický většina dostupného software se pro tento typ dat nehodí. Mračno bodů, primární produkt laserového skenování, má samo o sobě velkou vypovídací hodnotu. Jak pro pořizovatele, tak pro zpracovatele, či finálního uţivatele dat/zákazníka je výhodné mít k dispozici aplikaci, která umoţní prohlíţení těchto dat. Taková aplikace přitom nemusí zvládat editaci těchto dat. Základními poţadavky na aplikaci je moţnost zobrazení dat v odstínech odpovídajících měřené intenzitě navráceného signálu - zvyšující přehlednost mračna, jednoduché ovládání pohledu a měření v mračnu. Při těchto nárocích je ţádoucí mít k dispozici software, pokud moţno s freewarovou licencí, který můţeme poskytnout zákazníkům spolu s daty. Cílem testování bylo nalézt software, který bude tyto poţadavky splňovat. Testování aplikací bylo prováděno na souborech dat laserového skenování dálnice D11. Šlo o textové soubory pravoúhlých souřadnic a intenzity, uspořádané následovně: X Y Z I, kde X, Y, Z...pravoúhlé souřadnice I...intenzita Prohlížeče: Testovaly se soubory dat o různých velikostech - mračna 5 mil mil. bodů DDV - 3D Data Viewer Dostupnost: GNU Lesser General Public License (LGPL) Použití dle výrobce: 3D Data Viewer umoţňuje výzkumným pracovníkům vizualizovat uspořádání svých experimentů v 3D prostoru spolu s 2D grafy těchto dat s cílem pomoci uţivatelům lépe vizualizovat, analyzovat, sdílet a prezentovat jejich experimentální data. 91

18 Obr.4.13: 3DDV RADWAN, Hassan. Version of 3DDV [cit ]. Network for Earthquake Engineering Simulation (NEES) [online]. < Závěr testování: Prohlíţeč je určen pouze pro soubory formátu 3DDV (zaloţen na XML). Nepoužitelný JRC 3D Reconstructor Viewer Dostupnost: bezplatný prohlíţeč Použití dle výrobce: JRC 3D Reconstructor Viewer je nástroj, kterým dodáte klientům kompletní projekty Reconstructoru společně se základními nástroji k měření. Gexcel srl [online]. JRC 3D Reconstructor Viewer bit [cit ]. < Závěr testování: Prohlíţeč umoţňuje otevřít pouze formáty Reconstructor project (*.r2s, *.recprj). Nepoužitelný 92

19 Obr.4.14: JRC3D Cyclone-VIEWER Pro Dostupnost: bezplatná demoverze Použití dle výrobce: Cyclone-VIEWER Pro je rozšířená verze Leica Cyclone softwaru pouze pro prohlíţení a měření. Tento produkt umoţňuje plnou vizualizaci a měření dat Cyklonu na stolním nebo přenosném počítači bez plnohodnotné licence Cyclone. Podělte se o své databáze v Cyclonu s těmi, kteří Cyclone MODEL nepouţívají. Cyclone-Viewer Pro nabízí úplné nástroje k prohlíţení a měřění, umoţní uţivateli otáčení, zoom, navigaci a měření, podporuje vrstvy, stejně jako popisky objektů a import/export dat Cyclonu, včetně mračen bodů a 3D modelů. Po staţení bude Leica Cyclone-Viewer Pro fungovat na 5 dní pod zkušební licencí, poté se automaticky vrátí k bezplatné Cyclone-Viewer verzi s omezenou funkčností. Leica Cyclone [online]. Cyclone-VIEWER Pro [cit ]. < Závěr testování: Prohlíţeč bez problémů zvládá mračna o velikosti několika desítek milionů bodů, ale v omezené verzi umí načíst jen databáze Cyclone, ţádný další import/export neumoţňuje. Nepoužitelný v omezené verzi 93

20 Obr.4.15: Cyclone MeshLab Dostupnost: licence GNU General Public License (GPL) Použití dle výrobce: MeshLab je open source, přenosný a rozšiřitelný systém pro zpracování a editaci nestrukturované 3D trojúhelníkové sítě. Systém je zaměřen na pomoc při zpracování typických nestrukturovaných modelů vzniklých při 3D skenování, poskytuje soubor nástrojů pro editaci, čištění, opravu, kontrolu, interpretaci a konvertování těchto sítí. CIGNONI, Paolo. RANZUGLIA, Guido. MeshLab v1.2.3b [online] [cit ]. < Závěr testování: Prohlíţeč neumoţní otevřít data ve formátu.xyz (pokud obsahují i intenzitu) s příponou.asc soubor otevře, intenzitu ignoruje. Software nezvládá načtení mračna 94

21 většího neţ 5 milionů bodů. U 5-ti milionového mračna jsou problémem i základní operace měření vzdálenosti - zhroucení programu. Nepoužitelný Obr.4.16: MeshLab Pointools View 1.7 Pro Dostupnost: bezplatný prohlíţeč (po 21 dnech se plná verze mění na omezenou) Použití dle výrobce: V Pointool View Pro lze snadno a rychle prohlíţet obrovské soubory dat. View Pro je pruţný a rychlý, coţ umoţňuje přehledněji kontrolovat laserová data. Ukazuje souřadnice bodů a měří vzdálenosti, oměrné exportuje do CVS souborů a jsou obsaţeny v obrazovém výstupu. View Pro vytváří vysoce kvalitní videozáznam ve formátu AVI nebo MOV. Prohlíţeč také umoţňuje stereo výstup (ve formě anaglyfu). Pointools. [online]. Pointools View 1.7 Pro [cit ]. < 95

22 Závěr testování: Software v omezené verzi umoţňuje prohlíţení souborů, tvorbu výstupů pro prezentaci ve formě obrázků a měření vzdáleností mezi body, případně získání souřadnic konkrétních bodů (max. 5 na jedno spuštění programu). I omezená verze podporuje import (např. formáty LAS, ASCII, DXF), ale nepodporuje export. Nemá problémy se zobrazováním dat v řádech desítek milionů bodů. Použitelný a vhodný Obr.4.17: Pointools PolyWorks/IM Dostupnost: bezplatný prohlíţeč Použití dle výrobce: 96

23 PolyWorks/IMView je prohlíţeč schopný číst stávající projekty formátů PolyWorks (PolyWorks inspection projects) a umoţňuje uţivateli: Zobrazovat výsledky měření ve 3D, pomocí myši rotovat 3D scénou, posouvat jí a zoomovat. Navigovat snadno skrz projekt pomocí výběru měřených kategoríí a poloţek. Provést základní měření jako jsou vzdálenosti, poloměry, úhly a průřezy. Vytvořit vlastní inspekční zprávy ve formátech Adobe PDF, Excel, Word, nebo HTML. InnovMetric Software Inc. [online]. PolyWorks/IMView V11 [cit ]. < Závěr testování: Prohlíţeč umoţňuje otevřít pouze formtáty PW project (*.pwk, *.pwzip). Nabídka Open obsahuje např. i formtáty DXF a VRML, ale program není schopen je načíst. Z projektu PW lze exportovat mračno do textového souboru, ale tento nelze znovu načíst. Nepoužitelný Obr.4.18: Polyworks/IM 97

24 4.2.7 Rapidform2006 Basis Dostupnost: bezplatný prohlíţeč Použití dle výrobce: Rapidform Basis je bezplatná aplikace k prohlíţení mračen bodů, polygonových sítí, křivek NURBS, plošných sítí a inspekčních zpráv. Je to vhodný způsob prohlíţení dat ve více jak 40-ti formátech, které je Rapidform schopen importovat. Nabízí všechny nástroje aplikace Rapidrofm2006 k prohlíţení, měření a tvorbě zpráv. Vlastní formát: Model files.mdl (lze uloţit) Import: rapidform Point File *.pts, rapidform Polygons File *.fcs, Ascii Points File *.asc, 3D Studio File *.3ds, AutoCAD DXF File *.dxf, CyberWare File *.ply, Inventor 1.0 ASCII File *.iv, STL File *.stl,wrml 1.0/97 File *.wrl, OBJ File *.obj, IGES File *.iges, *.igs, Export: Nelze 3D Obr.4.19: Rapidform 98

25 Scan Company. [online]. Free Rapidform Basis Viewer [cit ]. < Závěr testování:prohlíţeč zvládá: načtení dat, prohlíţení, ukazuje informace o vybraném bodě (souřadnice), výběr jednotlivých bodů. Zásadní problém je v mnoţství dat, mračno o 10-ti milionech bodů mračno nezvládá - načte, ale nelze s ním ani pohybovat. 5 milionů bodů načítá pomalu, ale lze je prohlíţet. Při načtení souboru formátu *.xyz je moţné nastavit čtvrtému sloupci (intenzitě) význam barvy R/G/B, tu pak aplikace zobrazí v odstínech šedi. Nepoužitelný pro data nad 5 mil. Bodů Rhino 4.0 SR5b Evaluation Dostupnost: bezplatná demoverze Použití dle výrobce: Rhino dokáţe vytvářet, editovat, analyzovat, dokumentovat, renderovat, animovat a převádět NURBS křivky (Non-Uniform Rational B-Splines - matematická reprezentace 3-D geometrie), plochy a tělesa bez omezení sloţitosti, stupně nebo velikosti. Rhino také podporuje polygonové sítě a mračna bodů. Tato plně funkční (kromě podpory clipboardu) demoverze umoţní 25 uloţení. Poté přestane ukládat a podporovat zásuvné moduly, ostatní funkce zůstanou nezměněny. Rhinoceros [online]. Rhino 4.0 SR5b bit [cit ]. < Závěr testování: Otevření dat ve formátech *.dxf, *.pts příp. ascii zvládá velice pomalu (mračno 10mil. bodů). Nezobrazuje body v různých odstínech - dle intenzity, coţ ztěţuje orientaci v mračnu. I jednoduché operace jsou vzhledem k rychlosti programu způsobené mnoţstvím dat téměř neproveditelné. Nepoužitelný 99

26 Obr.4.20: Rhino ScanView Dostupnost: bezplatný prohlíţeč Použití dle výrobce: ScanView je bezplatný prohlíţeč 3d modelů zaloţený na knihovně VTK. ScanView umoţňuje otevření a prohlíţení 3d modelů ve formátech.pvtp,.vtp a.vtk open source formátech. Prohlíţeč obsahuje nástroj pro měření a umoţňuje měnit reţim zobrazení z normálního na anaglyfické a perspektivu. V jednom okně je moţné prohlíţet více modelů najednou a kontrolovat tak kvalitu registrace - jak k sobě modely po transformaci do společného souřadnicového systému sedí. Pokud byl model vytvořen společně s rastrem (TIF/JPG), je moţno ho pouţít jako texturu. Program umoţňuje změnit modelu měřítko a exportovat mračno bodů ve formátu ASCII. Menci Software. [online]. ScanView [cit ]. < e=shop.flypage&product_id=16&option=com_virtuemart&itemid=1> Závěr testování: 100

27 Mimo základního formátu *.vtp schopen otevřít i XYZ Intensity models (*.xyz, *.txt). Odzkoušeno na mračnu přes 20 mil. bodů, načtení a práce s mračnem bez potíţí. Zobrazuje intenzitu a je moţné vybrat si z několika škál, ve kterých je intenzita zobrazována (GrayScale/RedBlue/BlueRed). Zvládá oměrné - vypíše souřadnice bodů, měří vzdálenost mezi nimi, při větším počtu bodů dokonce obvod a plochu. Umoţňuje uloţit oměrné do textového souboru (*.msr). Má trochu nestandardní ovládání pohledu, přiblíţení a oddálení se děje pomocí stisku pravého tlačítka myši a tahu, pohyb kolečka neovládá nic a stiskem kolečka společně s pohybem myši dosáhneme posunu modelu. Otáčet modelem lze za stisku levého tlačítka myši. Software umoţňuje načíst i několik modelů najednou, ovšem jiţ ne jejich společný export. Funkce export obsahuje větší mnoţství nastavení, včetně moţnosti jednotlivé souřadnice přenásobit konstantní hodnotou, zvolit oddělovač dat, případně přesnost souřadnic. Program umoţňuje i stereo zobrazení. Doplnění modelu o texturu lze provést jen u polygonových modelů. Použitelný a vhodný Obr.4.21: Scanview 101

28 Závěr: Z devíti testovaných softwarů se jako použitelné ukázaly pouze tři: Pointools View 1.7 Pro, Rapidform2006 Basis a ScanView. Přičemž Rapidform2006 Basis lze doporučit pouze pro menší objemy dat - do 5 mil. bodů. 4.3 Zpracování dat ArcGIS Předběţné výsledky ze software ArcGIS neukázaly přílišnou vhodnost tohoto produktu pro tento typ dat. 102

29 Obr.4.22: ArcGis a zpracování laserových dat Obr.4.23:Oddělení zelených listů a hmoty kmene, lze pouze v rámci zeleně - od ostatních prvků se výrazně neliší 103

30 4.4 Zpracování dat MATLAB Ţádný s testovaných programů není vhodný na zpracování dat Snaha popsat algoritmy schopné vyhledávat v mračnu jednotlivé prvky na základě jejich vlastností a tyto prvky vhodně aproximovat. Př.: dělicí čáru lze hledat v mračnu na základě bodů s hodnotou intenzity v určitém intervalu a zároveň takových, které leţí v linii. Obr.4.24: Znázornění laserových dat v MATLAB Monitorování zeleně v okolí komunikací Pomocí programu napsaného v programovacím jazyce MatLab jsme z textového souboru souřadnic vytvořili rastr. Velikost rastru se sama přizpůsobí zobrazovaným datům tak, aby rastr zobrazoval celou oblast pokrytou mračnem. Je třeba nastavit rozlišovací schopnost rastru - tj. reálnou velikost pixelu, min. a max. výšku bodů, které bereme v potaz (hodí se pro odfiltrování drátů vysokého napětí). Program pak ve čtverci odpovídajícím jednomu pixelu vybere bod s nejniţší a nejvyšší výškou, vypočte rozdíl těchto výšek a na základě velikosti tohoto rozdílu je pixelu přidělena barva ve škále šedi. V místech, kde ţádné body měřeny nejsou, zůstane v rastru červená barva. Obr.4.25: Obrázek zobrazuje detail z mračna č. 646 (použité i u všech následujících obr.). Rozsah škály šedi odpovídá rozdílu výšek 0-15m. Rozlišení 20x20cm. 104

31 Protoţe zejména s vyšším rozlišením roste počet pixelů bez dat, je třeba pouţít filtr, který spočte hodnotu pixelu bez dat jako průměrnou hodnotu z okolních pixelů (kernel 3x3). Obr.4.26:Vlevo je detail v rozlišení 10x10cm bez použití filtru, vpravo totéž s použitím filtru. Pro lepší výsledky lze interpolovat pomocí filtru i v několika krocích. Při opakovaném měření území lze rozdílem hodnot takovýchto rastrů určovat rozdíl v přírůstku případně v úbytku zeleně. Další rastrovou analýzou lze poté získávat další data, např. rozdělit zeleň podle výšky do několika kategorií. Obr.4.27: V následujících obrázcích jsou data rozdělena do pěti kategorií: 0,00-0,30 m...ţlutá 0,30-2,00 m...oranţová 2,00-5,00 m...zelená 5,00-7,00 m...tyrkysová 7,00-15,00 m...modrá Při rozlišení 10x10cm vypadá detail rastru takto. Je zřejmé, ţe pro toto rozlišení nedostačuje hustota naskenovaných dat, proto jsme se rozhodli pro pouţití dalšího filtru, 105

32 který by sníţil šum v obraze. Pouţitý filtr určuje hodnotu pixelu jako nejčastěji se vyskytující hodnotu v kernelu 3x3, pokud se tato hodnota vyskytuje v kernelu v určitém minimálním počtu (např. 5-6 z celkových 9 hodnot kernelu, v opačném případě zůstává pixelu původní hodnota). Filtr lze samozřejmě pouţít několikrát po sobě. Následuje několik detailů vytvořených s různým nastavením parametrů programu: V obou případech ve výše uvedených detailech byl pouţit filtr pouze jednou, vlevo s kritériem min. počtu shodných okolních hodnot 5 a vpravo s hodnotou 6. Je zřejmé, ţe pouţití filtru s kritériem 6 je značně opatrnější v nahrazování hodnot. U ţádného z obrázků ale netvoří pixely stejných kategorií kompaktní shluky. Sníţili jsme proto rozlišovací schopnost rastru na 20x20cm a výsledek při obdobném nastavení vidíte níţe. Výsledky ukazují, ţe rozlišení 20x20 cm více odpovídá hustotě skenovaných dat. Pixely jednotlivých kategorií tvoří shluky, jak lze od vegetace očekávat. Pro účely 106

33 dokumentace vegetace je toho rozlišení postačující. Dále se doporučuje při pouţití filtru nastavení kritéria min. počtu stejných hodnot v kernelu na hodnotu 6 - při niţším nastavení hrozí ztráta dat z vegetace a dalších prvků, které tvoří malé obrazce, či linie. Vysvětlivky k názvům rastrů: v10 škála šedé odpovídá výškovému rozdílu 0-10m p10 velikost pixelu 10cm 13 - nastavení počtu opakování jednotlivých filtrů 1.-1x, 2.-3x krit6 - nastavení kritéria druhého filtru Obr.4.28:Ortomapa646_13_krit6 /p20) 107

34 Obr.4.29:Ortomapa646_13_kritérium 6 (nahoře) a kritérium 5 (dole) 108

35 4.5 Zpracování dat Geomagic Studio 8 Obr.4.30: Software pro kompletní zpracování - stínované mračno bodů (nahoře: před manuálním čištěním, dole: po manuálním čištění 109

36 4.6 Mobilní laserové skenování - transformace dat a testování přesností K transformaci mezi WGS 84/ETRS 89 a S-JTSK Zatímco výsledky měření pomocí technologie GPS získáváme v geocentrickém souřadnicovém systému WGS 84/ETRS 89, většina geodat na území ČR zůstává v rovinném souřadnicovém systému S-JTSK. S tím přichází nutnost transformace mezi těmito souřadnicovými systémy, na jejíţ přesnost jsou kladeny vysoké nároky vzhledem ke zvyšující se přesnosti měření technologií GPS Systém jednotné trigonometrické sítě katastrální (S-JTSK) Základy systému S-JTSK byly poloţeny mezi lety 1920 aţ 1927, zaměřila se trigonometrická síť I. řádu, u 42 bodů v Čechách se převzaly osnovy směrů z II. vojenské triangulace. Do sítě byly zahrnuty všechny body vojenské triangulace I. řádu a vhodné body katastrální triangulace. Síť byla vyrovnána pod vedením Ing. Josefa Křováka, který navrhl zobrazení pro nové katastrální mapy a to dvojité konformní kuţelové zobrazení. Rozměr, poloha a orientace sítě na Besselově elipsoidu byly určeny nepřímo transformací s pouţitím 107 identických bodů sítě II. vojenské triangulace, síť obsahovala celkem 237 bodů. Síť I. řádu byla do roku 1936 doplněna o 93 bodů v Čechách a v letech o dalších 20 bodů na hranicích s Maďarskem. Síť byla dále zhušťována body II.-IV. řádu a body podrobné trigonometrické sítě V. řádu aţ do r. 1957, kdy byly triangulační práce zastaveny. JTSK pokrývá celé území bývalé Československé republiky a má přes bodů, průměrná délka stran je 2 km. Relativní přesnost mezi body V. řádu odpovídá mm, ovšem důsledkem navázání na II. Vojenskou triangulaci jsou: chybná orientace sítě (cca 10'') a lokální směrové i délkové deformace (jediná délková základna na území ČR). 110

37 4.6.3 Transformace z ETRS 89 do S-JTSK Transformace mezi globálními souřadnicovými systémy a systémem S-JTSK je problematická vzhledem k deformacím v síti S-JTSK. Mezi těmito systémy tedy neexistuje exaktní matematický vztah. Podle [1] lze transformaci mezi ETRF 2000 (obdobně i u jiných realizací systému) a S- JTSK provádět pomocí zprostředkující veličiny realizovaného souřadnicového systému S-JTSK/05. Souřadnicový systém S-JTSK/05 obsahuje souřadnice elipsoidické vztaţené k elipsoidu GRS80 v referenčním rámci ETRF2000 a zároveň rovinné souřadnice v modifikovaném Křovákově zobrazení a nadmořské výšky ve výškovém systému Balt po vyrovnání. Mezi těmito souřadnicemi existuje jednoznačný matematický vztah. Převod mezi stávajícím S-JTSK a S-JTSK/05 je realizován převodní tabulkou, ve které jsou tabelovány hodnoty odchylek v pravidelné síti 2x2km, hodnoty odchylek pro konkrétní bod se získají kvadratickou interpolací. Střední kvadratická hodnota polohové odchylky mezi souřadnicemi je 13,3cm. Prof. Kostelecký v [1] uvádí, ţe oba systémy jsou pro práce vyţadující přesnost menší neţ 0,5m zaměnitelné (např. aplikace v GIS). Pro převod mezi elipsoidickými výškami a výškami v systému Bpv je pouţit model kvazigeoidu CR Transformaci souřadnic jsme realizovali sedmiprvkovou Helmertovou transformací s následnou aplikací odchylek interpolovaných z předem vypočtených hodnot tabelovaných v pravidelné síti 2x2km dle následného schématu. Schéma transformace: (B, L, H el ) ETRF-89 - [1] - (X, Y, Z) ETRF-89 - [2] - (X, Y, Z) Bessel - [3] - (B, L, H el ) Bessel - [4] - (X, Y) S-JTSK/05 - [5] - (X, Y) S-JTSK ; (H EL ) - [6] - (H Bpv ) kde: [1] převod elipsoidických souřadnic na pravoúhlé souřadnice [2] sedmiprvková Helmertova prostorová transformace [3] inverzní k [1] [4] zobrazovací rovnice modifikovaného Křovákova zobrazení [5] přidání korekcí (viz dále) [6] přičtení výšky kvazigeoidu 111

38 4.6.4 Porovnání transformace Souřadnice bodů pořízených v rámci MM dálnice D11 byly primárně uloţeny v souřadnicovém systému UTM a převedeny s vyuţitím transformace pomocí globálního transformačního klíče do systému S JTSK (starším postupem neţ výše uvedeným). S vyuţitím software prof. Kosteleckého jsme souřadnice transformovali ze systému UTM do S-JTSK novějším postupem a souřadnice transformované obojím způsobem jsme porovnali. č.b. S-JTSK Geovap S-JTSK Kostelecky Y X Z Y X Z Rozdílly souřadnic (Geovap -Kostelecky) č.b. x y z xy Tab.4.2: Rozdíly souřadnic Geovap Kostelecký Z hodnot je zřejmé, ţe pro převod výšek byl pouţit stejný model kvazigeoidu. Pouze v jednom případě se výšky liší o 1cm, coţ bude dáno zaokrouhlením. V poloze se 112

39 výsledky transformace liší do 4cm. Rozdíly souřadnic jsou ovlivněny přesností obou pouţitých transformací Výsledky porovnání dat MM a ALS Mimo dat MM jsme měli od Zeměměřického úřadu k dispozici data leteckého laserového skenování. Letecká data o hustotě 1-2body/m 2 byla dodána filtrovaná a klasifikovaná, v polohovém souřadnicovém systému S-JTSK a výškovém systému Bpv v textovém formátu ASCII po částech 2x2 km. Pro transformaci výšek byla pouţita kombinace kvazigeoidú VÚGTK (prof. Kostelecký) a VGHMÚř. Pro transformaci rovinných souřadnic byla pouţita tzv. "grid-shift" transformace, opět se jedná o kombinaci metod prof. Kosteleckého a metod VGHMÚř. Porovnání obou datových souborů bylo provedeno pomocí software TerraScan, finské společnosti Terrasolid. TerraScan nabízí v záloţce Tools funkci Output control report, která k vybraným referenčním bodům (v našem případě z dat ALS) nalezne v mračnu odpovídající body v daném okruhu (nastavili jsme 30 cm - vzhledem k hustotě bodů zcela dostačující) a porovná jejich výšky. Pro dosaţení co nejspolehlivějších výsledků, byla z obou datových souborů vybrána pouze ta data, která by měla odpovídat odrazům od zpevněného povrchu pozemní komunikace. Data byla vybrána podle vzdálenosti od osy komunikace (2-12m - abychom se vyhnuli zeleni v pásu dělícím oba směry komunikace) a v mračnu bodů MM byla provedena klasifikace terénních bodů, abychom se zbavili šumu dat a odrazům od projíţdějících vozidel. Porovnávaná data byla v rovinném systému JTSK a výškovém systému Bpv. Předpokládá se, ţe rozdíly mezi modely geoidu pouţitými k transformaci obou datových souborů jsou minimální vzhledem k velikosti výsledných rozdílů. Vybrané body z jednotlivých listů dat ALS (2x2km, kolem 1 tis. bodů pouze z povrchu dálnice) byly porovnány s vybranými body dat MM (250x250m, zhruba uprostřed listů ALS). Z výsledů níţe je zřejmé, ţe body ALS jsou systematicky níţ. 113

40 Data ALS Data MM Prům dz Min.dZ Max.dZ Stř.chyba rozdílu (charakteristika rozptylu) Dle informací ze Zeměměřického úřadu dosahují na testovacích plochách pro testování ALS dat obdobných výsledků. Systematická chyba, o kterou jsou ALS data níţe neţ skutečný terén, můţe být podle ZÚ způsobena skenováním přes sklo. ZÚ zatím opravu z této systematické chyby nezavádí. Výsledky ZÚ nás vedly k zamyšlením nad moţnou vysokou přesností dat MM ve výškové sloţce, rozhodli jsme se tedy ještě pro s nezávislým měřením nivelací. Obr. 4.31: Data MM (bíle) vs. data ALS (fialově). 114

41 4.6.6 Výsledky porovnání dat MM a výšky určené nivelací Z důvodu zjištění výrazných rozdílů ve výšce mezi daty MM a ALS jsme se rozhodli porovnat výšku bodů získaných z MM s jiným nezávislým měřením. Vybrali jsme v mračnu dobře identifikovatelné body a jejich výšku jsme následně určili technickou nivelací zvýšené přesnosti z bodů ČSNS. Určili jsme nivelací 11 bodů na pěti různých místech dálnice D11 od Prahy aţ ke sjezdu 68 na Pardubice. Z výsledků je zřejmé, ţe největší změřený výškový rozdíl mezi body určenými MLS a nivelací dosahuje hodnot 4cm! Přesnost bodů MM je dána přesností skeneru, přesností GPS připojení do globální sítě a přesností transformace z elipsoidických výšek do výškového systému Bpv. Vzhledem k těmto faktům, se zdá dosaţená přesnost neočekávaně vysoká. Výchozí nivelační bod Porovnávaný bod Výška z niv. Výška z MM Rozdíl Jistota určení bodu Jb6-5 Rozhraní bet.-asf. 196,98 196,98 0,00 100% Kilometrovník 198,11 198,13-0,02 95% Dgh-25 Konec zdi 218,90 218,90 0,00 100% Sloupek svodidla 218,69 218,67 0,02 90% Dh1-41 Spodní hrana cedule 242,60 242,56 0,04 100% Dělicí čára 241,13 241,10 0,03 100% Dh1-36 Kilometrovník 238,62 238,59 0,03 100% Dopravní značka 238,21 238,18 0,03 100% Jab-7.1 Reklamní tab ,71 200,71 0,00 80% Reklamní tab ,82 200,83-0,01 80% Reklamní tab ,69 200,65 0,04 80% 115

42 Obr. 4.32: Nivelační bod na mostě přes dálnici D11 Obr. 4.33:Nivelování v okolí dálnice D11 116

43 Obr. 4.34:Nivelování v okolí dálnice D11 117