LIDAR Klasifikacija

5/23/13

1

LASERSKO SKENIRANJE TERENA I OBJEKATA

Avionsko lasersko skeniranje

Izvori greaka u komercijalnim LIDAR sistemima

Greke koje se javljaju u procesu skeniranja nastaju zbog nesavrenos0 sistema za lasersko skeniranje.

Neke rela0vne i apsolutne greke je mogue otkloniJ, ako su im poznate uzroci.

RelaJvnom grekom se moe smatraJ odstupanje na preklopima susednih traka.

Neke uobiajene greke su greka u merenju rastojanja od 2-3 cm, kao i GNSS greka od 5-10.

5/23/13

2

Izvori greaka u sistemu za avionsko lasersko skeniranje

Glavni faktori koji koji uJu na tanost su: tanost odreivanja rastojanja, tanost odreivanja pozicije izvora laserskog zraka, i

pravac laserskog zraka.

OpJka svojstva materijala

Univerzitet Crne Gore, Podgorica Studijski program Geodezija

Luka ali: Magistarski Rad Stranica 22 od 93

Intenzitet signala je direktno vezan za apsorpciju samog materijala i za transparentnost materijala, ali zavisi i od drugih faktora koje emo kasnije prikazati. Povratni intenzitet signala se moe izraunati po formuli:

1. Za neprovidne materijale: Refleksija materijala = 1 - apsorpcija laserske svjetlosti materijala

2. Za providne materijale: Refleksija materijala = 1 - apsorpcija laserske svjetlosti materijala - transparentnost materijala

Materijal Koeficijent refrakcije Refleksija materijala Aluminijum 1.75 0.91 Bakar 0.15 0.99 eljezo 3.81 0.64 Molibden 3.83 0.57 Nikl 2.62 0.74 Olovo 1.41 0.84 Volfram 3.04 0.58 Cink 2.88 0.58 Kalaj 4.70 0.46 Staklo 1.5 0.04

Tabela 2.2. Optika svojstva nekih materijala 2.4.1.2. RGB mjerenja

Osim intenziteta signala, terestriki laserski skeneri sa ugraenim kamerama mogu mjeriti i RGB (red -green- blue) komponentu svake take. Kada se kalibrisana kamera postavi na TLS (Slika 2.13.), kamera napravi seriju slika mjerenog objekta. Na osnovu kalibracije kamere, relativne orijentacije i njene pozicije u odnosu na skener, slikovni zapis kamere se upotrebljava kako bi se svakoj snimljenoj (izmjerenoj) taki dodijelila RGB vrijednost.

Kako je kamera pasivan instrument, njene vrijednosti zavise od osvjetljenja, za razliku od vrijednosti dobijenih terestrikim laserskim skenerom koje su nezavisne u odnosu na osvjetljenje. I intenzitet povratnog signala i RGB komponenta su korisni za vizualizaciju oblaka taaka, npr. prilikom odreivanja ivice zgrade ili prilikom odreivanja promjene materijala na samom objektu mjerenja.

5/23/13

3

Tanost merenja rastojanja

Tanost merenja rastojanja kod lasera sa konJnualnim zrakom zavisi od: Frekvencije signala ili modulacije. TanosJ merenja faze, koja zavisi od snage signala, uma, itd.

StabilnosJ oscilatora modulacije. Broj merenja koji se koriste za raunanje prosenog rastojanja.

Turbulencije i varijacije u indeksu rafrakcije.

Tanost merenja rastojanja

Za detektor laserskih zraka je poeljno da poseduje sledee osobine: Visoka osetljivost detektovanja odgovarajue talasne duine.

Mala vrednost dodatnog uma koji poJe od samog detektora.

Dobra brzina detektovanja (npr. malo vreme uzdizanja primljenog signala).

5/23/13

4

Tanost merenja pozicije laserskog skenera

Tanost merenja pozicije zavisi prvenstveno od kvaliteta postprocesiranja GNSS-a.

Dodatni uJcaji: GNSS hardver, konstelacija GNSS satelita tokom leta, broj zemaljskih referentnih stanica i njihovo rastojanje od aviona (obino nekoliko deseJna kilometara), tanost rastojanja i nepodudarnost izmeu GNSS i INS, i INS i laserskog skenera, i tanosJ odreivanja pravca laserskog zraka.

Greka merenja GNSS-a se menja tokom vremena, ali je ograniena. Integracijom GNSS-a i INS-a vremenska promenljivost se izglaava. Tipino, sa DGPS-om i primenom postprocesiranja posJe se tanost 5-15cm.

Tanost merenja nagiba

Tanost merenja nagiba zavisi od kvaliteta i frekvencije INS-a, interpolacione greke, metode postprocesiranja, i integracije sa GNSS-om.

Efekat greaka nagiba na greku merenja 3D koordinata se poveava sa poveanjem visine leta i ugla skeniranja

5/23/13

5

Model sistema za dinamiko lasersko skenira

Da bi se odredile koordinate jedne skenirane take sistem kombinuje merenja sve tri komponente: laserskog skenera, INS ureaja i GNSS prijemnika. Laserski skener meri rastojanje do merene take i ugao pod koji je laserski zrak emitovan.

INS meri nagibe aviona oko tri ose prostornog koordinatnog sistema i odreuje pozicije pla^orme izmeu dva merenja GNSS prijemnika.

GNSS prijemnik meri pozicije pla^orme u pravilnim vremenskim intrvalima

Model sistema za dinamiko lasersko skenira

5/23/13

6

Greka u merenju rastojanja

RazliiJ faktori doprinose greci u merenju rastojanja. esto je teko napraviJ razliku izmeu sistematskih i sluajnih greaka. Odstupanje rastojanja moe znaajno da se povea u zavisnosJ od osobina povrine unutar odbitka


Greka merenja rastojanja r Zavisi od ugla skeniranja i Ima komponente greke u y i z pravcu Maksimalna greka visine je u sluaju merenja take direktno ispod aviona za koju vai z = r

Deformie povrinu jer y nije linerana

5/23/13

7


Komponente greke rastojanja zavise od ugla skeniranja.

One su iste za ravnu i nagnutu povrinu

Greke u merenju ugla skeniranja Vrednost koja se meri je trenutni

ugao skeniranja i: Greka indeksa nula skenera se ne podudara sa Z osom to rezultuje dodavanjem konstantnog ugla na izmereni ugao skeniranja;

Greka merenja ugla skeniranja odstupanje izmerene vrednosJ od stvarne vrednosJ i;

Greka ravni skeniranja oznaava da X osa nije normalna na ravan skeniranja. Izraava se preko dva ugla i .

5/23/13

8

Greke u merenju ugla skeniranja

UJcaj greke merenja ugla skeniranja i na Y i Z koordinate izmerene take

Greke u merenju ugla skeniranja

Greke merenja uglova skeniranja , => RL Zavisi od rastojanja ri i ugla skeniranja i Uzrokuje greke po sve tri kooordinate Planimetrijska greka je vea od greaka visine Maksimalna greka visine se javlja na krajevima trake

Deformie povrinu Uzrokuje naziv horizontalne povrine

5/23/13

9

Greke ugradnje

Greke ugradnja sistema za lasersko skeniranje i GNSS antene se posmatra u odnosu na INS sistem

Ako se pretpostave sledee vrednosJ parametara = 30, visina leta H = 1000m, greke ugraivanja 0,01 za sva tri ugla, uglovi ugraivanja = 0, = 5, = 0. Izraunate greke su prikazane u sledeoj tabeli:

greke X i Y komponente znatno vee od greke po visini

Greke odreivanja uglova ugradnje, RM

Zavisi od rastojanja ri i ugla skeniranja i Uzrokuje greke po sve tri kooordinate Planimetrijska greka je vea od greaka visine Maksimalna greka visine se javlja na krajevima trake

Deformie povrinu Uzrokuje nagib horizontalne povrine

5/23/13

10

INS greke

Greka merenja uglova ugraivanja oko X ose, , uzrokuje greke u Y i Z koordinatama. Suprotan znak greaka po visini uzrokuje nagib hoJzontalne povrine za ugao =

Greke odreivanja nagiba INS, RN

Zavisi od rastojanja ri, ugla skeniranja i, i INS uglova

Uzrokuje greke po sve tri kooordinate Planimetrijska greka je vea od greaka visine Maksimalna greka visine se javlja na krajevima trake

Deformie povrinu Uzrokuje nagib horizontalne povrine

5/23/13

11

Sekundarna greka visine

Sekundarna greka visine nastaje na nagnuJm povrinama i uzrokovana je planimetrijskim grekama x i y. Koordinate take P su odreene bez greaka

Greke Sve greke su nelinearne i deformiu povrinu. Prema

tome, povrina koja je rekonstruisana iz laserskih taaka ne moe biJ biJ povezana sa originalnom povrinom preko similarity transformacije.

Najvie greaka ima vee komponente po X i Y nego po visini. To je vano uzeJ u obzir kada se laserske take koriste za rekonstrukciju objekata, kao to su zgrade.

Neki od vektora greaka imaju istu orijentaciju. To je sluaj za greke uglova ugradnje i greke INS, gde se orijentacija razlikuje samo nagib pla^orme u trenutku merenja rastojanja.

Ako vektori greaka imaju istu orijentaciju oni ne mogu biJ individualno odreeni nakon kalibracionog leta.

5/23/13

12

Sledea tabela prikazuje maksimalne greke komponenJ i ugao nagiba, ako je u pitanju horizontalna povrina, visina leta H = 1000m, i ugao skeniranja = 30.

Orijentacija ureaja za lasersko skeniranje

Laserski skener meri odreeni oblak taaka odreivanjem rastojanja i orijentacije ogledala ka reektujuim povrinama.

Ovaj odreeni oblak je stoga u koordinantnom sistemu samih senzora. Bilo da transformiemo merenja iz dve pozicije snimanja u isJ koordinatni sistem ili da transformiemo merenja u dravni koordinatni sistem, podudarnost (kongruencija) transformacije mora biJ odreena.

U primeru avionskog laserskog skeniranja, direktno georeferenciranje je obavezujue.

5/23/13

13


Skup oblaka taaka sa avionske pla^orme zahteva uvek da se putanja pla^orme, tj. pozicija skenera i ugaono stanje konstantno praJ.

Sa PRR od 100kHz, vrimo 100000 merenja/sec i za svako od Jh merenja treba odrediJ njegovu spoljanju orijentaciju.

Da bi se poveala tanost, potreban je odreeni broj (i oblik) kontrolnih taaka na zemlji koje vode ka metodama meusobnog usklaivanja traka skeniranja.


Podaci u avionskom skeniranju se prikupljaju po tkz. trakama(strip). Duine traka su uslovljenje greakama smera kretanja u IMU Trake duine na primer 20km nisu neuobiajene

iri prostori su obezbeeni stavljanjem strip-a jedan pored drugog sa preklapanjem da bi se izbegle praznine.

Vea preklapanja mogu korisJJ poveanju preciznosJ u orijenJsanju traka ili u poveanju gusJne taaka (prazninama strip-a od 50%)

5/23/13

14

Georeferenciranje Najea oprema za direktno georeferencinranje je

kombinacija GNSS (globalni navigacioni satelitski sistem) prijemnika i jedinica inercijalnih mera(IMU), gradei zajedno POS (pozicioni i orientacioni sistem).

Tipino, GNSS antena je smetena na vrhu aviona i IMU je vrsto nametena na senzorskoj pla^ormi.

Vektor GNSS antene koji ini centar taki ispaljivanja lasera, ili preciznije take reekcije u ogledalu, se zove GNSS pomeraj. Mora da bude meren nakon instalisanja laserskog skenera u avion.

Georeferenciranje

GNSS se korisJ iz dva razloga. U real Jme mode-u, korisJ se za navigaciju i realizaciju planiranog leta.

Stvarni plan leta se rekonstruie na osnovu GNSS merenja najee uz pomo diferencijalne korekcije. U kombinaciji sa kopnenom GNSS stanicom, koja ne treba da bude dalja od 30 do 50 km od aviona, plan leta je rekonstruiran.

5/23/13

15

Georeferenciranje Brzina rada GNSS prijemnika je u intervalu od 1Hz do 10Hz,

to je manje nego PRR za faktor od 10000 ili vie. Avioni obino lete brzinom od 60ms, dok su helikopteri

neto sporiji. Srednje pozicije senzora du linije leta, ali takoe i ugaoni polaaj je odredjen pomou IMU-a.

Frekvencija mera IMU-a je u intervalu od 200Hz sve do 2kHz.

Posmatranje spoljne orjentacije sjedinjeno u Kalman lteru i putanji leta moe biJ odreeno sa tanou od 5 do 10cm u dobrim uslovima. Konstantna rotacija uglova IMU-a ka okviru laserskog skenera,

takozvanog IMU nesimetrija, je odreena izvrenjem leta izravnavanja.

t - spoljna GNSS antena Rm - IMU nesimetrija R - rotacija uglova

Sve mere usvojene od mulJ senzorskog sistema moraju biJ sinhornizovane, to je mogue sa GNSS vremenskim signalom.

5/23/13

16

Izravnanje traka

Vea preciznost moe biJ posJgnuta primenjivanjem takozvane metode izravnanja traka.

Zasniva se na vezi susednih taaka snimljenih skenerom Planarnost grupe taaka na ravnoj betonskoj povrini moe biJ do 2cm

Greke u planimetriji postaju vidljive u nagnuJm terenima i posebno na ivicama, poput ivica na krovovima ili nasipu na prugama.

: Odstupanja izmeu taaka iz razliiJh traka

5/23/13

17

Izravnanje traka

Podeavanje traka takoe postaje neophodno kada spoljni GNSS vektor ili IMU nesimetrija nisu zadovoljavajue preciznosJ

U suJni, izravnanje traka, moe biJ posmatrano kao metoda uklanjanja sistematskih greaka u podacima.

Izravnanje traka Postoje dve metode za podeavanje traka. Jedan je voen podacima i ne uraunava osobine senzorskog sistema. Sistematske greke se odstranjuju pomeranjem ili naginjanjem traka ili dodavanjem korekcionih polinoma (ili drugih funkcija) svakom koordinantnom pravcu.

Sistematske greke se mere runo ili automatski na preklopljenim povrinama.

Dodatno, kontrolni patch(zakrpa), analogno kontrolnim takam u postupku izravnavanja u aero-fotogrametrijskim snimka, moe biJ korien kako bi se poboljala orijentacija celog bloka traka.

Mana ovakvog naina podeavanja traka je da uvienje novih greke. Polinomski model moda nee uvek biJ u mogunosJ da uzme u obzir sve deformacije izazvane nesimetrijom u samom senzoru.

5/23/13

18

Odstupanja izmeu traka

Izravnanje traka

Druga metoda podeavanja traka je upotreba modela senzora Zasniva se na povezivanju glavne koordinatne take sa merama laserskog skenera i vanjske orijentacije.

Na ravnim povrinama, kod preklapanja, npr. krov zgrade, take sa svih traka moraju da lee(da se nalaze) u jednoj ravni.

5/23/13

19

Izravnanje traka Levo: Pozadina pokazuje podatke avionskog lasera nastale iznad

gleera. U preseku graninih strip-ova pokazane su razlike u visini strip-ova. Tamno crveni i plavi tonovi se odnose na razlike vee od 30cm.

Desno je prikazan princip avionskog laserskog skeniranja baziran na uskim zakrpama (Kager, 2004)

Postupak obrade rezultata skeniranja

Posmatranje take od interesa u tri dimenzije Klasikaciju zemlje, vegetacije, zgrada,... Klasikacija uz pomo automaJzovanih ruJna Klasikacija 3D objekata Brisanje nepotrebnih ili netano izmerenih taaka u ograenom podruju od interesa

Otklanjanje nepotrebnih taaka proreivanjem Detekciju objekata od interesa Projekciju taaka u odreeni prol

5/23/13

20

Klasikacija

Strategije Low points Isolated points Air points Ground Non-ground Buildings

Greske dvostrukih taaka

Univerzitet Crne Gore, Podgorica Studijski program Geodezija

Luka ali: Magistarski Rad Stranica 37 od 93

5. Greka dvostrukih taaka javlja se zbog rasipanja laserskog zraka, kada laserski zrak osvijetli ivicu objekta snimanja, jedan dio zraka se odbija i vraa od ivice objekta dok drugi dio zraka nastavlja put prema povrini iza objekta, koja je ponekad na jako velikim udaljenostima, a ponekad je uopte nema (Slika 5.2.). Konano rastojanje se rauna kao sredina dve udaljenosti, te koordinate nisu ni na jednoj osvijetljenoj povrini.

Slika 2.26. Greke dvostruke take: boni prikaz i laserski zrak na ivici objekta Visoka gustoa oblaka taaka je omoguena kombinacijom laserskog mjerenja rastojanja

i ureaja za usmjeravanje laserskih zraka - rotirajuih ogledala. Ova komponenta ima takoe svoje greke koje utiu na tanost i preciznost mjerenja uglova, ali za razliku od laserskog mjerenja duina nije bila previe istraena zbog tekoe procjene samih greaka, a i nedovoljnih informacija o samim ogledalima od strane proizvoaa.

Kako bi se predoile greke ose u terestrikim laserskim skenerima, uporediemo je sa geodetskim instrumentom iji princip rada je slian totalnom stanicom. Iako ose totalne stanice ne odgovaraju osama laserskog skenera, zbog razliitih mehanikih principa mjerenja, mogu se koristiti kako bi se prikazale greke ose terestrikog laserskog skenera. Tako emo ose skenera definisati kao:

1. Vertikalna osa za panoramski skener e to biti rotacijska osa skenera. Za skenere-kamere vertikalna osa moe biti definisana kao osa koja je upravna na osu dva meusobno upravna ogledala.

2. Vizurna osa (kolimaciona osa) to je osa koja prolazi kroz centar ogledala skenera i kroz centar laserske zrake na objektu. Moemo rei da se kolimaciona osa poklapa sa laserskim zrakom skenera.

3. Horizontalna osa rotacijska osa ogledala skenera Zbog greaka u proizvodnji, a i samih tolerancija proizvoaa, ose nisu postavljenje

savreno i javljaju se greke: 1. Kolimaciona greka ugao izmeu vizurne ose i normalne na horizontalnu osu

mjerene u ravni vizurne i horizontalne ose 2. Greka horizontalne ose ugao izmeu horizontalne ose i normale na vertikalnu osu,

mjeren u ravni horizontalne i vertikalne ose.

5/23/13

21

Klasikacija Low points

Princip niskih taaka Klasikuje one take koje su nie u odnosu na druge take u

okruenju. esto se koriste za pronalaenje moguih greaka ispod zemlje. Ove ruJne obino porede uzvienost svake take sa svakom

drugom takom u okviru zadatog xy rastojanja. Ako je centar take vidljivo nii u odnosu na druge take ona e

biJ klasikovana. Ponekad emo imaJ veu gusJnu pogrenih taaka. Ako postoji nekoliko pogrenih taaka jednih blizu drugih, nee

biJ otkrivene ako se trai jedna niska taka. MeuJm,ova ruJna moe takoe da trai grupu niskih taaka gde bi cela grupa bila nia u odnosu na ostale take u blizini.

Klasikacija

Isolated points Princip izolovanih taaka Klasikuje take koje nemaju mnogo bliskih taaka u 3D radijusu.

Ovaj princip je koristan za pronalaenje izlovanih taaka u vazduhu ili ispod zemlje.

Prilikom klasiciranja jedne take, ovaj princip e nai koliko taaka u okolini se nalazi u zadatom 3D radijusu. Izvrie klasikaciju ak iako nema dovoljno susednih taaka.

5/23/13

22

Klasikacija

Air points Princip vazdunih taaka Klasikuje one take koje su jasno vie u odnosu na sredinju visinu okolnih taaka.

Kada klasikujemo jednu taku , ovaj princip e pronai sve okolne take u zadatom radijusu. Izraunae srednju visinu taaka i standardna odstupanja. Taka e biJ klasikovana jedino ako je iznad limita odstupanja srednje nadmorske visine.

Klasikacija Ground

Princip tla klasikuje take na zemlji. Proces poinje selekcijom nekih niskih taaka na zemlji kao sigurni

pogodci. Ovaj princip pravi inicijalni model na osnovu selektovanih niskih

taaka. ZaJm se kree sa uklapanjem modela dodavanjem novih taaka na njega. Svaka dodata taka ini model realnijim.

Parametri iteracije pokazuju koliko blizu mora biJ trougaona ravan tako da taka moe biJ prihvaena kao model. IteraJon angle (ugao iteracije) maksimalni ugao izmeu dve take i IteraJon

distance (rastojanje iteracije) parametri obezbeuju da iteracija ne pravi velike korake napred kada su trouglovi veliki.

Ovo nam pomae da drimo niske objekte van modela. to je manji ugao iteracije, princip e biJ manje voljan da praJ promene u oblaku taaka. Treba da korisJmo manje uglove na ravnim i velike uglove na brdovitm terenima.

5/23/13

23

Klasikacija

Klasikacija

Non-ground Ovaj princip klasikuje one take koje imaju drugu taku u neposrednoj blizini i druge take pod strmim uglom silazno.

U principu, klasikuje one take koje ne mogu biJ ground take zato to je nagib ka drugoj taki veoma strm.

Ova ruJna uporeuje centar svake take sa drugim takama u zadatom xy rastojanju. Ako verJkalni ugao od jedne take do centra druge take prelazi dozvoljeni limit, taka e biJ klasikovana.

5/23/13

24

Klasikacija

Buildings Princip zgrada Klasikuje take na zgradama koje formiraju neku vrstu ravni.

Ova ruJna zahteva da ve imamo pripremljene klasikacije tla.

Takoe je preporuljivo da se prvobitno klasikuje niska vegetacija tako da se jedino take iznad 2 metra od zemlje razmatraju kao mogue zgrade.

Algoritmi za klasikaciju taaka dobijenih laserskim skeniranjem

Algoritam za klasikaciju niskih taaka Algoritam za klasikaciju taaka na terenu Algoritam za poravnavanje taaka Algoritmi za izravnanje traka skeniranja

5/23/13

25

Algoritam za klasikaciju niskih taaka

Parametri algoritma za pronalaenje niskih taaka

Poluprenik

Visinsko odstupanje

Algoritam za klasikaciju taaka na terenu

Parametri algoritma za pronalaenje taaka na terenu

Parametar iteracionog rastojanja

Ugao

Rastojanje

5/23/13

26

Algoritam za poravnavanje taaka

Documents

LIDAR Klasifikacija