ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE FAKULTA STAVEBNÍ KATEDRA SPECIÁLNÍ GEODÉZIE

Transkript

1 ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE FAKULTA STAVEBNÍ KATEDRA SPECIÁLNÍ GEODÉZIE DIPLOMOVÁ PRÁCE Praktické aplikace skenovacího systému Trimble GX Practical applications of scanning system Trimble GX Vypracovala: Vedoucí práce: Bc. Renáta Belzová Ing. Tomáš Jiřikovský, Ph.D.

2 PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem předloženou diplomovou práci vypracovala samostatně na základě uvedené literatury. V Úvalech dne Bc. Renáta Belzová

3 PODĚKOVÁNÍ V první řadě bych ráda poděkovala vedoucímu mé práce Ing. Tomášovi Jiřikovskému Ph.D. za cenné rady při zpracovávání této diplomové práce. Velký dík také patří firmě Geotronics Praha s.r.o., pod jejíž záštitou byla práce zpracována, za zapůjčení testovaného přístroje a potřebného softwaru. V neposlední řadě bych chtěla poděkovat mým blízkým za podporu při tvorbě této práce.

4 ABSTRAKT Tato diplomová práce je věnovaná praktickým aplikacím skenovacího systému Trimble GX. Zájmovým územím pro test byla lokalita bývalé skládky označovaná Skála v městské části Praha Koloděje. Základní náplní je tvorba modelu zájmového území a porovnání výsledků ze skenování a z dalších geodetických metod. V první části práce je uvedena stručná charakteristika přístroje a postup měření se skenovacím systémem. Dále je podrobněji pojednáno o zpracování měření a provedení měření metodou RTK. V závěru práce se nachází porovnání dosažených výsledků z použitých metod a výsledný model zpracovávaného území. KLÍČOVÁ SLOVA geodézie, měření, laserové skenování, mračno bodů, Delaunayova triangulace, vrstevnicový plán ABSTRACT This master thesis is devoted to practical applications of scanning system, the Trimble GX. Territory of interest to test was the landfill site was called "Rock" in the city of Prague - Koloděje. The basic task is to create a model of the area and comparing the results from the scanning and other surveying methods. In the first part of the work there is short characterization of the instrument and measurement procedure with a scanning system. Below is more detailed discourse about measurement process and about the RTK measurement method. At the close of this work can be found confrontation of the results obtained from methods and the resulting model of the territory. KEY WORDS surveying, measurement, laserscanning, cloud points, Delaunay triangulation, contour plan

5 OBSAH ÚVOD STRUČNÁ CHARAKTERISTIKA PŘÍSTROJE A POMŮCEK Trimble GX Technologie Trimble SureScan Trimble Tablet Rugged PC Software Trimble Access Použité pomůcky POPIS LOKALITY POSTUP MĚŘENÍ SKENEREM TRIMBLE GX Příprava stanovisek pro skenování Měření s přístrojem Trimble GX ZPRACOVÁNÍ MĚŘENÍ SKENEREM TRIMBLE GX Prostorové zobrazování Spatial Imaging Program RealWorks Survey Advanced Postup zpracování projektu Vstupní data a jejich načtení do programu Zpracování projektu Export výsledků Zpracování části skenované pomocí SureScan Určení výběrové směrodatné odchylky rozlišení SureScan ROZDÍL SKENOVÁNÍ ZE DVOU STANOVISEK ZAMĚŘENÍ OBLASTI METODOU RTK Popis Trimble R8 GNSS VRS Rover Služba VRS Now Určení výběrové směrodatné odchylky RTK měření Graf porovnání přesnosti v poloze a výšce bodu určeného RTK

6 7. POROVNÁNÍ KUBATUR ZAMĚŘENÝCH PLOCH Postup určení kubatur Porovnání vypočtených kubatur TVORBA VRSTEVNICOVÝCH PLÁNŮ POROVNÁNÍ ZAMĚŘENÝCH PROFILŮ Tvorba profilu z mračna bodů Zaměření profilu totální stanicí Porovnání vytvořených profilů VÝSLEDNÝ MODEL ÚZEMÍ ZÁVĚR SEZNAM LITERATURY SEZNAM OBRÁZKŮ SEZNAM TABULEK SEZNAM PŘÍLOH Příloha č Příloha č Příloha č Příloha č

7 ÚVOD Předmětem této diplomové práce je posouzení, zda je skenovací systém vhodný pro běžné praktické aplikace, jako je určování kubatur, profilů a tvorba modelu území. Pro zjištění rozdílů ve výsledcích s dalšími geodetickými metodami byly použity vrstevnicové plány, profily a výpočet kubatur. Všechna měření byla prováděna na území bývalé skládky v městské části Praha Koloděje. Celá práce byla zpracována ve spolupráci s firmou Geotronics Praha s.r.o. a městskou částí Praha Koloděje. 7

8 1. STRUČNÁ CHARAKTERISTIKA PŘÍSTROJE A POMŮCEK V této kapitole budou představeny parametry přístroje Trimble GX. Dále budou popsány pomůcky, které byly použity při testování přístroje. 1.1 Trimble GX Obr. 1.1 Trimble GX Trimble GX 3D skener pro prostorové zobrazování zachycuje milióny souřadnic velmi rychle. Je ideální pro uživatele v zeměměřictví a pro aplikace, jako jsou: sledování vývoje staveniště diagnostika skutečného provedení stavby renovace historických objektů 8

9 TECHNICKÉ PARAMETRY Dosah. 350 m na plochu s 90% odrazivostí 200 m na plochu s 35% odrazivostí 155 m na plochu s 18% odrazivostí Rychlost.....až 5000 bodů / sekundu Směrodatná odchylka...1,4 mm 50 m : 2,5 mm / 100 m 3,6 mm / 150 m : 6,5 mm / 200 m Přesnost jednoho bodu v poloze.. 12 mm / 100 m v délce... 7 mm / 100 m v horizontálním úhlu. 12 ve vertikálním úhlu 14 Horizontace.krabicová libela v trojnožce 8 dvouosý kompenzátor Laser. impulsní 532 nm, zelené světlo Zorné pole..360 x 60 Optika patentovaný snímací optický systém Přenos dat.usb Digitální zpracování obrazu..integrované barevné video s 5,5 násobným optickým zoomem v reálném čase Rozměry skeneru hloubka mm šířka 343 mm výška mm váha.13 kg Spotřeba energie < 100 W Provozní teplota...0 C až 40 C Předchozí text byl převzat a přeložen z [1] a [2]. 9

10 1.2 Technologie Trimble SureScan V současné době mají uživatelé možnost definovat rozlišení skenování pomocí rozteče mřížky do určité vzdálenosti, nebo nastavit úhlové rozlišení. Nicméně jak s úhlovým i prostorovým rozlišením se hustota skenování značně liší v závislosti na vzdálenosti od přístroje. Trimble SureScan technologie udrží stejnou hustotu bodů, definovanou uživatelem, i na cílové objekty jako jsou silnice, tunely nebo měření terénu, kde se vzdálenosti bodů liší. Pokud minimalizujeme množství nechtěných nebo nadbytečných bodů zachycených v zájmové oblasti, výrazně tím snížíme čas potřebný pro sběr dat a také následně dobu zpracování v kanceláři. Základním principem SureScan je předpovědět další pozici 3D bodu na základě informací, které jsou k dispozici. Lineární regrese předpokládá umístění bodu podél linie tím, že provede srovnání s předchozími řádky skenování. Nejnověji zachycené body jsou analyzovány v reálném čase pro předpovězení mezer. Skenování je přizpůsobeno tak, aby se odrážela povaha povrchu a přesná pozice laseru pro optimální výsledky. Obr. 1.2 Princip technologie SureScan 10

11 1.3 Trimble Tablet Rugged PC Obr. 1.3 Trimble Tablet Rugged PC Trimble Tablet kombinuje odolnost a přenositelnost s provozním výkonem a rozhraním notebooku: Operační systém Microsoft Windows 7 Professional: spouštění standardních aplikací pro Windows a software Trimble. Integrovaná bezdrátová síť LAN a WiFi komunikační technologie. 1 GB RAM a 32 GB HDD pro zpracování dat a vytváření konečných výsledků přímo v terénu. Velký sedmipalcový displej určený pro venkovní použití, který zajišťuje kontrolu práce pro lepší správu dat a vizualizaci. 1.4 Software Trimble Access Obr. 1.4 Trimble Access Trimble Access je navržen pro rychlé získávání dat a pro geodety uživatelsky nenáročný. Trimble Access zjednodušuje pracovní postupy, sběr dat při skenování a 3D výpočty. Tento program je určen pro rychlé výsledky přímo v terénu. Pracovní postup je zjednodušen díky průvodci prostřednictvím projektu krok za krokem. Díky možnosti prohlížení, úpravy a tvorby výstupů přímo v terénu, je vhodný zejména v oblasti stavebnictví. 11

12 1.5 Použité pomůcky Při zpracování této práce byly zapotřebí následující pomůcky: skener Trimble GX v.č Trimble Tablet v.č. 5817A WiFi adaptér pro skener Trimble R8 GNSS v.č totální stanice Trimble 5503 v.č kontrolní jednotka Trimble CU v.č odrazný hranol 3x stativ sada baterií sada terčů Obr. 1.5 Terč pro skener 2. POPIS LOKALITY Zájmovým územím pro test skeneru byla lokalita bývalé skládky označovaná Skála v městské části Praha Koloděje. Překvapivé je, že skládka vznikla jen několik stovek metrů od kolodějského zámku, který byl využíván vládami tehdejšího Československa. Na podnět městské části Praha Koloděje byl vytvořen model dvojnávrší, a aby ho bylo možné aplikovat, celá skládka byla přehrabána výkonnou technikou a řada odpadu byla odstraněna a zpracována. Pak následovala rekultivace překrytím ornicí a vybudování cest a chodníků. Na menším návrší byla z kamenných menhirů vytvarována keltská modlitebna a vyšší vrchol je připraven na stavbu rozhledny, která bude poskytovat rozsáhlý výhled do krajiny. Projekt byl financován prostředky EU, ČR i Magistrátu hlavního města Prahy a celkově stál Kč. 12

13 Obr. 2.1 Bývalá kolodějská skládka Obr. 2.2 Nově vybudovaný park v lokalitě Skála 3. POSTUP MĚŘENÍ SKENEREM TRIMBLE GX 3.1 Příprava stanovisek pro skenování Všechny výpočty byly provedeny v programu Groma verze 7.0. Kolem zaměřovaného objektu byla vhodně rozvržena měřická síť stanovisek 4001 až 4007, která byla určena polygonovým pořadem. Souřadnice bodů 4001 a 4007 byly určeny pomocí aparatury RTK se službou VRS NOW v souřadnicovém systému S JTSK. Výpočet byl proveden v programu Groma pomocí funkcí Výpočty Polygonový pořad. 13

14 Obr. 3.1 Grafické znázornění měřické sítě Parametry polygonového pořadu jsou uvedeny v tabulce 3.1. Parametry polygonového pořadu Typ pořadu uzavřený Délka pořadu 536,865 m Úhlová odchylka - 0,0009 g Odchylka Y / X - 0,009 m / - 0,009 m Polohová odchylka 0,013 m Největší / nejmenší délka v pořadu 125,799 m / 72,231 m Poměr největší / nejmenší délka 1 : 1,74 Největší rozdíl 2x měřené délky 0,001 m Tab. 3.1 Parametry polygonového pořadu Souřadnice stanovisek vypočtených polygonovým pořadem jsou uvedeny v následující tabulce

15 číslo bodu Y [m] X [m] Z [m] , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,880 Tab. 3.2 Souřadnice měřických stanovisek Protokol o výpočtu polygonového pořadu je uveden v příloze č Měření s přístrojem Trimble GX Mnoho 3D skenerů není vhodných pro geodetické aplikace, protože jsou velké, není s nimi snadná manipulace, nebo vyžadují napájení ze sítě. V kontrastu s těmito problémy je Trimble GX navržen tak, aby byl robustní, přenosný a schopný pracovat s flexibilním řešením napájení. Skener může být ovládán buď dodáním energie ze sítě, přenosnými 24 V bateriemi, nebo se dvěma autobateriemi pomocí sady kabelů. Skener může být rovněž provozován s polním počítačem (Trimble Tablet Rugged PC), čímž se významně posílila oblast přenositelnosti s polním počítačem je skener propojen pomocí WiFi technologie. Vlastní skenování se ovládá přes software Trimble Access popsaný v kapitole 1.4. Po spuštění tohoto programu dojde k okamžitému propojení počítače se skenerem a je zobrazena elektronická libela. Elektronická libela umožňuje skeneru, aby byl plně vyrovnán a umístěn nad známým bodem. Po správné centraci a horizontaci se do přístroje zadají hodnoty teploty a tlaku pro určení atmosférických korekcí. Pokud je přístroj na známém bodě, nastaví se souřadnice stanoviska a výška přístroje. Následně program nabízí nastavení orientací (rovněž zadáním souřadnic a výšky cíle), které se provede vybráním cíle na obrazovce pomocí dotykového displeje. Po naskenování cíle je zobrazen protokol o dosažených odchylkách určení orientace. Dosažené odchylky jsou shrnuty v následující tabulce

16 číslo bodu orientace X [m] Y [m] Z [m] celková prostorová chyba [m] ,006-0,027 0,000 0, ,031-0,008 0,013 0, ,015 0,023-0,030 0, ,026 0,008-0,015 0, ,023 0,003-0,024 0, ,021-0,009-0,017 0, ,017 0,019-0,029 0, ,006 0,018-0,044 0, ,014-0,013-0,005 0, ,015 0,002-0,012 0, ,031 0,005 0,021 0, ,015-0,013-0,013 0,024 Tab. 3.3 Dosažené odchylky při skenování orientací Po první orientaci je možné přidat další, nebo ukončit nastavení stanoviska a přejít k vlastnímu skenování. Vybrání skenované oblasti probíhá jednoduchým zadáním polygonu pomocí dotykového displeje s použitím funkce živého videa. Obr. 3.2 Polygonální vymezení skenované oblasti 16

17 Dalším krokem je nastavení rozlišení skenování, kde je možnost výběru tradičního nastavení mřížky (Conventional Resolution) a nastavení rozlišení pomocí funkce SureScan. Při tradičním nastavení se zadá krok skenování v horizontálním a vertikálním směru na určitou vzdálenost. Toto nastavení bylo použito pro skenování celé oblasti s rozlišením 0,15 m v obou směrech na 100 m vzdálenosti (průměrná vzdálenost byla 70 m) Funkce SureScan byla testována na uskupení kamenů na vršku jednoho z kopců. Při tomto typu skenování stačí nastavit pouze požadované výsledné rozlišení mřížky. Díky této funkci je zajištěna stejná hustota bodů v celé skenované oblasti. Při nastavování rozlišení se na displeji zobrazí i celkový potřebný čas a po dokončení skenování jsou zachyceny snímky lokality pomocí integrované kamery. 4. ZPRACOVÁNÍ MĚŘENÍ SKENEREM TRIMBLE GX Některé následující pasáže byly převzaty a přeloženy z [1] a [3]. 4.1 Prostorové zobrazování Spatial Imaging Spatial Imaging je nová technologie firmy Trimble. Spatial Imaging zahrnuje: polygonální vymezení skenované oblasti panoramatickou funkci, která umožňuje automatické snímání více snímků na definované skenované oblasti možnost zobrazení mračna bodů nad skenovanou oblastí Spatial Imaging sestává ze tří fází: sběr, zpracování a analýza dat. Při sběru dat se využívají tradiční geodetické techniky spolu s pořizováním snímků a laserovým skenováním. Tímto způsobem se zachytí tvar, velikost a poloha cílů. Ve fázi zpracovávání se používá program Trimble RealWorks Survey, který poskytuje nástroje pro úpravu a vyhodnocení naměřených dat. Konečnou fází je analýza zpracovaných dat. Zpracovaná data je možno použít pro mnoho aplikací. 17

18 4.2 Program RealWorks Survey Advanced 6.5 Trimble RealWorks Survey (RWS) je software od Trimble, který importuje naměřená data (snímky, data ze skenování) a přeměňuje je ve 3D výsledky. Nástroje v RealWorks Survey spravují, zpracovávají a analyzují velké datové soubory obsahující miliony bodů a umožňují vytvářet vysoce kvalitní výsledky. Trimble RealWorks Survey software umožňuje zaregistrovat, vizualizovat a zkoumat jednotlivé snímky nebo skeny. Obsáhlý, ale velmi snadno ovladatelný RWS nabízí: správu, zpracování a analýzu velkých souborů dat snadnou produkci výsledků export do CAD sdělování svých výsledků pomocí videa a exportu pro Google Earth (kml formát) RealWorks Survey konfigurace RealWorks Survey software je k dispozici ve dvou verzích. Standardní verze nabízí rozšířené možnosti ve 2D a 3D formátu, se kterým se může následně například manipulovat, vizualizovat jej, tisknout, nebo částečně upravit. Rozšířená verze nabízí uživatelům další produktivní nástroje a možnosti, jako je například tvorba profilů a porovnávání ploch. Obr. 4.1 Hlavní dialogové okno 18

19 4.3 Postup zpracování projektu Vstupní data a jejich načtení do programu Vstupními daty jsou jednotlivá mračna bodů ve formátu *.rwp (RealWorks projekt) pořízená při skenování z každého stanoviska. Se stejným názvem je také založena složka souborů *.rwi, která obsahuje údaje o stanovisku, orientacích, naskenovaných bodech a pořízených snímcích (ve formátu *.RWV). Pro načtení souboru *.rwp do programu je nutné mít ve stejném adresáři také složku souborů *.rwi vytvořenou při zakládání projektu Zpracování projektu Program má tři módy Registration, OfficeSurvey a Modeling. Jednotlivé fáze zpracovávání projektu se dějí v různých módech. V módu Registration se načítají vstupní data a lze upravovat stanoviska měření. V módu OfficeSurvey probíhá samotné zpracovávání projektu jak snímků, tak skenovaných dat ( = mračen bodů). Mohou se zde například tvořit 3D linie a objekty a trojúhelníkové sítě z mračen bodů. V módu Modeling se zpracovávají skeny pomocí aproximace předdefinovanými tvary, jako jsou například koule, rovina a válec. 1) Načtení měřených dat Načtení měřených dat probíhá v módu Registration. Samotné načtení se provede pomocí File Open, kde stačí otevřít jen soubor RWP a jednotlivé snímky a skeny se automaticky načtou samy. Obr. 4.2 Načtená mračna bodů 19

20 2) Očištění mračen bodů Pořízená mračna bodů je nejprve nutné očistit od nepotřebných nebo nechtěných bodů. Tyto body jsou vytvořeny například kvůli pohybu osob ve skenované oblasti, nebo zasahujícími větvemi stromů. Očištění probíhá v módu Office Survey pomocí funkce Segmentation Tool. Touto funkcí se vymezí výběrový polygon a následně se zobrazí volba pro odstranění bodů uvnitř nebo vně polygonu. Obr. 4.3 Segmentation Tool 3) Spojení mračen bodů Během práce v terénu je vhodné ukládat skeny z jednotlivých stanovisek do samostatných projektů kvůli množství dat a z toho plynoucí možné zpomalování softwaru z hardwarových důvodů. Díky tomu je nutné po otevření jednotlivých projektů spojit všechny v jeden celek. Spojení mračen bodů se provádí funkcí Merge clouds, kterou nalezneme v menu Edit. Pro spojení je nutné mít označena všechna požadovaná mračna v okně Project tree. 4) Tvorba trojúhelníkové sítě Pro vytvoření digitálního modelu terénu je nutné z naměřených mračen bodů vytvořit trojúhelníkovou síť. Trojúhelníková síť je tvořena pomocí Delaunayovy triangulace. Tato metoda je založena na principu, že v kružnici opsané jakémukoliv trojúhelníku nesmí být žádný další bod. Podrobnější informace k této triangulaci je možné nalézt například v [5]. Tuto síť je možné vytvořit po označení mračna funkcí Mesh Creation Tool, která je přístupná z hlavní nástrojové lišty. Obr. 4.4 Mesh Creation Tool Nejprve je nutné zvolit zájmovou oblast (část nebo celé mračno bodů) a následně se vytvoří trojúhelníková síť. 20

21 5) Úprava trojúhelníkové sítě Vytvořenou síť je možné editovat funkcí Mesh Editing Tool, která je přístupná v hlavní nástrojové liště po označení trojúhelníkové sítě. V menu této funkce je možná volba pro výběr prvků mezi vrcholem, hranou nebo trojúhelníkem. Dále je možné vybrat větší oblast pomocí výběrového polygonu. Obr. 4.5 Mesh Editing Tool Další částí této funkce je možnost předefinování vytvořených trojúhelníků, vyhlazení, odstranění větších vrcholů a inverze normál. Během tvorby mého projektu byly použity funkce předefinování vytvořených trojúhelníků a vyhlazení. Obr. 4.6 Výsledná trojúhelníková síť 21

22 4.3.3 Export výsledků Všechna naměřená data a vytvořené trojúhelníkové sítě se mohou exportovat do různých formátů, nejčastěji do formátu DXF. DXF (Drawing Exchange Format) je CAD formát, který vytvořila firma Autodesk, umožňující výměnu dat mezi AutoCA- Dem a dalšími programy. Export se provádí označením všech prvků, které chceme exportovat a následným použitím funkce File Export Selection. Při exportu se dají nastavit parametry: Typ exportovaných dat : 1) vybraná mračna bodů a geometrie 2) vybraná geometrie 3) vybraná mračna bodů Exportovaný rám Jednotky Vyobrazení mračna Obr. 4.7 Export do DXF 4.4 Zpracování části skenované pomocí SureScan Funkce SureScan byla využita na uskupení kamenů na vršku jednoho z kopců. Díky této funkci je zajištěna stejná hustota bodů v celé skenované oblasti, což bylo velmi vhodné na zachycení tvaru kamenů. Skenování této oblasti bylo provedeno ze třech volných stanovisek určených z bodů základní sítě. Volná stanoviska byla určena přímo při skenování skenerem. 22

23 Obr. 4.8 Uskupení kamenů Obr. 4.9 Načtené skeny v programu Obr Ukázka bodů naskenovaných pomocí technologie SureScan 23

24 Z předchozího obrázku 4.10 je patrná funkce technologie SureScan. Celý povrch je pokryt pravidelnou mřížkou bodů a případné prázdné oblasti vznikly pouze z důvodu zastínění. Kdybychom tuto plochu naskenovali pomocí obyčejného skenování, nedosáhli bychom zachycení potřebných detailů a stejného rozestupu mřížky ve všech částech oblasti. Zpracování mračna bodů probíhalo stejným postupem jako při zpracování ostatního měření s tím, že větší kameny byly zpracovávány samostatně. Obr Model kamene Obr Model části skenované technologií SureScan 24

25 4.5 Určení směrodatné odchylky rozlišení SureScan Při skenování pomocí technologie SureScan je nastaveno rozlišení mřížky v horizontálním směru a rozlišení ve vertikálním směru je automaticky určováno skenerem tak, aby byla zajištěna stejná hustota bodů na celém povrchu. Z tohoto důvodu je možné určit přesnost dodržení nastaveného rozlišení pouze v horizontálním směru. V různých částech zaměřené plochy bylo náhodně vybráno 30 dvojic bodů a mezi nimi byly změřeny vzdálenosti. Tyto vzdálenosti nám poslouží pro výpočet směrodatné odchylky rozlišení při použití technologie SureScan. Hodnoty naměřených délek by měly odpovídat nastavenému rozlišení při skenování 40 mm. Budeme uvažovat, že naměřené hodnoty mají normální rozdělení, a proto určíme střední hodnotu aritmetickým průměrem. X = n i= 1 n X i kde X je vypočtený aritmetický průměr X i jsou naměřené hodnoty n je počet naměřených hodnot Výpočet výběrové směrodatné odchylky provedeme pomocí oprav měřených hodnot k vypočtenému průměru. n ( X X i ) i= 1 σ = v = X X i n 1 kde σ je vypočtená výběrová směrodatná odchylka X je vypočtený aritmetický průměr X i jsou naměřené hodnoty n je počet naměřených hodnot v je oprava naměřené hodnoty od průměru 25

26 naměřená vzdálenost [mm] v v*v naměřená vzdálenost [mm] v v*v Tab. 4.1 Výpočet výběrové směrodatné odchylky střední hodnota: X = 39 mm výběrová směrodatná odchylka: σ = 2 mm Dosažené rozdíly mezi zadanou hodnotou a skutečnými hodnotami rozestupu mřížky se pohybují od 4 mm do + 3 mm. S přihlédnutím k dané přesnosti skeneru (v poloze jednoho bodu 12 mm) lze dosažené výsledky považovat za dostatečně přesné. 26

27 5. ROZDÍL SKENOVÁNÍ ZE DVOU STANOVISEK Během skenování oblasti v terénu byly vybírány zájmové části s menším překrytem pro předejití prázdných míst. Z jedné překrytové oblasti byl vybrán čtverec o délce strany cca 3 m, kde byl určen rozdíl mezi skeny ze dvou stanovisek. Pro porovnání by bylo ideálním případem, kdyby byly zachycené body na stejných místech. Ve skutečnosti však tato situace nenastane a zaměřené body mají mezi sebou určité odstupy. Vzhledem k tomuto faktu byl zvolen způsob porovnání vrstevnicovým plánem. Vrstevnicový plán byl vytvořen z obou skenů s krokem 5 cm v programu Microstation V8. Vytvořené vrstevnicové plány by se v ideálním případě neměly lišit vůbec, nebo o konstantu, která je dána chybou výšky točné osy určené z orientací a chyby určení stanoviska. Tato konstanta by byla ve všech místech plochy stejná. Jak je vidět z následujícího obrázky, který porovnává oba plány, vrstevnice se od sebe liší o různé hodnoty v různých částech plochy. Důvodem rozdílnosti vrstevnicových plánů je nejspíše směr záměry skenovacího systému. Je vidět, že při pořízení jednoho skenu kolmo k oblasti (červená barva) a druhého šikmo k oblasti (modrá barva) dochází k rozdílnosti výsledků. Z obrázku je také patrné, že vrstevnice vzniklé z kolmého skenu mají mnohem hladší průběh než vrstevnice ze šikmého skenu. Obr. 5.1 Porovnání vrstevnicových plánů 27

28 6. ZAMĚŘENÍ OBLASTI METODOU RTK V současné době je GNSS metoda RTK (Real Time Kinematic) jednou z častých metod zaměřování podrobných bodů např. při určování kubatur nebo profilů. RTK je metoda určování polohy v reálném čase, při které jsou z referenční aparatury umístěné na známém bodě vysílány korekce do přijímače v terénu. Během našeho měření byla použita aparatura Trimble R8 a služba Trimble VRS Now, které budou popsány v následujících odstavcích. Touto metodou byla zaměřena pouze část zájmové oblasti pro porovnání vypočtených kubatur a také byl zaměřen jeden profil. 6.1 Popis Trimble R8 GNSS VRS Rover Trimble R8 GNSS VRS Rover je multikanálový a multifrekvenční GNSS přijímač, anténa a rádiomodem integrovaný do jedné kompaktní jednotky. Trimble R-Track technologie podporuje modernizované GPS signály a samozřejmě signály GLONASS. Trimble R8 má v sobě zabudovaný vnitřní GSM/GPRS modem pro bezdrátové připojení k Internetu pomocí NTRIP protokolu, což umožňuje rychlý a jednoduchý přístup k RTK korekcím ze sítě referenčních stanic. TECHNICKÉ PARAMETRY 72 kanálů: GPS L1 C/A kód, plná fáze L1/L2/L5 GLONASS L1 C/A kód, L1 P kód, L2 P kód, plná fáze L1/L2 Diferenční kódové měření GPS poloha + 0,25 m + 1 ppm RMS výška..+ 0,50 m + 1 ppm RMS Statická a rychlá statická metoda GPS poloha mm + 0,5 ppm RMS výška + 5 mm + 1 ppm RMS Kinematická metoda GPS poloha + 10 mm + 1 ppm RMS výška mm + 1 ppm RMS doba inicializace...< 10 sekund 28

29 6.2 Služba VRS Now Síť Trimble VRS Now Czech poskytuje korekce GPS/GNSS přijímačům pro geodézii i GIS. Tato síť je provozována podle stejného modelu, který byl použit například ve Velké Británii, Německu, Irsku a Estonsku. V České republice je síť tvořena 24 referenčními stanicemi pro kvalitní korekce ve všech místech republiky. Pro pokrytí západní části republiky jsou přijímána data i z osmi stanic Trimble VRS Now Deutschland. 6.3 Určení výběrové směrodatné odchylky RTK měření Pro určení směrodatné odchylky RTK měření bylo provedeno 15 zaměření stejného bodu v intervalu 30 minut. Během celého měření byla nastavena výška antény na 2 m a po celou dobu nedošlo k přerušení příjmu korekcí z referenčních stanic. Následující výpočty byly provedeny pro každou souřadnici zvlášť, což znamená, že ve výsledku jsme získali 3 výběrové směrodatné odchylky. Budeme uvažovat, že naměřené hodnoty mají normální rozdělení, a proto určíme střední hodnotu aritmetickým průměrem. kde X = X je vypočtený aritmetický průměr X i jsou naměřené hodnoty n je počet naměřených hodnot n i= 1 n X i Výpočet výběrové směrodatné odchylky provedeme pomocí oprav měřených hodnot k vypočtenému průměru. kde n ( X X i ) i= 1 σ = v = X X i n 1 σ je vypočtená výběrová směrodatná odchylka X je vypočtený aritmetický průměr X i jsou naměřené hodnoty n je počet naměřených hodnot v je oprava naměřené hodnoty od průměru 29

30 Y [m] v Y [mm] v Y * v Y X [m] v X [mm] v X * v X Z [m] v Z [mm] v Z * v Z 1 4, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , X 4,135 3,378 2,710 Tab. 6.1 Výpočet výběrové směrodatné odchylky Poznámka: Pro přehlednost jsou v tabulce uvedeny redukované souřadnice. Výběrová směrodatná odchylka pro souřadnici X: σ X = 4 mm Výběrová směrodatná odchylka pro souřadnici Y: σ Y = 6 mm Výběrová směrodatná odchylka pro souřadnici Z: σ Z = 12 mm 6.4 Graf porovnání přesnosti v poloze a výšce bodu určeného RTK Porovnání přesnosti v poloze a výšce bodu bylo provedeno pomocí bodů určených metodou RTK zaměřených pro určení výběrové směrodatné odchylky (popsané v kapitole 5.3). Hodnoty přesnosti v poloze (přesnost XY) a ve výšce (přesnost Z) jsou převzaty z Protokolu GNSS (RTK) měření, který je uveden v Příloze č

31 Přesnost XY [mm] Přesnost Z [mm] Tab. 6.2 Přesnosti v poloze a výšce bodu určeného RTK Obr. 6.1 Graf porovnání přesnosti v poloze a výšce bodu určeného RTK Z výše uvedeného grafu je patrné, že rozdíl mezi přesností v poloze a výšce bodu je přibližně konstantní. Skutečnost, že je přesnost RTK ve výšce horší než přesnost v poloze, je obecně známá. Avšak z výše uvedených výsledků je vidět, že při použití služby VRS Now je opravdu zajištěna relativní přesnost ve výšce cca mm. 31

32 7. POROVNÁNÍ KUBATUR ZAMĚŘENÝCH PLOCH Určitá část oblasti byla kromě zaměření skenerem ještě zaměřena metodou RTK popsanou v předchozí kapitole. Určení kubatur zaměřených ploch a následně jejich rozdílu bylo provedeno v programu RealWorks Survey Advanced Postup určení kubatur Abychom mohli v programu určit kubaturu obou ploch, je nutné nejprve ze zaměřených bodů metodou RTK vytvořit mračno bodů. Tato funkce je přístupná po načtení textového souboru v módu Registration v hlavním menu Registration Create Point Cloud from Topo Points. Po označení vytvořeného mračna bodů je možné spustit funkci pro výpočet kubatur Volume Calculation Tool v módu Office Survey. Obr. 7.1 Volume Calculation Tool Výpočet kubatury je zobrazen pomocí kvádrů v zadaném rozlišení a je možné tyto kvádry dle potřeby upravit. Obr. 7.2 Vypočtená kubatura 32

33 7.2 Porovnání vypočtených kubatur Porovnání vypočtených kubatur bylo provedeno pomocí vyexportovaných reportů o výpočtu. V reportu je údaj o celkové vypočtené kubatuře v metrech krychlových a o ploše, na které byl výpočet proveden. skener [m 3 ] RTK [m 3 ] rozdíl [m 3 ] 73707, , ,313 Tab. 7.1 Porovnání kubatur z původních dat Ve výše uvedené tabulce jsou uvedeny hodnoty vypočtené z původních naměřených dat. Tato data pořízená skenerem jsou ale ovlivněna travním porostem, který není možné při měření metodou RTK zaměřit. Z tohoto důvodu dosahuje rozdíl takto velkých hodnot. Pro další výpočet byla výška bodů určených pomocí skeneru upravena o průměrnou výšku travního porostu, která činí 0,04 m. Hodnota určená z upravených dat je uvedena v následující tabulce. skener [m 3 ] RTK [m 3 ] rozdíl [m 3 ] 73436, ,835 9,234 Tab. 7.2 Porovnání kubatur z upravených dat Rozdíl dosažený při tomto porovnání dosahuje o 2 řády nižších hodnot, než při prvním výpočtu. Tímto bylo ukázáno, že skenovací systém je pro určování kubatur již porostlých oblastí méně vhodný a travní porost může způsobit dost velkou odlišnost výsledků. 33

34 8. TVORBA VRSTEVNICOVÝCH PLÁNŮ V zaměřené lokalitě oběma metodami byly vytvořeny vrstevnicové plány pro další názorné porovnání. Vrstevnicové plány byly vytvořeny s krokem 1 m a z výsledku je patrné, že nemůžeme určit konstantní odchylku obou zaměření. Opět se zde velmi projevil vliv travního porostu, u kterého nelze vysledovat stálý průběh. Modrou barvou jsou vyznačeny vrstevnice vytvořené ze skeneru a červenou barvou z měření metodou RTK. Vrstevnice byly vytvořeny v programu RealWorks Survey Advanced 6.5. Obr. 8.1 Porovnání vrstevnicových plánů 34

35 9. POROVNÁNÍ ZAMĚŘENÝCH PROFILŮ K provedení dalšího porovnání skeneru byl použit profil procházející přes nejvyšší vrchol. Tento profil byl zaměřen pomocí RTK metody, totální stanicí a k porovnání byl vytvořen profil z naskenovaného mračna bodů. 9.1 Tvorba profilu z mračna bodů Aby bylo možné přesně porovnat profily, byla k vytvoření profilu z mračna bodů použita linie vytvořená z bodů určených RTK. Profil se v programu RealWorks Survey tvoří pomocí funkce Profile/Cross- Section Tool, ktetá je dostupná z hlavní nástrojové lišty. Obr. 9.1 Profile/Cross-Section Tool Obr. 9.2 Zobrazení polohy profilu 9.2 Zaměření profilu totální stanicí Měření profilu bylo doplněno zaměřením totální stanicí z toho důvodu, že metoda RTK nedosahuje tak přesných výsledků. Aby bylo možné přesné porovnání, byly pomocí totální stanice body, dříve určené metodou RTK, přesně vytyčeny a následně zaměřeny. Porovnání profilů ze všech třech metod je uvedeno v následující kapitole. 35

36 9.3 Porovnání vytvořených profilů Při porovnání profilů bylo zjištěno, že největších rozdílů bylo dosaženo u vrcholu kopce. Toto je nejspíše způsobeno velmi strmou záměrou při skenování, kdy dochází k mnohem častějšímu odrazu paprsku od travního porostu, než od skutečného terénu. Na následujících obrázcích jsou zobrazeny detaily srovnání profilů vytvořených ze skenování (zelená barva), z metody RTK (modrá barva) a ze zaměření totální stanicí (červená barva). Obr. 9.3 Přehled detailů srovnání profilů Obr. 9.4 Detail A Maximální rozdíl byl zjištěn v místě mezi body 6 a 8 zobrazených v obr V této oblasti bylo dosaženo odlehlosti 0,25 m. Poznámka: Odlehlostí je rozuměn rozdíl v souřadnici Z. 36

37 Obr. 9.5 Detail B Obr. 9.6 Detail C V následující tabulce jsou uvedeny odměřené odlehlosti mezi profilem vytvořeným ze skenování a profilem z metody RTK. odlehlost [mm] odlehlost [mm] odlehlost [mm] Tab. 9.1 Odlehlosti od profilu určeného metodou RTK 37

38 V druhé tabulce jsou uvedeny odlehlosti mezi profilem vytvořeným ze skenování a profilem zaměřeným totální stanicí. U bodů 1 a 24 odlehlosti uvedené nejsou z toho důvodu, že nebylo možno tyto body zaměřit. odlehlost [mm] odlehlost [mm] odlehlost [mm] Tab. 9.2 Odlehlosti od profilu určeného totální stanicí Pro porovnání dosažených odchylek profilů z metody RTK a ze zaměření totální stanicí byl vytvořen graf zobrazený na obrázku 9.7 na následující straně. V 6 případech mají odchylky dosažené z metody RTK a totální stanicí opačné znaménko. Tyto rozdíly mohou být způsobeny kolísavou přesností metody RTK, nebo případným znehodnocením měření totální stanicí z důvodu sněhové pokrývky. Na následující stránce je zobrazen graf porovnání dosažených odchylek získaný z dat uvedených v tabulkách 9.1 a 9.2. Jsou zde uvedeny odchylky mezi zaměřením skenerem a metodou RTK (modrá barva) a mezi skenerem a totální stanicí (červená barva). 38

39 odlehlost skeneru a totální stanice odlehlost skeneru a RTK Obr. 9.7 Graf porovnání dosažených odchylek 39

40 10. VÝSLEDNÝ MODEL ÚZEMÍ Výsledný model celého území byl vytvořen z trojúhelníkové sítě popsané v kapitole Jelikož má být výsledek věrnou kopií skutečného území, byly pro názornost obarveny cesty vedoucí přes celý park. Z důvodu, že byl celý projekt zpracováván v programu RealWorks Survey, byla v něm provedena i konečná úprava modelu. Pro výběr částí a obarvení vytvořeného modelu v tomto programu bohužel existuje jen možnost úpravy trojúhelníků. Tento fakt má za důsledek nemožnost výběru části ohraničené hladkými křivkami. Výsledné obarvené cesty mají tedy ve výsledku kostrbaté kraje, což znehodnocuje celkový dojem z modelu. Na následujících obrázcích je zobrazen výsledný model území z různých pohledů. Obr Pohled shora Obr Pohled z přední části 40

41 Obr Pohled ze zadní části Obr Pohled z boční části 41

42 ZÁVĚR Cílem této diplomové práce bylo posouzení, zda je skenovací systém vhodný pro běžné praktické aplikace, jako je určování kubatur, profilů a tvorba modelu území. Dalším úkolem bylo porovnání výsledků získaných ze skenování s dalšími geodetickými metodami. Pro porovnání kubatur a profilů byla zvolena metoda RTK z toho důvodu, že je v praxi na tyto aplikace dosti využívaná. Všechna měření a uvedené výsledky byly zpracovávány v programu RealWorks Survey Advanced 6.5, který je pro tento typ prací určen. Při porovnávání kubatur plochy určené ze skenování a z metody RTK byla zjištěna velká odlišnost hodnot. Takto velký rozdíl by v případně realizace stavby způsobil velké finanční nesrovnalosti. Odlišnost byla nejspíše způsobena travním porostem zaměřované plochy, čímž bylo dokázáno, že v běžné praxi není skenovací systém pro tento typ aplikace příliš vhodný. Na druhou stranu při zaměřování neporostlých ploch ( například kupa nezhutněné zeminy ) by byl skenovací systém vhodnější v tom směru, že nedochází k pohybu měřiče po ploše a tím není znehodnocen jeho tvar. Dalším hlediskem pro porovnání výsledků bylo určení profilu třemi metodami. Z výsledků je vidět, že největší rozdíly mezi skenerem a dalšími dvěma metodami jsou dosaženy v nejvyšší části profilu. Tyto značné odlehlosti mohly být způsobeny špatným odrazem paprsku od travního porostu, ale i velmi strmými záměrami při skenování. Z výsledků kapitoly 5 (Rozdíl skenování ze dvou stanovisek) je také patrné, že velký vliv má na skenování i úhel záměry. Stejná plocha naskenovaná ze dvou stanovisek by měla mít stejný průběh vrstevnicových plánů, ale ve skutečnosti tomu tak není a ve výsledcích nelze ani vysledovat konstantní odchylku. Program RealWorks Survey je dobrý software pro vyhodnocování skenů z jednotlivých stanovisek. Tento program má ale více zásadních nedostatků, které znepříjemňují práci zpracovateli. Prvním nedostatkem je styl úpravy vytvořených trojúhelníků při tvorbě modelu území. Ve vytvořeném modelu nelze přesně definovat hladkou hranu oříznutí nebo výběru, například pro obarvení jednotlivých částí. Z tohoto důvodu nebylo možné v našem případě vytvořit barevné cesty v modelu s hladkými okraji. Kostrbaté okraje cest velmi znehodnocují celkový dojem z modelu. Dalším nedostatkem je nemožnost tisku výsledků v definovaném měřítku. Dosažené výsledky naznačují, že skenovací systém je možné využít pro aplikace vyzkoušené při tvorbě této práce, ale s určitými omezeními, jako je travní porost a příliš strmé záměry při skenování objektů. 42

43 SEZNAM LITERATURY [1] Trimble GX 3D Scanner - Datasheet English [online] [cit ]. Dostupné z WWW: < / A_GX_3Dscanner_advanced_DS_0909_sec.pdf>. [2] 3D Scanning for Surveyors - English [online] [cit ]. Dostupné z WWW: < / _3DScanningforSurveyors_WP_1005_lr.pdf>. [3] Brochure - Spatial Imaging - English [online] [cit ]. Dostupné z WWW: < / B_Spatial_Imaging_BRO_0907_lr.pdf>. [4] RealWorks Survey - Technical Notes - English [online] [cit ]. Dostupné z WWW: < / E_RealWorks_TN_0409_lr.pdf>. [5] ŠTRONER, M.; POSPÍŠIL, J. Terestrické skenovací systémy. 1. vydání. Praha : Česká technika - nakladatelství ČVUT, s. [6] Program Groma [7] Program Trimble RealWorks Survey Advanced

44 SEZNAM OBRÁZKŮ 1.1 Trimble GX Princip technologie SureScan Trimble Tablet Rugged PC Trimble Access Terč pro skener Bývalá kolodějská skládka Nově vybudovaný park v lokalitě Skála Grafické znázornění měřické sítě Polygonální vymezení skenované oblasti Hlavní dialogové okno Načtená mračna bodů Segmentation Tool Mesh Creation Tool Mesh Editing Tool Výsledná trojúhelníková síť Export do DXF Uskupení kamenů Načtené skeny v programu Ukázka bodů naskenovaných pomocí technologie SureScan Model kamene Model části skenované technologií SureScan Porovnání vrstevnicových plánů Graf porovnání přesnosti v poloze a výšce bodů určeného RTK Volume Calculation Tool Vypočtená kubatura

45 8.1 Porovnání vrstevnicových plánů Profile/Cross-Section Tool Zobrazení polohy profilu Přehled detailů srovnání profilů Detail A Detail B Detail C Graf dosažených odchylek Pohled shora Pohled z přední části Pohled ze zadní části Pohled z boční části SEZNAM TABULEK 3.1 Parametry polygonového pořadu Souřadnice měřických stanovisek Dosažené odchylky při skenování Výpočet výběrové směrodatné odchylky Výpočet výběrové směrodatné odchylky Přesnosti v poloze a výšce bodu určeného RTK Porovnání kubatur z původních dat Porovnání kubatur z upravených dat Odlehlosti od profilu určeného metodou RTK Odlehlosti od profilu určeného totální stanicí

46 SEZNAM PŘÍLOH Příloha č. 1 Protokol o výpočtu polygonového pořadu Příloha č. 2 Protokol o dosažených odchylkách určení orientací při skenování Příloha č. 3 Protokol GNSS (RTK) měření Příloha č. 4 Protokol GNSS (RTK) měření profilu 46

47 PŘÍLOHA Č. 1 POLYGONOVÝ POŘAD ================ Orientace osnovy na bodě 4001: Bod Hz Směrník V or Orientační posun : g Orientace osnovy na bodě 4007: Bod Hz Směrník V or Orientační posun : g Naměřené hodnoty: Bod S zpět S vpřed Úhel V úhlu Směrník D vpřed D zpět D Dp - Dz

48 Parametry polygonového pořadu: Typ pořadu : uzavřený Délka přadu : m Úhlová odchylka : g Odchylka Y/X : m / m Polohová odchylka : m Největší / nejmenší délka v pořadu : m/ m Poměr největší / nejmenší délka : 1:1.74 Max. poměr sousedních délek : 1:1.26 Největší rozdíl 2x měřené délky : m Nejmenší vrcholový úhel : g Vypočtené body: Bod Y X VÝŠKOVÝ VÝPOČET POLYGONOVÉHO POŘADU =================================== Bod1 Bod2 Z tam Z zpět dh tam dh zpět dh V dh Výškový uzávěr: Výškové vyrovnání Bod1 Bod2 dh dh vyr V dh

49 Vypočtené výšky: Bod Výška Test polygonového pořadu: Úhlová odchylka [g]: Skutečná hodnota: , Mezní hodnota: Polohová odchylka [m]: Skutečná hodnota: , Mezní hodnota: Mezní délka pořadu [m]: Skutečná hodnota: , Mezní hodnota: Mezní délka strany [m]: Skutečná hodnota: , Mezní hodnota: Mezní poměr délek : Skutečná hodnota: 1:1.26, Mezní hodnota: 1:3.00 Mezní odchylky stanovené pro práci v katastru nemovitostí byly dodrženy. Geometrické parametry stanovené pro práci v katastru nemovitostí byly dodrženy. 49