Laserové skenování principy

Transkript

1 Podpořeno z projektu FRVŠ 584/2011

2 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. (FSv ČVUT) Lidar: Light Detection and Ranging

3 Kontrolní otázka Jak funguje radar?

4 Kontrolní otázka Jak funguje radar?

5 Princip laserového skenování Princip podobný jako u radaru skener vyšle laserový impuls a poslouchá 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 zaměření 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

6 Kontrolní otázka Kolik času potřebuje světlo, aby urazilo vzdálenost 3 cm

7 Kontrolní otázka Kolik času potřebuje světlo, aby urazilo vzdálenost 3 cm t = s c

8 Kontrolní otázka Kolik času potřebuje světlo, aby urazilo vzdálenost 3 cm t = s c s = 0,03 m = m c = m/s = m/s t = s = 0, s = 0,1 ns

9 Laserový skener laserový dálkoměr laserový skener zpracování echa pulsní laser laserový impuls řídicí jednotka optika, rotující hranol echo impulsu optický detektor, vzorkování úhel vychýlení paprsku digitalizované echo detekce odrazů vzdálenost intenzita výpočet souřadnic souřadnice míst odrazu intenzita odrazu

10 Druhy laserových skenerů Pozemní (statický) na stativu Letecký nesený letadlem, vrtulníkem Mobilní nesený automobilem, lodí, drezínou... Ruční nesený rukou :)

11 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

12 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:???

13 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

14 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

15 Pořízení dat statického LS laserový skener úhel vychýlení paprsku digitalizované echo zpracování echa souřadnice míst odrazu (místní SS skeneru), intenzita odrazu georeferencování souřadnice míst odrazu (geodetický SS), intenzita odrazu souřadnice a rotace IMU

16 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

17 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 Θ max = 15, aby vzdálenost řádků l a bodů v řádce s byla 1 m frekvence řádků f = v l

18 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 Θ max = 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

19 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 Θ max = 15, aby vzdálenost řádků l a bodů v řádce s byla 1 m frekvence řádků f = v l šířka záběru S = 2 h tg Θ max v = 250 km/h = 70 m/s l = 1 m f = 70 Hz

20 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 Θ max = 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 šířka záběru S = 2 h tg Θ max h = 1000 m Θ max = 15 f = 70 Hz S = 536 m

21 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 Θ max = 15, aby vzdálenost řádků l a bodů v řádce s byla 1 m počet bodů na řádku N = S s

22 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 Θ max = 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

23 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 Θ max = 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

24 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 Θ max = 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 frekvence bodů F = N f N = 536 f = 70 Hz N = 536 F = Hz

25 Určení polohy a orientace skeneru letecké LS Problém určení polohy a rotace skeneru za letu?

26 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)

27 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

28 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)

29 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)

30 Určení polohy a orientace skeneru letecké LS souřadnice skeneru GNSS+IMU rotace skeneru IMU úhel vychýlení paprsku ve skeneru poskytuje skener

31 Dráha letu převzato od ZÚ Pardubice

32 Výpočet souřadnic místa odrazu

33 Pořízení dat leteckého LS letadlo laserový skener úhel vychýlení paprsku digitalizované echo zpracování echa souřadnice míst odrazu (místní SS skeneru), intenzita odrazu georeferencování souřadnice míst odrazu (geodetický SS), intenzita odrazu IMU GNSS přijímač referenční GNSS přijímač 3D zrychlení, rotace ční naviga data GNSS korekce (RINEX) výpočty diferenciální GNSS poloha antény odhad přesnosti výpočet trajektorie IMU vektor rozdílu polohy IMU a GNSS antény souřadnice a rotace IMU vektory rozdílu polohy a rotací IMU a skeneru

34 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

35 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)

36 Zpracování dat LS zpracování dat využití dat skenování vyrovnání pásů a bloků (vlícování) automatická klasifikace filtrace manuální klasifikace a filtrace detekce hran zjednodušení modelu transformace souřadnic konverze do rastru, TIN, atd.... analýzy modelování vizualizace kartografické zpracování CAD...

37 Plánování letu převzato od ZÚ Pardubice

38 Stínovaný model (Závist) převzato od ZÚ Pardubice

39 Skenování v pásech (Krokonoše) převzato od ZÚ Pardubice

40 me