Kartoitus laserkeilauksella

Transkriptio

1 GIS-E1020 From measurements to maps Luento 7 Kartoitus laserkeilauksella Petri Rönnholm Aalto University 1 Oppimistavoitteet Ilmalaserkeilauksen perusteet Intensiteetti ja sen kalibroiminen Ilmalaserkeilauksen sovellukset Ilmalaserkeilausprosessi käytännössä 2 1

2 Kartoituksen laserkeilausvaihtoehdot Ilmalaserkeilaus (tällä kurssilla keskitytään tähän) Kentokone Helikopteri Kauko-ohjattava lennokki (Unmanned aerial vehicle, UAV) Maalaserkeilaus (lisää kurssilla GIS-E1040 Photogrammetry, Laser Scanning and Remote Sensing) Mobiili laserkeilaus (maaperspektiivi, lisää kurssilla GIS- E3030 Advanced laser scanning) Ajoneuvopohjainen laserkeilaus selkäreppulaserkeilaus 3 Parhaan menetelmän valinta tapauksesta riippuen Ilmalaserkeilaus Laajojen alueiden kartoitus Korkeusmallien luominen (digital elevation model, DEM) Rakennukset, rakenteet, kasvillisuus, autot jne. Maalaserkeilaus Suhteellisen pienten alueiden kartoitus (hieman hidas mitata) Sisätilojen kartoitus Mobiili laserkeilaus Laajojen alueiden kartoitus (sekä ulko-että sisätilat) Ajoneuvopohjainen laserkeilaus rajoittuu alueille, joihin pääsee ajamaan Selkäreppulaserkeilaimella pääsee käytännössä kaikialle, mutta mittaus on suhteellisen hidasta (kävelynopeus) 4 2

3 Laserin ominaisuudet Laserin valo on hyvin jäsentynyttä ja järjestäytynyttä, kun taas esim. hehkulamppujen tuottama valo on täysin organisoimatonta. Laservalo on koherenttia eli valoaallot ovat samassa vaiheessa toistensa kanssa Lisäksi laserin tuottamat valoaallot on suunnattavissa tarkasti yhteen suuntaan (kapeahkolla keilalla) 5 Laservalon ominaisuuksia Toisin kuin tavallinen valo, laservalo sisältää vain yhtä aallonpituutta (monokromaattinen valo) Valkoinen laser (white laser / supercontinuum laser) on poikkeus, koska se sisältää useita aallonpituusalueita, mutta käyytäytyy muuten kuin laservalo 6 3

4 Laserkeilausmittaukset (ilmalaserkeilaus) Aktiivinen menetelmä Laitteisto lähettää signaalin (valonpulssin) kohti tunnettua suuntaa Palaava signaali (kaiku) havaitaan Signaalin kulkuaika mitataan Etäisyys kohteeseen lasketaan signaalin kulkuajan perusteella 7 Lähes kaikki ilmalaserkeilaimet käyttävät pulssilasertekniikkaa Lähetetään lyhyt valopulssi ja odotetaan, että se palaa vastaanottimeen Vastaanottimen etäisyys (R ) kohteesta mitataan ajan t ja valonnopeuden c avulla t R = 2 n=valonnopeuden korjauskerroin (riippuu ilman lämpötilasta, ilmanpaineesta ja kosteudesta) c n 8 4

5 Speed of light Ensimmäinen likiarvo 1676, Olaus Roemer Jupiterin kuunpimennysten avulla Tyhjiössä m/s Infrapuna-alueen laser normaalissa ilmakehässä 12 asteessa, 100 mbar paineessa ja 60 % ilmankosteudessa valo kulkee vain m/s Valon voi itseasiassa pysäyttää sopivassa väliaineessa ja kovassa kylmyydessä 9 Keilain 3D-piste laserkeilaimesta Skannerin koordinaatisto Tunnetaan keilaimen sijainti ja kallistukset etäisyysmittauksen ajanhetkellä Valonsäde Tunnetaan kulma, jossa valonsäde lähti keilaimesta Mitataan aika, joka valonsäteeltä kesti matkalla kohteeseen ja takaisin Maastokoordinaatisto X, Y, Z Lasketaan, mihin 3D pisteeseen havainnot johtavat 10 5

6 Laserkeilaimen periaate DGPS Laserkeilain Laseretäisyysmittari (LRF) ) Kamera Ohjaus-, monitorointi- ja tallennusyksikkö IMU Differentiaali GPS (DGPS) antaa sijainnin Inertialaitteisto (IMU/INS) antaa kallistukset ja sijainnin. (X,Y,Z), lasersäteen peittoalueen keskipiste 11 Ilmalaserkeilaus Image: Petri Rönnholm 12 6

7 Lasersäde Yksittäinen lasersäde ei ole maastossa äärettömän pieni piste vaan se valaisee laajemman alueen. (halkaisija n m ilmakeilaimissa) 13 Lasersäde Lasersäteen avauskulma (beam divergence, β ) yhdessä etäisyyden (R) kanssa määrittää säteen koon maastossa Pinta-ala 2 π ( Rβ ) A laser 4 Tyypillinen avauskulma ilmalaserkeilaimille on mrad Monissa laitteissa avauskulmaa voi muuttaa. 14 7

8 Lasersäde Apertuuri (D) Linssi β / 2 = θ Apertuuri (D) D footprint β = D + 2R tan 2 Pitkille etäisyyksille voidaan likiarvoistaa: R β 2R tan 2 Rβ 15 Tyypillinen laserkeilain käyttää TEM 00 lasersädettä TEM 00 tyyppinen moodi (alin aste, perusaalto ) Gaussin profiili kirkkaudessa Matemaattisesti intensiteetti seuraa Gaussin funktiota I( r, z) P πw( z) 2 r exp 2 / 2 w( z) = 2 2 Missä säteen säde w(z) on se etäisyys keskiakselista, jolloin intensiteetti vähenee 1/e 2 ( 13.5%) täydestä tehosta P (r= poikittainen etäisyys tähtäysakselista). 16 8

9 Laser ray Valonsäteen avauskulma voidaan laskea valon aallonpituudesta λ ja lasersäteen lähtöaukon (aperture) D suhteesta. Avauskulma β mitataan kohtaan, jossa pääsäteen teho on puolittunut λ β = D Kun valo kulkee aukon läpi, tapahtuu difraktiota. Difraktio aiheuttaa sen, että lasersäde aina aukeaa jonkin verran. Alaraja avaukulmalle on λ β D 17 Lasersäde Laserkeilaimet keilaavat useilla eri kulmilla kohdetta. Jos valonsäde kohdistuu suoraan lentokoneen alapuolelle, valonsäde on pienempi kuin jos säde on kääntyneenä sivulle Aikaisemmin esitettiin Dfootprint Rβ Jos tiedetään valonsäteen lähtökulma θ voidaan arvioida maahan piirtyvän valoalueen koko lentokorkeuden avulla (H) (tarkka vain tasaiselle maastolle) H D footprint Rβ = β cosθ 18 9

10 Esimerkki H D footprint Rβ = β cosθ Lentokorkeus on 1000 m ja lasersäteen avauskulma on 1 mrad Suoraan lentokoneen alla θ = 0, joten lasersäteen halkaisija maassa on 1 m Keilausalueen reunalla lasersäteen kulma suhteessa pystysuoraan on θ = 20, jolloin lasersäteen halkaisija maassa on 1000 m rad 1.06 m cos Lasersäteen jalanjälki maastossa Lasersäde piirtyy maastossa ympyräksi vain, jos se tulee kohtisuoraan tasaiseen pintaan Muulloin se kuvautuu ellipsiksi tai pinnan mukaan muotoilevaksi epäsäännölliseksi kuvioksi 20 10

11 Erilaisia ratkaisuja lasersäteiden ampumiseen maastoon peilijärjestelmä laserkuviot maastossa Epäkeskosti pyörivä peili: Palmer-scanner Heiluva peili Pyörivä monikulmio 21 Erilaisia ratkaisuja lasersäteiden ampumiseen maastoon valokuitukeilain, valo ohjataan lasikuitujen avulla oikeaan suuntaan lentosuunnassa tiheä, mutta sivusuunnassa jää aukkoja TopoSys 22 11

12 Kohina (Speckle) Kun monokromaattinen valo heijastuu diffuusisti heijastavasta materiaalista, speckle-kohina tulee näkyviin Laserin jalanjälki näyttää rakeiselta Johtuu paikallaan pysyvien interferenssikuvioiden vaiheeroista Aiheuttaa kohinaa, mutta kertoo myös pinnan rakenteesta Vihreän laserosoittimen speckle-kuvio (image 23 Optech Leica Laitteita Riegl TopoSys 24 12

13 Laserpulssit ja -kaiut Kaiku on siis tässä tapauksessa kohteesta takaisin palaava valonsäde Ensimmäinen kaiku (first pulse) Välipulssit (Middle pulses) Viimeinen kaiku (last pulse) Koko kaiun profiili (full waveform) 25 Mitä ensimmäinen ja viimeinen pulssi voivat olla? First and last pulse

14 Kuinka tarkasti laserkeilain voi erottaa kohteita syvyyssuunnassa (jalanjäljen sisällä)? lähetetyn valonpulssin pituus Δτ määrittää, kuinka tarkasti kaiusta voidaan erottaa kohteita syvyyssuunnassa Δρ cδτ Δρ = 2 esim., jos pulssi kestää 10 ns -> etäisyyserottelutarkkuus on 1.5m Takaisinheijastuneita pulssinosia ei voi helposti erotella toisistaan 27 Kokonainen laserkaiku esimerkki maissipellosta source: Hug et al

15 Kokonainen laserkaiku yksi kaiku maanpinnasta Kaksi kaikua tulee kasvillisuudesta, yksi maanpinnasta U. Pyysalo 29 Kokonainen laserkaiku Rönnholm Ensimmäinen pulssi Rönnholm Kokonainen laserkaiku 30 15

16 Kaikki eivät halua koko kaikua Tietomäärä aineistossa, jossa on jokaisesta lähetetystä laserpulssista rekisteröity koko palaava kaiku, on valtava vaikea käsitellä Usein halutaan ensimmäinen ja viimeinen pulssi (tai lisäksi muutama pulssi välistä) helpompi hallita ja käsitellä Ohjelmistojen kehittyessä fullwaveform aineisto kuitenkin lisännee suosiotaan 31 Maasto vaikuttaa palaavan pulssin muotoon Pulssin muotoon vaikuttavat: Osittaiset esteet Pinnan kaltevuus Pinnan kovuus, (asfaltti, ruohikko) 32 16

17 Laserin aallonpituus 1 μm = mm 1 nm = μm Laserkeilainten aallonpituus on tyypillisesti välillä nm riippuen laitteesta ja sille suunnitellusta käyttötarkoituksesta. 33 Aallonpituuden vaikutus Laserkeilaus veden alle Sinisen ja vihreän valon aallonpituudet läpäisee kirkkaan veden parhaimmillaan n. 50 m asti (sameassa vedessä tulokset paljon huonompia) Valitettavasti Suomessa vedet ovat varsin sameita Punaisen ja infrapunan aallonpituudet eivät tunkeudu syvälle veteen Yleensä havaintoja tulee vedenpinnasta Tätä voidaan hyödyntää, jos vain veden syvyys on tärkeää Kohteet heijastavat eri tavoin eri aallonpituuksia Parhaimmillaan tiedetään etukäteen kohteen luonne ja valitaan keilaimen aallonpituus sen mukaan 34 17

18 Optech 35 Intensiteetti Intensiteetti on havaintokohdalla (trigger point) kohteesta heijastuneen valon havainto (teho) Intensiteettiin vaikuttaa esim.: Pinnan heijastavuus Kohteen muoto Kohteen väri Kohteen sijainti ja asento Kohteen tekstuuri Kohteen erikoisominaisuudet (esim. retrotähys) Valaistusolosuhteet, suora tai epäsuora (tausta) valo 36 18

19 Miten valitaan etäisyyshavainnon paikka palaavasta kaiusta? Eri tapoja: kynnysarvo kaiun voimakkuus painopiste maksimi toisen derivaatan nollakohta aika/matka vakiosijainti pulssin alkukohdasta 37 Etäisyysmittaus riippuu valitusta menetelmästä Laitetoimittajat usein ovat valinneet jonkun menetelmän tai menetelmät valmiiksi (-> loppukäyttäjä ei voi vaikuttaa) Eri menetelmät antavat hieman eri tuloksen Parhaan tuloksen saavuttamiseksi triggeröintimenetelmää pitäisi vaihtaa maaston/kohteen mukaan 38 19

20 Intensiteetin visualisointi 39 Intensiteetin visualisointi 40 20

21 Intensiteetin kalibrointi Koska intensiteettiarvot vaihtelevat olosuhteiden mukaan, ne pitäisi kalibroida ennen (esim.) automaattista tulkintaa Etäisyysperusteinen kalibrointi BRDF (Bidirectional reflectance distribution function)-perusteinen kalibrointi Vertaustähysten avulla tapahtuva kalibrointi 41 Etäisyysperusteinen kalibrointi Etäisyyden vaikutus intensiteettiin riippuu siitä, kuinka paljon kohde peittää yksittäistä lasersädettä Intensiteetti heikkenee verrannollisesti R 2 jos yhtenäinen kohde täyttää koko R 3 jos kohde on viivamainen (esim. johto) R 4 jos kohde on yksittäinen iso heijastaja 42 21

22 BRDF (Bidirectional reflectance distribution function ) 2 Ps 1 BRDF = Pi Ω cosθs P s = Sironnut teho (tulevan ja lähtevän valon kulmien funktiona) P i = saapuva teho (irradianssi pinnalla) Ω = määrättyyn suuntaan sironnut kulma Θ s = siroamissuunnan ja pinnan normaalin välinen kulma BRDF kuvaa, kuinka pinta heijastaa valon Valo Θ s Ω Havaitsija 43 Automaattinen intensiteetinvahvistus (Automatic gain control) Jotkut laserkeilaimet säätävät automaattisesti intensiteetin voimakkuutta Saapuva energia (intensiteetti) sovitetaan vastaanottimen havaintoalueelle lennon aikana Koska aineistossa on arvaamattomia intensiteetin voimakkuudenvaihdoksia, kalibroinnista tulee vaikeaa Automaattisen intensiteetinvahvistuksen vaikutusta voi jonkin verran poistaa käyttämällä kalibrointitähyksiä I = a1 + a2ion + a off 3 I on AGC AGC =Automaattisen intensiteetinvahvistuksen arvo, I on =intensiteettiarvo, kun AGC on päällä, kertoimet a i pitää ratkaista 44 22

23 Ennen intensiteettikalibrointia Intensiteettikalibroinnin jälkeen Martina Bednjanec 45 Kalibrointi intensiteettitähysten avulla Referenssitähysten heijastuvuus tunnetaan Standarditähykset: Spectralon by Labsphere Inc (lähes Lambertin pinta) Luonnolliset materiaalit, esim., hiekasta tai sorasta voidaan rakentaa tähys kohteeseen Voidaan käyttää kohteesta luonnollisesti löytyviä alueita (esim. Jalkapallokenttä) Pinnan todellinen heijastavuus saadaan intensiteettihavainnoista I r measurement = I measurement standard standard BRDF-korjaus voidaan yhdistää referenssitähyskalibrointiin r 46 23

24 Esimerkkejä Maanmittauslaitoksen Paikkatietokeskuksesta Intensiteettikalibroinnin pressuja Eri soralajeista rakennettu kalibrointikenttä Hannu Hyyppä 47 Multispektraali laserkeilaus Optech Titan on ensimmäinen kaupallinen multispektraali ilmalaserkeilain Kolme aktiivista lasersädettä eri aallonpituuksilla 532 nm, 1064 nm ja 1550 nm Optech 48 24

25 UAV laserkeilaus UAV laserkeilaimet parantavat mittausten joustavuutta Lennättämissäädökset yleensä estävät laajojen alueiden kartoittamisen (operaattorilla pitää olla näköyhteys lennokkiin) Käyttökustannukset ovat alhaisemmat kuin helikopterilla tai lentokoneella 49 Ilmalaserkeilauksen sovellukset Korkeusmallien tuottaminen Metsien inventointi Jonomaisten kohteiden kartoitus (voimalinjat, tiet, rautatiet jne.) Kaupunkialueen kartoitus, 3D-mallit Tulvakartoitus Muutosten havaitseminen Tilavuuksien laskeminen Pohja monille suunnittelutehtäville jne

26 Laserkeilausprosessi käytännössä Lentosuunnitelma ja valmistelut määritetään haluttu pistetiheys lentokorkeus lasersäteen leviäminen lentojonon leveys lentojonojen päällekkäisyys ajoitus valitaan sopiva sää onko puissa lehdet? 51 Mitä taajuus tarkoittaa? Taajuus (f ) on jaksollisen ilmiön tietyssä ajassa tapahtuva toistojen tai värähdysten määrä (wikipedia) Jos samanlaisena toistuvan ilmiön jakson kestoaika (T ) tiedetään, taajuus on 1 f = T Yksikkö on hertsi(hz) Eli 1 Hz tarkoittaa, että säännöllinen ilmiö tapahtuu kerran sekunnissa 1 Hz = s 52 26

27 Lentokorkeus ja keilausjonon leveys θ keilausjonon leveys = 2H tan 2 Esim. Halutaan keilata 400 metrin levyinen alue yhdellä keilausjonolla. Mikä pitäisi olla lentokorkeus? Keilaimen avauskulma on ± 25 astetta.. keilausjonon leveys = H 2 tan θ 2 400m = 428,90m 50 2 tan 2 θ Η 53 Lentokorkeus ja keilausjonon leveys Yhtälö θ keilausjonon leveys = 2H tan 2 on sovellettavissa myös Palmer-keilaimen kanssa (vaikka jalanjälki on elliptinen), jos kulma mitataan suoraan alaspäin ja kohtisuoraan lentosuuntaa vastaan 54 27

28 Montako pistettä (N) mahtuu yhdelle keilauspyyhkäisylle? PRF=pulse repetition frequency, lasersäteiden lähetystaajuus f scanner =keilaimen keilaustaajuus (pyyhkäisynopeus) N = PRF f scanner Esim. keilaimen PRF=70 khz ja keilaustaajuus 80 Hz. Montako laserhavaintoa mahtuu yhteen pyyhkäisyyn? N = 70000Hz 80Hz = 875 pistettä 55 Pistetiheys lentosuuntaan nähden kohtisuorasti dx across keilausjonon leveys = N Edellisten esimerkkien arvoilla 3D laserhavaintojen välimatka olisi sivusuunnassa siis 400m dx across = = 0. 46m

29 Pistetiheys lentosuuntaan nähden kohtisuorasti Keilain voi tuottaa zikzak-kuvion maastoon (heiluva peili). Tällöin voi vaihdella, mikä lasketaan peilin alkuasennoksi. Voi olla joko yhteen suuntaan tai edes takaisin Jos keilaustaajuus mitataan edestakaisesta kuviosta, edellisen kalvon tulos pitää kertoa kahdella Huomaa, että pisteiden jakauma edestakaisella kuviolla ei ole välttämättä tasainen (tyypillisesti pistepilvi on tiheämpi keilauksen reuna-alueilla) 57 Pistetiheys lentosuuntaan nähden kohtisuorasti Valokuitukeilaimissa pistetiheys lentosuuntaan kohtisuorasti on θ dx across = H N 1 Palmer-keilaimelle voidaan laskea likiarvo keilausjonon leveys dx across = π N Ja hieman tarkemmin H 2 2 dx across = tan (2SN) + tan (1.41SN) N SN=peilin inklinaatiokulma 58 29

30 Pistetiheys lentosuunnassa Riippumaton lentokorkeudesta On riippuvainen lentokoneen nopeudesta (v) ja keilaustaajuudesta (f scanner ) v dx along = f scanner Esim. koneen nopeus on 75 m/s (270 km/h) ja keilaustaajuus on 80 Hz m 75 dx s along = = 0. 94m 80Hz 59 Lentolinjojen välinen etäisyys Mikä on sopiva etäisyys lentolinjojen välille, jos halutaan tietty päällepeitto (päällekkäisyys ) keilausjonoille? s overlap Lentojonojen välinen etäisyys = lentojonon leveys Esimerkiksi, jos halutaan 20% päällepeitto ja lentolinjan leveys maastossa on 400 m: 20 Lentolinjo jen välinen etäisyys = 400m1 = 320m

31 Laserkeilausprosessi käytännössä valmistellaan GPS laitteistot maanpäällinen GPS-tukiasema (dgps) virtuaali GPS-tukiasema (VRS=Virtual Reference Station), esim. gpsnet.fi/ 61 GPS/GNSS Webserver VRS-verkko muodostuu kiinteistä GPStukiasemista sekä laskentakeskuksesta GPSNet.fi 62 31

32 Laserkeilausprosessi käytännössä suoritetaan laserkeilaus lennetään kohteen yli kerätään havainnot GPS:stä, inertialaitteistosta sekä itse laseretäisyysmittauksista 63 Laserkeilausprosessi käytännössä Järjestelmä laskee mittaushavaintojen perusteella kolmiulotteisia koordinaatteja selvitetään lasersensorin sijainti ja kallistus jokaisen laseretäisyysmittauksen aikana 64 32

33 Laserkeilausprosessi käytännössä tarkastetaan datan laatu verrataan maastosta tunnettuihin piirteisiin verrataan päällekkäisiin lentolinjoihin varmistetaan, ettei aineistossa ole aukkoja Aineiston jälkikäsittely (seuraavalla luennolla) 65 33