Laserové skenování – principy

Radek Fiala

fialar@kma.zcu.cz

Podpořeno z projektu FRVŠ 584/2011

Radek Fiala Laserové skenování – principy

Co je a co umí laserové skenování?

Laserové skenovací systémy umožňují bezkontaktní určováníprostorových souřadnic, 3D modelování vizualizaci složitých staveba 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 déleka 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?

http://www.radartutorial.eu/

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 impulsa „posloucháÿ jeho odraz

Z doby mezi vysláním impulsu a přijetím jeho odrazu je možnéspočítat vzdálenost k místu odrazu

Svazek světla je v případě laseru mnohem užší než svazekvyslaný radarem – umožňuje přesnější „zaměřeníÿ objektu

Pracujeme s výkony o několik řádů menšími než radar – jsmeschopni 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 krátkémčase – 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

t =sc

s = 0,03 m = 3 · 10−2 mc ∼= 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

Kontrolní otázka

Kolik času potřebuje světlo, aby urazilo vzdálenost 3 cm

t =sc

s = 0,03 m = 3 · 10−2 mc ∼= 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

Kontrolní otázka

Kolik času potřebuje světlo, aby urazilo vzdálenost 3 cm

t =sc

s = 0,03 m = 3 · 10−2 mc ∼= 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

pulsnílaser

optika,or tujícíhranol

optickýdetektor,

vzorkování

řídicíjednotka

dig

italiz

ované

echo

úhel vychýle

ní

paprs

ku

lasero

vý

impuls

echo

impuls

u

laserový skener

detekceodrazů

vzdále

nost

inte

nzita

výpočetsouřadnic

sou

řadnic

e m

íst odra

zu

inte

nzita o

dra

zu

zpracování echa

Radek Fiala Laserové skenování – principy

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 takéskenovaná rovina)

Skener tak naskenuje celé okolí s výjimkouúzkých 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 spočítatvzdálenost k místu odrazu

Abychom mohli vypočítat souřadnice místa odrazu, musímeznát 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 spočítatvzdálenost k místu odrazu

Abychom mohli vypočítat souřadnice místa odrazu, musímeznát 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 skeneruvýpočtem z vlícovacích bodů nebo klasickým geodetickýmměřením

rotace skeneruvýpočtem z vlícovacích bodů

úhel vychýlení paprsku ve skeneruposkytuje skener

Radek Fiala Laserové skenování – principy

Pořízení dat statického LS

laserovýskener

úhel vychýle

ní paprs

ku

dig

italiz

ované e

cho

zpracováníecha

sou

řadnic

ea r

ota

ce

IMU

sou

řadnic

e m

íst odra

zu

(mís

tní S

S s

keneru

),in

tenzita o

dra

zu

georeferen-cování

sou

řadnic

e m

íst odra

zu

(geodetický S

S),

inte

nzita o

dra

zu

Radek Fiala Laserové skenování – principy

Letecké laserové skenování

Skener namontovaný v letadle

Skener je nasměrován dolů a rozmítá vysílané impulsy doroviny 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 skenerv letadle letícím rychlostí v = 250 km/h při výšce letu h = 1000 ma 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 skenerv letadle letícím rychlostí v = 250 km/h při výšce letu h = 1000 ma 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 skenerv letadle letícím rychlostí v = 250 km/h při výšce letu h = 1000 ma 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

šířka záběru

S = 2 · h · tg Θmax

Radek Fiala Laserové skenování – principy

Kontrolní otázka

Kolik řádků (f ) a bodů za sekundu (F ) musí naskenovat skenerv letadle letícím rychlostí v = 250 km/h při výšce letu h = 1000 ma 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

šířka záběru

S = 2 · h · tg Θmax

h = 1000 mΘmax = 15◦

S = 536 m

Radek Fiala Laserové skenování – principy

Kontrolní otázka

Kolik řádků (f ) a bodů za sekundu (F ) musí naskenovat skenerv letadle letícím rychlostí v = 250 km/h při výšce letu h = 1000 ma 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 skenerv letadle letícím rychlostí v = 250 km/h při výšce letu h = 1000 ma 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 skenerv letadle letícím rychlostí v = 250 km/h při výšce letu h = 1000 ma 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

frekvence bodů

F = N · f

Radek Fiala Laserové skenování – principy

Kontrolní otázka

Kolik řádků (f ) a bodů za sekundu (F ) musí naskenovat skenerv letadle letícím rychlostí v = 250 km/h při výšce letu h = 1000 ma 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

frekvence bodů

F = N · f

N = 536f = 70 Hz

F = 37 520 Hz

Radek Fiala Laserové skenování – principy

Určení polohy a orientace skeneru – letecké LS

Problémurčení polohy a rotace skeneru za letu

?

Radek Fiala Laserové skenování – principy

Určení polohy a orientace skeneru – letecké LS

Problémurčení 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

Problémurčení 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

Problémurčení 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 změnupolohy)

dostatečná přesnost, ale jen krátkodobě; chyba určení polohyv čase exponenciálně roste

vyhovující frekvence měření (stovky měření za sekundu)

Radek Fiala Laserové skenování – principy

Určení polohy a orientace skeneru – letecké LS

Problémurčení 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 odhadnouttrajektorii letadla s přihlédnutím k fyzikálním omezením (např.setrvačnost)

Radek Fiala Laserové skenování – principy

Určení polohy a orientace skeneru – letecké LS

souřadnice skeneruGNSS+IMU

rotace skeneruIMU

úhel vychýlení paprsku ve skeneruposkytuje 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

Pořízení dat leteckého LS

laserovýskener

úhel vychýle

ní paprs

ku

dig

italiz

ované e

cho

IMU

GNSSpřijímač

3D

zry

chle

ní,

rota

ce

navig

adata

ční

zpracováníecha

letadlo

referenčníGNSS

přijímač

výpočtydiferenciální

GNSS

GN

SS

kore

kce

(RIN

EX

)

výpočettrajektorie

IMU

sou

řadnic

ea r

ota

ce IM

U

sou

řadnic

e m

íst odra

zu

(mís

tní S

S s

keneru

),in

tenzita o

dra

zu

georeferen-cování

vekto

r ro

zdílu p

olo

hy

IMU

a G

NS

S a

nté

ny

sou

řadnic

e m

íst odra

zu

(geodetický S

S),

inte

nzita o

dra

zu

polo

ha a

nté

ny

odhad p

řesnosti

vekto

ry r

ozdílu p

olo

hy

a r

ota

cí IM

U a

skeneru

Radek Fiala Laserové skenování – principy

Mobilní laserové skenování

Dva skenery otočené o +45◦ a −45◦ vůči směru jízdy

Skenery rozmítají paprsky do přibližně svislé roviny s úhlemzáběru 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) ⇒ nárokyna 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

vyrovnánípásů

a bloků(vlícování)

automatickáklasifikace

filtracemanuálníklasifikacea filtrace

detekcehran

zjednodu-šení

modelu

transfor-mace

souřadnic

konverzedo rastru,TIN, atd.

...

skenování

vizuali-zace

analýzy

modelování

karto-grafické

zpracování

CAD

...

zpracování dat využití dat

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