Timo Takanen Maastomallinnus laserkeilauksella Opinnäytetyö Maanmittaustekniikka Marraskuu 2006
KUVAILULEHTI Opinnäytetyön päivämäärä 21.11.2006 Tekijä Timo Takanen Nimeke Koulutusohjelma ja suuntautuminen Maanmittaustekniikka Maastomallinnus laserkeilauksella Tiivistelmä Laserkeilaus on uudehko mittausmenetelmä Suomessa maanmittauksen saralla. Tässä opinnäytetyössä tutkin sen soveltamista pääosin maasto- mutta myös ympäristömallintamiseen. Lisäksi selvitän sen etuja ja puutteita sekä pohdin menetelmän kannattavuutta muihin mittausmenetelmiin verrattuna. Maasto- ja ympäristömallinnusta on aikaisemmin suoritettu lähinnä takymetri- ja GPS- mittauksista. Laserkeilaamalla saadaan mitattua kohde koskematta siihen. Mittauksesta syntyy pistepilvi, jonka jokaisella pisteellä on sekä koordinaatti- että intensiteettitieto. Keilaimilla saadaan pistepilveen tallennettua myös väritieto, joka osaltaan helpottaa kolmiulotteisen kohteen mallinnusta. Opinnäytetyössä suoritin käytännön laserkeilauksen Mikkelin Hänninhaudasta. Mielestäni kohde sopii erityisesti maanmittaajille laserkeilaukseen tutustumista varten. Käyn kyseisen sovellusprojektin vaiheet läpi suoritetussa järjestyksessä, työnsuunnittelusta tiedonsiirtoon. Työssäni kerron laserkeilaimien tarkkuuksista, ominaisuuksista ja käyttömahdollisuuksista sekä mallinnusohjelmistojen käytöstä ja ominaisuuksista. Pääpaino on mittauksessa käytetyssä Trimblen GS200- laserkeilaimessa, sekä mallinnuksessa käytetyssä Trimble RealWorks Survey 5.1- ohjelmistossa. Laserkeilauksessa syntyvä pistepilvi on monipuolista tietoa sisältävä mittaustulos, jota voidaan hyödyntää moneen eri tarkoitukseen. Laserkeilaimella voidaan lisäksi mitata turvallisesti vaarallisia kohteita. Näkisin että laserkeilausmenetelmä tullee lähivuosina yleistymään maanmittausalan perinteisissäkin kartoitustehtävissä kuten maastomallinnuksessa. Asiasanat Laserkeilaus, mallintaminen, ympäristömalli, maastomalli Sivumäärä Kieli URN 52 Suomi URN:NBN:fi:mamkopinn200668372 Huomautukset Liitteenä on mittaustietoja Hänninhaudan keilauksesta, sekä mallinnuksen tulokset CD-formaatissa Ohjaavan opettajan nimi Pekka Saikko Opinnäytetyön toimeksiantaja Kari Immonen, Geotrim Oy
DESCRIPTION Date of the bachelor's thesis 21.11.2006 Author Timo Takanen Name of the bachelor's thesis Making an terrain model with laser scanning Degree programme and option Land Surveying Abstract Laser scanning is quite new measuring method in Finland. This thesis contemplates how laser scanning suits for making a terrain model. Benefits, disadvantages and profitability of earlier measuring methods and laser scanning are also compared in this thesis. This thesis is based on a laser scanning project from Hänninhauta, Mikkeli and it handles the project in a chronological order from planning to data transfer. Used laser scanner and modeling software in the measure project was Trimble GS200-scanner and Trimble RealWorks Survey 5.1- software. Perilous targets can be measured with laser scanner because of the untouchable measurement. Measured point cloud is an accurate and it includes versatile information which can be used in several purposes, but it isn t so unambiguous because of the large number of points. I think that the laser scanning will expand in a few years also among surveyors traditional job like terrain modeling. Subject headings, (keywords) Laser scanning, modeling, terrain model, environment model Pages Language URN 52 Finnish URN:NBN:fi:mamkopinn200668372 Remarks, notes on appendices Attachments includes documents and results from scanning of Hänninhauta Tutor Pekka Saikko Bachelor s thesis assigned by Kari Immonen, Geotrim Oy
SISÄLTÖ 1 JOHDANTO...1 2 LASERKEILAIN...2 2.1 Laser...2 2.1.1 Toimintaperiaate...2 2.1.2 Lasertyyppejä...4 2.1.3 Laserien luokitus...5 2.2 Laserkeilaimista...5 2.2.1 Laserkeilainten luokittelu...6 2.2.2 Maa-laserkeilaimet...6 2.3 Laserkeilauksesta syntyvä aineisto eli pistepilvi...10 2.3.1 Pistepilvien yhdistäminen ja niiden tarkkuus...10 2.3.2 Pisteen intensiteetti...12 2.3.3 Valmiiden aineistojen formaatit...13 3 LASERKEILAUKSEN VAIHEET...14 3.1 Tavoite...14 3.2 Keilauksen suunnittelu...15 3.2.1 Mallinnettava maasto...15 3.2.2 Kohteiden ja tähysten näkyvyys...16 3.2.3 Keilaukseen kuluva aika...16 3.2.4 Ulkoistentekijöiden huomioiminen...17 3.2.5 Suunnittelun vaikutus kustannuksiin...18 3.3. Keilauksen toteutus...19 3.3.1 Valmistelu ennen keilausta...19 3.3.2 Keilaus...20 4 MAASTOMALLI MIKKELIN HÄNNINHAUDASTA...21 4.1 Hänninhaudan laserkeilaus...22 4.1.1 Työn suunnittelu...22 4.1.2 Valmistelu...23 4.1.3 Mittaus...24
4.2 Mittauskalusto ja ohjelmat...26 4.2.1 Trimble GS200- laserkeilain...26 4.2.2 Trimble pointscape 2.1...27 4.3 Pistepilven mallintaminen RealWorks Survey 5.1 ohjelmalla...29 4.3.1 Pistepilven rekisteröinti...29 4.3.2 Mallintaminen...31 4.3.3 Pisteiden poisto ja harventaminen sekä kohteiden erittely...31 4.3.4 Maastomalli...33 4.3.5 Aineiston vienti ja tuonti yleisiin formaatteihin...38 4.3.6 Maastomallin tarkkuus...40 4.3.7 Yhteenveto pistepilven mallintamisesta...40 5 MAASTOMALLISTA YMPÄRISTÖMALLIKSI...41 5.1 Ympäristön mallintaminen pistepilvestä...42 5.1.1 Vertailua eri mittausmenetelmien välillä...44 5.1.2 Menetelmien eroja eri kohteissa...45 5.1.3 Kustannukset ja tuottavuus...48 6 JOHTOPÄÄTÖKSET...51 LÄHTEET LIITTEET
1 Johdanto 1 Laserkeilauksella on mitattu erilaisia kohteita jo useita vuosia. Se ei ole kuitenkaan saavuttanut vielä merkittävää suosiota maanmittausalalla. Suurin syy lienee mittaustyylin uutuus maanmittauskäytössä sekä keilaimien suhteellisen korkeat hankintahinnat. Keilainten käyttö on kuitenkin alkanut viimevuosina yleistyä uusilla aloilla. Niitä on käytetty yleisimmin kaivosten, tunnelien ja tehdaskohteiden mittaamisessa sekä historiallisten monumenttien, kuten patsaiden ja rakennusten, mallintamisessa. Lähivuosina maa-laserkeilaimien ominaisuuksia hyödynnetään enemmän myös mm. maaston- ja ympäristön mallintamisessa sekä siltamittauksissa. Laserkeilaus on yleistynyt ja sitä on alettu käyttämään kohteissa, jotka saadaan sille parhaiten inventoitua. Maalaserkeilain on mittalaite, jolla saadaan mitattua koordinaatit sekä kohteen intensiteetti- että väritietoja kohteeseen koskematta. Keilaimen mittaustuloksena syntyy ns. pistepilvi. Pistepilvestä saadaan mallinnettua hyvällä tarkkuudella kohteita niin tasossa kuin avaruudessa. Maasto- ja ympäristömalleja on mitattu aikaisemmin takymetri- ja GPS (Global Positioning System) -mittauksena. Näillä mittaustyyleillä syntyvän mittaustuloksen tietomäärä on pieni verrattuna laserkeilauksesta syntyvään pistepilveen. Pistepilvestä on poimittavissa paljon muutakin tietoa, kuin mitä varsinaisesti juuri mittaushetkellä tarvitaan. Tämän opinnäytetyöni lähtökohtana on tutustua laserkeilaukseen ja selvittää laserkeilauksen sopivuutta maaston- ja ympäristön mallinnukseen. Laserkeilauksen vaiheet käyn läpi suunnittelusta mallintamiseen. Opinnäytetyön sovellusosana keilataan Mikkelin kaupungissa sijaitseva Hänninhauta, josta on tarkoituksena tehdä ympäristömalli. Hänninhaudan keilaus suoritetaan Trimblen GS200-laserkeilaimella ja mallinnus Trimblen RealWorks survey 5.1-ohjelmistolla.
2 Laserkeilain 2 Tässä luvussa käsitellään eri laserkeilainten tyyppejä ja toimintatapoja. Luvussa käydään läpi keilainten ominaisuuksia ja käyttökohteita, sekä kerrotaan uudesta ns. takymetri-laserkeilaimesta. Luvussa perehdytään myös hieman laserkeilaimen sydämeen, lasersäteen toimintaan. 2.1 Laser Sana laser tarkoittaa valon vahvistamista säteilyn stimuloidulla emissiolla (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Laserin kehitys sai alkunsa 1917 kun Einstein esitti ensimmäisen kerran teorian stimuloidusta emissiosta. Einstein piti mahdollisena että kiihdytettyinä elektronit lähettäisivät elektromagneettista säteilyä tietyllä aallonpituudella. Myöhemmin 1954 Charles Townes kehitti ensimmäisen laitteen jolla voitiin käyttää hyväksi stimuloitua emissiota, Maser (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiarion). 1958 Townes ja Arthur Schawlow patentoivat yksityiskohtaisen raportin laserperiaatteen soveltamisesta näkyvänvalon alueella. Vuonna 1960 fyysikko Theodor Mainman valmisti maailman ensimmäisen toimivan rubiinilaserin Townes ja Schawlowin raportin pohjalta. Seuraavana vuonna kehitti Ali Javan ensimmäinen kaasulaserin, Helium-Neon -laserin (HeNe). Tätä seurasivat pian muut jalokaasuja käyttävät laserit kuten argon- ja krypton- laserit. Sittemmin on kehitetty myös muita aineita hyödyntäviä lasereita kuten kide ja puolijohdelasereita. /1, s.13/ 2.1.1 Toimintaperiaate Laserin toimintaan vaaditaan neljä eri elementtiä: käänteinen miehitys, metastabiili energiatila, stimuloitu emissio ja optinen resonanssi. Tiettyyn tilavuuteen mahtuu tietty määrä laseroivaa ainetta. Tämän aineen atomeista suurin osa on tietyssä perusenergiatilassa, mutta osa on eri viritystiloissa olevia atomeja. Jotta laser toimisi on jonkin viritystilan atomien lukumäärää saatava kasvatettua riittävän suureksi. Tällöin puhutaan käänteisestä miehityksestä, tällöin korkeamman viritystilan atomeja on enemmän kuin alemman viritystilan atomeja. Käänteinen miehitys saadaan aikaiseksi pumppaamalla laseraineeseen lisää energiaa
esim. valon (optisella pumppauksella) tai korkeanjännitteen avulla elektronipommituksella kaasulasereissa. 3 Tarvittavien viritystilojen kestot ovat kovin lyhyitä (n. 10-100 ns) eli virittyneet atomit muuttuvat takaisin perusenergiatilaan, lähettäen samaan aikaan sähkömagneettista säteilyä. Tätä kutsutaan spontaaniksi emissioksi. Tällä tavoin syntyneet sähkömagneettiset aallot ovat erivaiheisia. Laserin toiminnalle oleellista on että laseraineen atomeilla on olemassa riittävän pitkäikäinen metastabiili energiatila, jonka elinaika on hieman pidempi (esim. muutamia millisekunteja) tällöin saadaan aikaiseksi riittävä määrä korkeamman energiatilan atomeja ja käänteinen miehitys aikaiseksi. Kun virittyneessä tilassa olevan atomin ohi kulkee fotoni jolla on tietyn viritystilan ja alemman energiatilan energioiden erotus, saa se aikaan viritystilan laukeamisen. Tällöin atomi palaa takaisin perusenergia tilaan lähettäen samalla fotonin jonka vaihe, polarisaatio ja etenemissuunta ovat täsmälleen samat kuin emission aiheuttamalla fotonilla. Tätä kutsutaan stimuloiduksi emissioksi. Laseraineessa ollessa suurimäärä metastabiilin energiatilan atomeita, tapahtuu ketjureaktio jolloin laserin sisälle saadaan suuri määrä samaan suuntaan kulkevia ja saman aaltopituuden omaavia fotoneja. Jotta fotoneja saataisiin monistettua tarvittavan suuri määrä, on laserin molemmissa päissä peilit, joiden etäisyys toisistaan on laservalon aallonpituuden puolikkaan monikerta. Näin laservalon aallonpituus säilyy samanvaiheisena. Optisella resonanssilla tarkoitetaan laserin aallonpituutta laseroivassa aineessa, joka voi olla erivaiheista kuin laserista ulostulevan lasersäteen aallonpituus. Optinen resonanssi saa alkunsa peilien solmukohdista ja laserin sisällä olevasta magneettisesta seisovasta aallosta. Laserin peileistä toisen ollessa puoliläpäisevä, pääsee peilin lävitse lasersäde poistumaan aukon kautta joko pulsseittain tai jatkuvana. Laserista siis saadaan ulos samanvaiheista, koherenttia valoa. Säteen avautumiskulma on hyvin pieni, esimerkiksi alle 10 mrad ja säteen poikkipinnan halkaisija on millimetrien suuruusluokkaa. Tämän johdosta laserin intensiteetti (teho/pa) on suuri vaikka teho olisikin pieni. /2, s.379-381./
2.1.2 Lasertyyppejä 4 Kiinteän aineen laserit perustuvat pääosin keinotekoisesti valmistettuihin kiteisiin. Nämä saavat energiatilojen vaihtelut aikaiseksi eri aineiden energiatasojen avulla, joita voimistetaan valon avulla. Energiatilat laukeavat hyvin nopeasti, josta syntyy värähtelyenergiaa laserin kidehilalle. Siirrettyään hilalle energiaa, irtoaa niistä samalla elektroneja kahdelle lähekkäiselle metastabiilille energiatilalle. Kun atomissa elektronit siirtyvät viritystilasta perusenergiatilaan ne lähettävät fotonin, jonka aallonpituus riippuu aineen ominaisuuksista. Kiinteän aineen laserit ovat yleensä rubiinikide-, neodium-, neodium-yag-, neodium-lasi- tai erbiumlasereita. Kiinteän aineenlasereita käytetään yleisimmin etäisyysmittauksissa, metallin käsittelyssä ja lääketieteen sovelluksissa. Kidelasereilla voidaan saavuttaa suuria tehoja, kuten esimerkiksi neodium-yag-laserilla keskimääräinen teho on useita satoja watteja ja huipputeho lyhyellä pulssilla jopa 100MW. Kaasulaserit perustuvat kaasumolekyylien törmäyksistä syntyviin eri energiatilojen vaihteluihin, jolloin ne luovuttavat fotoneita. Jotta molekyylien atomeita saadaan kiihdytettyä tarpeeksi, kytketään kaasuputken päidenvälille korkeajännite. Jännite aiheuttaa putken sisälle sähkökentän joka kiihdyttää elektroneja. Erilaisia kaasulasereita on suuri joukko. Yleisimmin käytettyjä kaasuja lasereissa ovat: HeNe (helium-neon kaasuseos) jolla päästään 0,5... 10mW teholukemiin ja ne ovat halpoja, helppokäyttöisiä ja käyttöiältään pitkiä. Argon ja krypton seos, jolla saadaan muodostettua valoa eri aallonpituuksilla ja päästään jopa 20 W:n teholukemiin. Hiilidioksidilaser on tehokkain kaasulasereista ja se toimii pääosin infrapuna-alueella. Sen teho on tyypillisesti 10W... 100 kw riippuen laserinrakenteesta ja siitä miten kaasun viritys on toteutettu. Näitä käytetään yleisimmin teollisuudensovelluksissa. Puolijohdelaserissa elektronien ja aukkojen yhdistyminen rajapinnalla synnyttää fotoneita joista syntyy näkyvää valoa. Syntyvän valon värin määrittävät aineiden yhdisteet ja epäpuhtaudet. Yleisimpiä puolijohdelasereita on Galliumarsenidilaserit joita käytetään mm. CD soittimien lukupäässä. Myös hohtodiodi, joka tunnetaan paremmin LED- valona, toimii puolijohde periaatteella. /2, s.384-391./
2.1.3 Laserien luokitus 5 Laserlaitteet on luokiteltu aiheuttamansa riskin perusteella neljään pääluokkaan: 1. Luokka Käyttö turvallista, ei aiheuta missään olosuhteissa altistumisrajojen ylitystä. 2. Luokka Pienitehoiset näkyvää valoa (400-700nm) lähettävät laserit. Eivät aiheuta normaalikäytössä vaaraa, mutta säteeseen pitkään katsoessa voi olla vaarallinen (kuten muutkin normaalit valonlähteet, esim. aurinko) Silmien suojaaminen tapahtuu silmien sulkemisrefleksillä. 3A. Luokka Suurin sallittu teho 5mW. Ei aiheuta vaaraa hetkellisesti katsottaessa kohdentamatta katsetta säteeseen. Suoraan säteeseen katsominen kokoavalla optisella apuvälineellä on vaarallista. Silmien suojaaminen tapahtuu sulkemisrefleksillä. 3B. Luokka Ylittää 3A luokan, mutta suurin sallittu teho jatkuva tehoisille lasereille on 0,5 W ja pulssilasereille 10 5 j/m 2. Katseen kohdistaminen säteeseen ja sen heijastuksiin on aina vaarallista. 4. Luokka Suuritehoiset laserit, synnyttävät vaarallista säteilyä, jonka hajaheijastuskin on vaarallinen. Säde on vaarallinen silmille ja iholle, voi aiheuttaa myös tulipalovaaroja. /1, 3/ 2.2 Laserkeilaimista Laserkeilaus teknologia mahdollistaa kohteen mittauksen kohteeseen koskematta. Mittauksen tuloksena syntyy valtava määrä pisteitä, joilla kaikilla on koordinaattisekä intensiteettitieto. Tätä kutsutaan pistepilveksi.
Laserkeilainten toiminta etäisyydet ovat 0,1 metristä 100 kilometriin. Koko tätä skaalaa ei luonnollisesti voida toteuttaa tarkasti yhdellä keilaimella. 6 2.2.1 Laserkeilainten luokittelu Laserkeilaimet voidaan luokitella kolmeen pääluokkaan: 1) Kaukokartoitus -laserkeilaimet, joita käytetään lentokoneista, helikoptereista tai avaruusaluksilta. Mittausetäisyys näissä laitteissa on 0,1 100 km ja mitatun pisteen tarkkuus on joitakin senttimetrejä (tyypillisesti >10 cm); 2) Maa-laserkeilaimet, joita käytetään mittauksiin matkoille 1 300 m ja joissa mittaustarkkuus on alle 2 cm; 3) Teollisuus-laserkeilaimet, joilla mitataan pieniä kohteita alle millimetrin tarkkuudella ja etäisyydeltä alle 30 m / 4./ Tässä opinnäytetyössä käsitellään pelkästään maa-laserkeilaimia, jollaisella Hänninhaudan keilausprojekti tehtiin. 2.2.2 Maa-laserkeilaimet Maa-laserkeilaimet (terrestriaaliset laserkeilaimet) voidaan toimintaperiaatteen pohjalta jakaa neljään eri tyyppiin: a) Kupolimainen mittaustapa (näitä sanotaan myös laserskannereiksi) b) Keilamainen mittaustapa c) Kahden edellisen mittaustavan yhdistelmä d) Optinen kolmiomittaus. / 4 s. 1/ Kuva 1, Maa-laserkeilaimien toimintaperiaatteet /4 s.2/
7 Laserkeilaimien mittausmenetelmä muistuttaa paljon mittausta prismattomalla takymetrillä. Laserkeilaimen mittaamat koordinaatit saadaan kun laite mittaa lasersäteen kulkeman edestakaisen ajan kohteeseen sekä lähtökulmat, niin vaaka- että pystysuunnassa. Näiden lisäksi laite tallentaa paluusignaalin voimakkuuden, eli pisteen intensiteettiarvon. /4, s 1./ Laserkeilaimet voidaan jakaa kahteen eri päätyyppiin etäisyysmittaustyylinsä perusteella. Nämä ovat pulssi- sekä jatkuva-aaltoinen./5, s.6./ Pulssi- eli aikaerolaserit lähettävät yksittäisiä energiapulsseja (lasersäde). Nämä mittaavat kohteeseen lähteneeltä energiapulssilta edestakaiseen matkaan kuluneen ajan. Säteeltä kuluneesta ajasta voidaan laskea kohteen etäisyys. Pulssilasereilla voidaan mitata etäisyyksiä suurella vaihteluvälillä muutamasta metristä yli kilometriin mutta yleensä pienellä, muutaman tuhannen havainnon toistotaajuudella. /5, s.6-7./ Jatkuva-aaltoinen- eli vaihe-erolaser taas lähettää jatkuvaa signaalia, joka koostuu useammista eri kantoaallonpituuksista. Kohteesta takaisin heijastuvan signaalin vaiheeron avulla saadaan laskettua kohteen etäisyys mittalaitteesta. Vaihe-erolaserilla päästään parempiin etäisyysresoluutioihin kuin pulssilaserilla, mutta mittausetäisyys rajoittuu pääsääntöisesti alle 100 metriin. /5, s.7-8./ Laserkeilaimet eroavat toisistaan myös peilijärjestelmän toteutuksen osalta. Peilijärjestelmä suuntaa lasersäteen haluttuun suuntaan, joka vaikuttaa pääsääntöisesti keilausnäkemän pystysuunnassa tapahtuvaan mittaukseen. Peilijärjestelmä voi olla joko oskilloiva tai ympäripyörivä. Oskilloiva peili tuottaa kapeamman keilauskulman kuin ympäripyörivä. /5,s.6/ Pyörivä peilijärjestelmä voidaan pääpiirteissään toteuttaa kahdella tavalla; polygonipeilillä tai vinopeilillä. Polygonipeili pyörii akselinsa ympäri ja se koostuu yleensä kolmesta tai useammasta peilipinnasta. Lasersäde on tyypillisesti kohtisuorassa pyörimisakselia vasten. Polygonipeili rajoittaa keilaimen keilauskulman tyypillisesti alle 90. Pyörivä vinopeili on asennettu pyörimisakselinsa suhteen 45 kulmassa ja laser on suunnattu siihen pyörimisakselin suunnassa. Tällä ratkaisulla saavutetaan periaatteessa 360 keilauskulma, mutta laitteen runko asettaa kuitenkin
usein rajoituksia. /5,s.6/. Kuvassa 2 on kuvattuna peilijärjestelmien päätyypit, jossa A on oskilloiva, B Polygoni ja C Vinopeili 8 Kuva 2, Kuvan kohdassa C säde tulee pyörimisakselin suunnasta /5, s6/ Suorituskyky ja ominaisuudet Laserkeilaimen suorituskykyä ja ominaisuuksia yleensä ilmaistaan sekä käytettävyyden että tarkkuuden ilmaisevilla tekijöillä. Laitevalmistajien ilmoittamat ominaisuudet ja suorituskyvyt poikkeavat toisistaan, sillä varsinaisia yhtenäisiä standardeja näihin ei vielä ole laadittu. Seuraavassa on listattu yleisimmin käytettyjä vertailuarvoja, joilla laitevalmistajat kuvailevat tuotteitaan. Käytettävyyteen vaikuttavia seikkoja ovat mm. Keilausalueen laajuus yhdeltä paikalta katsottuna eli näkemä (esim. 360 *60 ). Keilaimen mittausnopeus, jonka ilmoittaminen vaihtelee valmistajan mukaan (esim. max. 5000pistettä/min.)sekä suurin ja pienin mittausetäisyys. Pistepilvien yhdistämis-/rekisteröimismenetelmät (kts. takymetri-laserkeilain). Intensiteetin mittaus ja tallennus sekä mahdollinen väritieto. Keilaimen sisäisenkameran ominaisuudet. Keilaimen akkujen kesto, keilaimen koko, paino, kuljetettavuus, säänkestävyys, jne. /6, 7, 8./ Tarkkuutta määrittäviä tekijöitä ovat keilaimen yhdenpisteen etäisyyden mittaustarkkuus, sekä kertamittauksena että keskiarvostettuina havaintoina, kulman mittaustarkkuus sekä vertikaali- että horisontaaliakselilla ja yhdenpisteen mittauskertojen määrittäminen. Myös lasersäteen halkaisijan suuruus tietyssä etäisyydessä, korjausparametrien määrittämismahdollisuus kuten automaattinen tasain ja säätilakorjaukset ovat yleensä ilmoitettu valmistajien esitteissä. Myös tähyksien määrittämistarkkuuden ovat jotkut laitevalmistajat ilmoittaneet. /7, 8./ Eri laitevalmistajien ilmoittamat arvot eivät ole aina helposti vertailtavissa, varsinkaan etäisyyden ja sijainnin mittaustarkkuuden suhteen. Kuten edellä on mainittu, ei vielä
9 toistaiseksi ole laadittu yhteisiä standardeja mittalaitteiden suorituskykyä kuvaamaan. Tästä johtuen ilmoitetut tarkkuudet voivat olla eri etäisyyksiltä mitattuja sekä mittauskertojen lukumäärät saattavat poiketa toisistaan, joka osaltaan vaikuttaa pisteen tarkkuuteen. Aina ei välttämättä ole ilmoitettu myöskään käytettyä mittausmetodia, jolla ilmoitettuun tulokseen on päästy. On myös kritisoitu sitä, että valmistajien spesifikaatioissaan ilmoittamat tarkkuudet eivät välttämättä pidä paikkaansa, mikä johtuu pääosin juuri yhtenäisten testausmenetelmien puutteesta. /5, 6./ Laserkeilainten käyttäminen on turvallista ihmisten läheisyydessä. Keilain ei synnytä mitään muuta säteilyä ympäristöönsä kuin lasersäteilyä. Maa-laserkeilaimissa käytetyt lasersäteet ovat ihmisille turvallisia. /1, 3, 7, 8./ Laserkeilaimien käyttökohteet Laserkeilaimia voidaan käyttää melkein mihin tahansa mittauksiin. Yleisimpiä maalaserkeilainten käyttökohteita ovat kohteet, joihin ei voi koskea, ja kohteet, joista halutaan saada kolmiulotteista mallinnusta. Aikaisemmin tämänkaltaisissa kohteissa on käytetty mittausvälineenä pääosin takymetrin lasermittausta. Laserkeilaimen edut takymetrin lasermittaukseen verrattuna on huomattavasti suurempi mittausnopeus. Väri- ja intensiteettitiedon mittaamisessa laserkeilaimet ovat ehkä kaikkein käyttökelpoisimpia mittalaitteita tällä hetkellä. Laserkeilaimia voidaan käyttää mm: Silta-, tunneli-, julki- ja sisätilamittauksissa, joissa korostuu kohteen koskemattomuuden merkitys Kulttuurihistoriallisissa mittauksissa, esim. arkeologia (kalliomaalaukset), muistomerkit. (Huom. intensiteetin hyödyntäminen!) Maanrakennuksessa, avolouhoksissa, joissa taas esimerkiksi massanlaskenta tarkkuus on hyvä suuren pistemäärän johdosta Kaupunkiympäristön suunnittelun apuvälineenä ja mittauksissa, esimerkiksi maasto- ja ympäristömallit sekä tulevien suunnitelmien visualisointi Teollisuuden kohteissa, varsinkin suurissa kohteissa. Esimerkiksi telakat Onnettomuustutkinnassa, peli- ja elokuvateollisuuden apuvälineenä, joille kolmiulotteisen mallin merkitys on suuri
Vilkkaasti liikennöidyssä ympäristössä, jossa jalan liikkuminen on vaarallista /10./ 10 Takymetri -laserkeilain Takymetri -laserkeilaimilla tarkoitetaan keilaimia, jotka sisältävät joko itsessään tai työasemassaan keilaimen ohjailuun tarkoitetun hallintalaitteen, laskentaoperaattorin sekä tallentimen, jonka avulla on mahdollista laskea itse keilaimen asemapaikan sijainti. Tämä perustuu samoihin koordinaattien laskenta periaatteisiin kuin takymetri, josta se on nimityksensä saanutkin. Orientoimalla keilain joko tunnetulle pisteelle yhden liitospisteen avulla tai vapaalle asemapisteelle vähintään kahden tähyksen avulla voidaan mitattava pistepilvi mitata suoraan haluttuun koordinaatistoon. Liitospisteillä on molemmilla oltava sijaintitiedon lisäksi korkeustieto. Pistepilvi siis voidaan mitata suoraan haluttuun koordinaatistoon. Tällöin on mahdollista saada tarkkaa koordinaattisidonnaista tietoa maastosta suoraan mittaushetkellä. Normaalilla laserkeilaimella pistepilvet täytyisi ensin yhdistää ja rekisteröidä ennen kuin laskenta on mahdollista. Näin ollen takymetri-laserkeilaimella voidaan saatua mittausdataa seurata mittausten edetessä paremmin paikan päällä kuin aikaisemmin perinteisemmällä laserkeilaimella mitatusta pistepilvestä. 2.3 Laserkeilauksesta syntyvä aineisto eli pistepilvi Laserkeilauksesta siis syntyy useita pistepilviä. Pistepilvet koostuvat lukemattomista pisteistä, joilla kaikilla on koordinaattitieto. Koordinaattien lisäksi useimmat keilaimet mittaavat ja tallentavat myös pisteen intensiteetin. Jotta pistepilvet olisivat mallinnettavissa, on niille tehtävä tietyt toimenpiteet. 2.3.1 Pistepilvien yhdistäminen ja niiden tarkkuus Laserkeilaimella voidaan mitata vain kojeelta näkyviä kohteita, tämän lisäksi näkyvästä mitattavasta kohteesta on heijastuttava takaisin tarpeeksi voimakas signaali. Yleensä yhdeltä asemalta ei saada kuvattua haluttua kohdetta tarvittavan hyvin, koska ns. kulman taakse mittaus ei ole mahdollista. Tällöin joudutaan yksi kohde keilaamaan useammalta kojeasemalta, jotta piiloon jäänyt alue saadaan kuvatuksi. Näin yhdestä
11 kohteesta muodostuu useampi pistepilvi (esimerkiksi neliskulmainen rakennus vaatii vähintään kaksi eri pistepilveä kuvautuakseen kokonaan). Jotta mitatuista kohteista saataisiin yksi ehyt pistepilvi, on mitatut pistepilvet yhdistettävä. Mitattujen pistepilvien yhdistämiseksi on olemassa useita menetelmiä. /4, s 2./ Uudella menetelmällä, niin kutsutulla takymetri-laserkeilaimella, tämä vaihe jää kokonaan pois. Laserkeilaimen tähykset ovat yleensä tasomaisia, pallomaisia tai puolipalloja. Niiden keskipisteiden määritys keilaimen pistepilvestä tapahtuu ns. automaattisesti. Tähyksien keskipisteet voidaan mitata takymetrillä ympäröivässä koordinaatistossa yhdistettyjen pistepilvien siirtämiseksi tarvittavaan koordinaattijärjestelmään. /4/ Pistepilvien yhdistämismenetelmistä tarkin on yhteisien tähyksien käyttö. Tämä tarkoittaa sitä, että jokaisessa mitatussa pistepilvessä on vähintään kolme samaa tähystä. Näiden avulla pistepilvet saadaan yhdistettyä samaan koordinaatistoon. Tähyksien keskipisteet mitataan keilaimella. Tämä on hyvä suorittaa erillisenä keilauksena ja tarkalla resoluutiolla, jotta tähykset varmasti ovat ohjelmiston tunnistettavissa. Kun pistepilvet yhdistetään tällä menetelmällä, päästään parhaimmillaan 1 3 mm tarkkuuteen. /4./ Pistepilviä voidaan yhdistää myös käyttämällä pistepilvissä olevia tiettyjä samoja kohteita, kuten tasoja, lieriöitä, jne. Näille annetaan koodit, joiden avulla yhdistetään pistepilvet toisiinsa. Kohteiden mallintaminen ei ole kuitenkaan yhtä tarkkaa kuin tähysten mittaaminen. Tästä johtuen pistepilvien yhdistämistyyli ei ole läheskään yhtä tarkka kuin tähysten keskipisteiden käyttäminen. /4./ Jos tällä menetelmällä toimittuna ei käytetä yhtään tähystä, on myös tiettyyn koordinaatistoon aineiston vieminen epätarkkaa. (esimerkiksi rakennuksen nurkkaan mitatut koordinaatit joita käytetään rekisteröintiin.) Kolmas menetelmä pistepilvien yhdistämisessä on eri pistepilvien toistensa peittävien alueiden avulla tapahtuva yhdistäminen. Tämä tapa vaatii että kahdessa eri pistepilvessä alueet peittävät ainakin kolmasosan toisistaan. Kummastakin pistepilvestä osoitetaan vähintään kolme yhteistä pistettä (tai linjaa), joita käytetään kahden pistepilven likiarvotasoitukseen. Pistepilvistä pisteparin osoitustarkkuus on alle 10 cm. Pisteparin osoittamisen jälkeen mittaussovellus laskee parhaimmalla
mahdollisella tavalla (jäännösvirheet minimoiden) pistepilvet samaan koordinaatistoon. Pistepilvien yhdistämistarkkuus tällä menetelmällä on 5-10mm luokkaa. /4./ 12 Isoimmissa projekteissa on tavallista, että mitatut pistepilvet yhdistetään edellä mainittujen menetelmien kombinaationa. /4/ Pistepilvet mitataan yleensä jatkokäsittelyä varten, eli pistepilviä käytetään kohteen mallintamisessa. Mallintamisen laatuun vaikuttaa suoranaisesti mallintamisessa käytettävän pistepilven pisteiden keskinäinen välimatka. Mitä tiheämpi on mitattu pistepilvi, sitä tarkemmin pystytään mallintamaan putkistoja, reunoja jne. Toinen vaikuttava tekijä on mitattujen pisteiden hajonta. Tähän vaikuttaa paljossakin mittaussäteen osumiskulma kohteelle. Kohteiden mallintamisessa on näin ollen erittäin tärkeää jäännösvirheiden seuranta. /4/ 2.3.2 Pisteen intensiteetti Osa markkinoilla olevista laserkeilaimista tallentaa mitatun pisteen koordinaattien lisäksi myös palautuvan signaalin voimakkuuden, intensiteetin. Intensiteetin avulla voidaan visuaalisesti esittää jokaisen pisteen osalta väriero tai harmaasävyn ero. Tämä osaltaan mahdollistaa pistepilven esittämisen lähes todellisilla väreillä, joka osaltaan auttaa pistepilven mallintamista. Intensiteetin avulla voidaan erottaa mitattavalta pinnalta kuvioita, tekstejä, syvyyseroja, jne. Muun muassa arkeologiassa tämän ominaisuuden hyödyntäminen on osoittautunut hyödylliseksi (esim. kalliomaalaukset korkealla koskemattomissa). /4, 10./ Pinnanmuoto (kaarevuus) ja materiaali vaikuttavat intensiteetin kuvautumiseen. Palautuvan signaalin voimakkuus vaihtelee kohteen materiaalin perusteella. Tämän avulla voidaan päätellä kohteen materiaali koostumusta käyttämällä hyväksi myös keilaimen ottamaa digitaalista kuvaa. Esimerkiksi sileän metallipinnan ja puunrungon välillä on havaittavissa eroa intensiteetissä. Myös mittausmatkan kasvaminen kohteelta heikentää paluu signaalia. /4./
13 Kuva 3, Intensiteettien kuvautuminen Trimblen RealWorks Surveyssä. 2.3.3 Valmiiden aineistojen formaatit Ennen kuin mallinnettu aineisto on loppukäyttäjällä, on pistepilvi muunneltu monta kertaa formaatista toiseen. Tämä johtuu siitä että pisteiden tallennus, pistepilvien rekisteröinti, mallinnus ja valmiin mallin muuntaminen tarvittavaan formaattiin, tapahtuu parhaimmillaan jokaiseen vaiheeseen varta vasten tehdyllä ohjelmalla. On ohjelmia, joilla voi samalla toteuttaa useamman vaiheen. On havaittavissa kuitenkin pääsääntöisesti että aineiston tallennus ja mallinnus tapahtuvat eri ohjelmilla. /7, 8, 11./ Ohjelmat vaihtelevat valmistajan mukaan. Näin mallinnettava aineisto on jossain erityisessä formaatissa, ei ns. yleisesti tunnetussa. Kun aineisto on mallinnettu, täytyy se viedä johonkin yleiseen formaattiin, jotta asiakas pystyy käyttämään aineistoa. Nämä formaatit vaihtelevat valmistajien mukaan, mutta kolme selvästi erottuvinta on: ASCII- formaatit (asc, xyz, neu), Autocad- formaatit (dxf, dwg) ja Microstation-
formaatti (dgn). Nämä ovat yleisesti tuettuja formaatteja, tai ainakin muunnettavissa haluttuun muotoon yleisemmillä mittausohjelmistoilla. 14 3 Laserkeilauksen vaiheet Tässä luvussa selvitetään mistä vaiheista laserkeilausprosessi koostuu. Pohditaan seikkoja, jotka tulee ottaa huomioon ennen keilauksen aloittamista, jotta vältyttäisiin ikäviltä yllätyksiltä. Luvussa pohditaan myös seikkoja, joita on hyvä seurata keilauksen aikana sekä kerrotaan myös keilauksen suorituksen eri vaiheista. 3.1 Tavoite Ennen keilauksen suunnittelemista tulee selvittää, minkälainen malli maastosta halutaan tehdä, jotta keilauksen laajuus osattaisiin arvioida ja suunnitella mallinnettavat kohteet oikein. Mallin käsite muuttuu sen sisällön ja laajuuden perusteella. Maaston kuvaamiseen käytetään korkeus-, maasto- ja ympäristömalleja. Edellä mainittujen käsitteiden sisällön ymmärtäminen vaihtelee kuulijan mukaan. Tässä opinnäytetyössä kyseisillä käsitteillä tarkoitetaan seuraavaa: Korkeusmalli kuvaa pääasiassa maastonkorkeuden vaihteluita. Korkeusmalli muodostuu yleensä haja- ja taitepisteistä ja siitä on mahdollista tutkia kallistuksia, kaarevuuksia tai vaikkapa tilavuuksia. /12, 14./ Maastomalli on maaston tarkka pintamalli, joka koostuu hajapisteistä ja taiteviivoista. Se voi olla joko ns. rautalankamalli eli se koostuu pistemäisestä ja viivamaisesta kolmiulotteisesta geometriatiedosta, mutta ei pintamaisista elementeistä. Maastomalli sisältää korkeusmallin ominaisuuksien lisäksi maastoa kuvaavia kohteita kuten rakennukset, puut, jne. /12, 14./ Ympäristömalli kuvaa fyysistä ympäristöä mahdollisimman aidosti kolmiulotteisena. Sen avulla pyritään visualisoimaan ympäröivää luontoa ja maisemaa mittaushetkellä mahdollisimman hyvin. Ympäristömalli muodostuu korkeus- ja maastomallin ominaisuuksien lisäksi tasoista jotka kuvaavat kohteita. Esimerkiksi maastomallista
ilmenee rakennuksen seinän sijainti, mutta ympäristömallista on nähtävissä koko seinä. Myös maa- ja metsälajit ovat kuvattuna ympäristömallissa. /12, 14./ 15 3.2 Keilauksen suunnittelu Mielestäni jokaiseen mallinnettavaan kohteeseen tulee tutustua ennalta, jotta ei tulisi mitään suurempia yllätyksiä vastaan itse keilaushetkellä. Huomiota kannattaa kiinnittää varsinkin siihen, mitä kohteesta/maastosta halutaan mallintaa. Suunnittelun lähtökohtana on luonnollisesti keilattavan ympäristön lisäksi myös mittauksessa käytettävä keilain. Käytettävissä oleva tai käytettäväksi valittava keilain vaikuttaa suunnittelun luonteeseen. Näistä suurimpia on tähysten ja keilattavien kohteiden sijaintisuhteet toisiinsa. Tähysten merkitys on suuri pistepilven rekisteröinnin kannalta, kuten aikaisemmin on mainittu. 3.2.1 Mallinnettava maasto Mallinnettavaan maastoon tulee tutustua ennalta hyvissä ajoin. Monesti selkeä kohde ei välttämättä olekaan selkeä. Keilaukseen lähtiessä täytyy varmistua siitä että keilaustulokset kuvaavat mahdollisimman hyvin kyseistä maastoa. Tämä edellyttää sitä että puitteet tähän ovat kunnossa. Mm. maanpinnan on oltava keilattavissa oikein, oikeasta paikasta. Esimerkiksi lasersäde ei läpäise pitkää ja tiheää heinikkoa, vaan pysähtyy heinikon latvaan tms. jolloin maaston korkeus kuvautuu väärin ja saattaa olla jopa puoli metriä pielessä. Tämän suuruisen virheen kyllä yleensä huomaa jos itse keilaaja ja mallintaja on sama henkilö. Pientä korkeuseroa, kuten vaikka 10-20 cm:n korkeuseroa, ei välttämättä huomaa vaikka keilaaja ja mallintaja on sama henkilö. Kun suunnittelu tehdään varhaisessa vaiheessa ennen varsinaista keilausta, voidaan em. asioihin vielä vaikuttaa. Myös mahdolliset heijastavat pinnat tulee ottaa huomioon, kuten sileät metalliset pinnat, vesi/jää, lasi- ja ikkunapinnat. Maastomallien osalta nämä harvemmin muodostuvat mainittaviksi ongelmiksi, koska suurimmillaankaan muodostuva virhe/vajaus ei ole merkittävä mallin kannalta.
16 3.2.2 Kohteiden ja tähysten näkyvyys Keilausta suunniteltaessa on keilaajan tärkeää selvittää, mitkä kohteet ovat ensisijaisen tärkeitä ja mitkä toissijaisia, mitä halutaan mallintaa. Näin voidaan valita keilaimen asemapaikat tarkoituksenmukaisesti. Esimerkiksi maanpintaa ei tarvitse keilata yhtä tarkasti kuin vaikkapa rakennuksen nurkkaa. Kohteiden muoto ja koko vaikuttaa suuresti keilauksen toteutukseen. Esimerkiksi jos nelikulmainen rakennus halutaan mallintaa kokonaan, on tällöin rakennus keilattava vähintään kahdesta eri suunnasta, jotta tämä kuvautuu oikein. Jos tämänkaltaisia kohteita on enemmänkin saman projektin alla, korostuu valmistelun/ suunnittelun merkitys eritoten ajankäytön osalta. Hyvin valitulta asemapaikalta saatetaan saada keilattua usean eri rakennuksen kaksi eri seinälinjaa kerralla. Myös katvealueet on otettava erityisesti huomioon, esimerkiksi puidenoksista tms. aiheutuvat esteet. Käytössä oleva keilain asettaa myös omat ehtonsa kohteiden näkyvyyden suhteen. Tämä tarkoittaa sitä, että paikka, josta kohde kuvautuu halutulla tavalla, niin kolme vaadittavaa tähystä ei välttämättä näy keilaimelle juuri tästä samasta paikasta. Tämä ei muodostu ongelmaksi yhtä voimakkaasti takymetri-laserkeilaimilla (tarkemmin luvussa 2.2.2). Harvoin keilattavien kohteiden lähistöllä on tarvittavaa koordinaattitietoa niin tiheään, että keilaus saadaan suoritettua olemassa olevien pisteiden avulla valituilta asemapaikoilta. Monesti ennen keilausta alueelle onkin tuotava lisää tunnettuja pisteitä esimerkiksi takymetrimittauksella. Keilaimen asemapaikat on tärkeää suunnitella hyvin, jotta keilattavat kohteet kuvautuisivat mahdollisimman hyvin mahdollisimman vähillä asemapaikoilla. Keilausasemien onnistunut valinta säästää huomattavasti työskentelyaikaa. 3.2.3 Keilaukseen kuluva aika Suunnittelussa on huomioitava keilattavaan kohteeseen/alueeseen kuluva aika, koska keilaimen ja kannettavan tietokoneen virtalähteet asettavat omat rajoituksensa työn
17 kestolle. Kohteissa, joissa ei ole lähistöllä verkkovirtaa, aggregaattia tai muuta ulkoista virtalähdettä, korostuu suunnittelun merkitys entisestään. Tällöin on huomioitava kunkin kojeen akun kesto ja sen mahdollistama työskentelyaika. Monesti keilaimen ja kannettavan tietokoneen akut eivät kestä täsmälleen samaa aikaa, joten tämä on ajateltava ns. heikomman mukaan. Ajan käytön huomioiminen korostuu kohteissa, jotka on mahdollista keilata yhdellä kertaa. Tällöin yhdenkin ylimääräisen keilausaseman lisääminen saattaa hankaloittaa tai jopa estää suunnitelman mukaisen keilauksen. Keilainpaikkojen valinta korostuu myös tällöin. Suunnitteluvaiheessa 15 minuutin lisätyö voi aiheuttaa jopa puolitoista tuntia lisää työskentelyaikaa keilausvaiheeseen. Jos keilattava alue on iso, eikä mallinnettavaa aluetta saada tallennettua yhdellä kerralla, jaksotetaan keilaus useammalle. Tauko keilauksien välissä on hyvä kestää kuitenkin vähintään sen ajan, minkä kaikkien akkujen uudelleen latautuminen vaatii. Jos keilaus on tehtävä useampana päivänä, suunnitteluvaiheessa varmistetaan, ettei päivien välissä jää tärkeitä kohteita keilaamatta. Esimerkkinä lyhtypylväs; se on heikosti huomattava kohde, mutta saattaa olla ympäristömallin kannalta ratkaiseva yksityiskohta. Useamman päivän kestävään keilaukseen on tehtävä päiväkohtainen suunnitelma kaiken tarvittavan mittaamiseksi. 3.2.4 Ulkoisten tekijöiden huomioiminen Suunnitteluvaiheessa on myös huomioitava ulkoisten tekijöiden vaikutus keilauksen onnistumiseen. Näitä ovat pääasiassa muut ihmiset ja liikenne. Jos keilattava kohde on paikassa, jossa on paljon ihmisiä tai liikennettä, on keilausajankohta ja laserkeilaimen asemapaikat mietittävä huolella, jotta mittaustulos olisi paras mahdollinen. Jos alueella liikkuu paljon ihmisiä keilauksen aikana, vaikeutuu mallintamisvaihe mielestäni jonkun verran. Tällöin tulee paljon hajapisteitä tyhjän päälle, ja paikkoihin, missä normaalisti olisi pelkkää ilmaa sekä näiden sillä hetkellä peittämät kohdat, jäävät kuvautumatta kokonaan.
18 Vilkkaissa paikoissa saattaa ilmentyä myös maan tärinää ajoneuvojen johdosta, esimerkiksi varsinkin työmailla tai niiden lähiympäristössä, joissa liikkuu raskaita ajoneuvoja ja työkoneita. Tämä on hyvä huomioida, sillä tärinä saattaa kallistaa kojetta. Joissain laserkeilaimissa on olemassa automaattinen tasain, mutta tästä huolimatta mittaustulokset saatavat vääristyä jos keilain kallistuu liikaa. Laserkeilaimen tasainta on hyvä seurata aina silloin tällöin, vaikkei tärinää ilmenisikään. Kuvaillun kaltaisessa ympäristössä toimiessa on aina muistettava turvallisen työskentelyn hyvät tavat sekä käytettävä tilanteen vaativia turvavarusteita. Mielestäni vilkkaissa paikoissa laserkeilaus on parasta tehdä aamuyöstä, koska silloin on verrattain vähiten ihmisiä liikenteessä. Tuloksen kannalta ajankohdalla ei ole merkitystä, sillä useimmat laserkeilaimet mittaavat sekä kirkkaalla auringon paisteella, että pimeässä. /10,11./ Sääolosuhteet on myös huomioitava. Suurinta osaa laserkeilaimista ei suositella käytettävän sateisella tai kostealla säällä, jolloin voi muodostua kondensiokosteutta. Sumuisella säällä mittaamistakaan ei suositella. /7, 8./ 3.2.5 Suunnittelun vaikutus kustannuksiin Vaikka itse keilaaminen on yleensä kaikkein vähiten aikaa vievä osio koko mallinnustyöstä, on sen merkitys syntyvissä kustannuksissa kuitenkin mainittava. Mitä vähemmän päiviä käytetään keilauksen suorittamiseen, sitä vähemmän syntyy kustannuksia. Tämä korostuu varsinkin silloin, jos käytössä on vuokrattu laserkeilain. Jos keilaustyö saadaan suoritettua yhden päivän aikana kahden työpäivän sijasta, on säästö kustannuksissa mainittava. Mitä suurempi mallinnettava kohde/alue on, sitä enemmän korostuu suunnittelun tärkeys myös kustannuksista puhuttaessa. Kustannuksissa saatetaan säästää huomattavia summia sijoittamalla kerralla kunnollisiin akkuihin, joilla voidaan toimia pidempiä aikoja yhtämittaisesti.
3.3 Keilauksen toteutus 19 Varsinainen laserkeilaus on itsessään hyvin pitkälti automatisoitu suoritus, mutta vastuu säilyy edelleen tekijällä. Tekijälle jää periaatteessa hoidettavaksi vain laserkeilaimen ohjailu ja tarkkailu, että toimitaan laaditun suunnitelman mukaan. 3.3.1 Valmistelu ennen laserkeilausta Keilattava alue on hyvä käydä läpi vielä hieman ennen keilauksen aloittamista. Tällöin ehditään tekemään mahdollisesti tarvittavat takymetri lisämittaukset, jos on tapahtunut muutoksia keilaimen asemapaikkojen suhteen suunniteltuun verrattuna. Keilauksen aikana ei keilaimen lähellä kannata liikkua, jottei syntyisi turhia hajapisteitä. Toisaalta jos keilaimien asemapaikkoja tullaan muuttamaan jälkeenpäin, tulee huomata, ettei mitään kohteita jää keilaamatta. Tämän huomioiminen korostuu varsinkin suurilla alueilla. Ennen keilauksen aloittamista on huolehdittava tähysten kolmijalkojen huolellisesta pystytyksestä. Kolmijalat on pystytettävä mahdollisimman tukevasti, jotta ne eivät pääse liikkumaan missään välissä. Tämä on syytä tehdä huolella varsinkin silloin jos samoja tähyksiä käytetään eri keilaus asemapaikoista. Jos tähykset pääsevät liikkumaan keilausasemien välissä ja virhettä ei huomata, syntyy pistepilvien sovituksessa virhettä joka osaltaan heikentää tuloksen laatua, tai jopa pilaa tämän. Jos tähys on liikkunut ja tämä huomataan ja korjataan, suosittelen että se otetaan käsittelyyn kokonaan uutena liitospisteenä pistepilven rekisteröinnissä, sillä tähyksen asettaminen täsmälleen samaan korkeuteen on turhan työlästä ja aikaa vievää. Tietysti samojen tähyksien käyttäminen helpottaa rekisteröintivaihetta ja parantaa hieman tarkkuutta, kun erillisiä liitospisteitä on vähemmän. Suuremmilla ja esteisillä alueilla tämä tosin on lähes mahdotonta. Tähyksien kanssa mahdollisesti syntyvät ongelmat jäävät pois lähes kokonaan, jos käytössä on ns. takymetri -laserkeilain. Tällä saadaan mitattua kahden tunnetunpisteen avulla pistepilvi suoraan koordinaatistoon.
3.3.2 Keilaus 20 Ennen keilauksen aloitusta on hyvä tarkistaa, ettei keilaimessa esiinny mitään ulkoisia vikoja tai siihen kuulumatonta. Tämmöisiä ovat muun muassa sormenjäljet tms. siihen kuulumattomat epäpuhtaudet keilaimen ikkunassa. Nämä eivät välttämättä varsinaisesti vaikuta mittaustulokseen, ainakaan suorittamassamme mittauksessa ei ole esiintynyt mitään epäselvyyksiä, mutta tällöin on kuitenkin huomioitava siitä syntyvä virheen mahdollisuus. Laserkeilainta tulee käsitellä varoen, onhan kyseessä arvokas ja herkkiä komponentteja sisältävä mittauslaite. Laserkeilainta pystytettäessä on huolehdittava että se tulee tukevasti kolmijalkojen päälle kantavalle maapohjalle, sekä lukitus kiinni. Tämän jälkeen kytketään virta- sekä tiedonsiirtokaapelit keilaimeen. Kun yhteys tietokoneelta keilaimeen on muodostettu, voidaan tarkistaa tietokoneen välityksellä vielä kerran, että kohteet kuvautuvat halutulla tavalla. Tässä vaiheessa on hyvä kiinnittää huomio alas painuviin kohteisiin. Jos esimerkiksi maasto viettää loivasti alaspäin ja kauempana ei aivan riitä näkemä kuvaamaan viimeistä kohtaa, saatetaan tämä saada mitattua, nostamalla hieman keilaimen korkeutta. Kyseisen esimerkin voi myös joutua tekemään myös päinvastoin. Jos keilattava alue sijaitsee paikassa jossa on liikennettä, on hyvin tärkeää muistaa pitää työturvallisuus asiat mielessä sekä keilaimen että henkilöstön kannalta. Jos keilain joudutaan pystyttämään paikkaan, jossa on mahdollisuus keilaimen kaatumiseen ohikulkijan toimesta, kannattaa keilain eristää selkeästi. Tämän voi tehdä esimerkiksi lippusiimojen tai värikkäiden puuaitojen avulla. Jos taas on olemassa mahdollisuus, että ajoneuvot tai työkoneet osuisivat vahingossa keilaimeen, on keilaimen eristystä hyvä vahvistaa, vaikka ajamalla henkilöauto mahdollisen uhkan tulosuuntaan. Jos tämän kaltainen uhka on olemassa, kannattaa harkita keilaus ajankohdan muuttamista rauhallisempaan. Varsinaisen laserkeilauksen aikana tekijälle jää tehtäväksi määrittää, mitä alueita keilataan, millä tarkkuudella sekä keilauksessa syntyvien pistepilvien tarkkailu. Tarkkuuteen vaikuttavia tekijöitä voidaan määritellä manuaalisesti keilaimen ohjaus/ tallennusohjelman avulla. Näitä asetuksia voidaan muutella itse tarvittavilta osin tai valita valmiista asetuksista tarkoitukseen sopiva.
21 Keilaus on hyvä aloittaa havaitsemalla kaikki tarvittavat (ja näkyvät) tähykset jokaiselta keilausasemapisteeltä. Toimimalla tässä järjestyksessä minimoidaan tähysten unohtamisen riski. Jokainen tähys voidaan nimetä, kun ohjelma on keilauksen jälkeen tunnistanut tähyksen. Myöhempää pistepilvien rekisteröintiä varten on, jokainen tähys koodattava aina samannimiseksi. Tähysten keilauksen jälkeen voidaan tehdä yleissilmäys keilaus ja tämän jälkeen yksittäisten kohteiden mittaus. Keilaimilla voidaan alueesta luoda yleissilmäys, joka mittaa nopeasti koko näkemän laajuisen harvan pistemallin. Vaikka resoluutio on tässä mittauksessa suhteellisen harva, voidaan siitä kuitenkin erotella ympärillä olevat kohteet. Myös maastonmallintamiseen tämän muodostama pistepilvi on tarvittavan kattava. Tämän toiminnon käyttäminen vähentää myös kohteiden unohtamisen riskiä, koska tällä kohteet kuvautuvat ainakin osittain. Mittausten aikana ei kannata poistua laserkeilaimen luota, sekä keilaimen turvallisuuden että tulosten tarkkailun takia. Keilauksen aikana työaseman näytöllä kuvautuu reaaliaikaisena keilauksesta syntyvä pistepilvi. Tällöin on hyvä tarkkailla, ettei tietyltä keilausasemalta jää mitään oleellista keilaamatta. Kun laserkeilain mittaa, voi tämän odotteluajan käyttää hyväkseen esimerkiksi kirjaamalla itselleen muistiin mitä tähyksiä keilauksessa on käytetty, varmuuden vuoksi. Joillakin mittausohjelmilla voi myös määrittää uusia keilauksen kohteita sillä aikaa kun keilain mittaa jo annettuja kohteita. 4 Maastomalli Mikkelin Hänninhaudasta Mikkelin kaupunki on suunnitellut mahdollisesti tulevaisuudessa tekevänsä tekojään Hänninhauta -nimiselle urheilukentälle, joka sijaitsee keskustan läheisyydessä Nuijamiesten kaupungin osassa. Kaupungilla alueesta oleva karttapohja-aineisto on ajantasainen, mutta joiltain osin puutteellinen. Käytännössä tämä tarkoittaa sitä, että alueesta on tarpeeksi kattavat asemakuvat digitaalisessa muodossa, mutta näillä ei ole tarvittavaa korkeustietoa. Alueella ainoat korkeustiedon omaavat elementit ovat sadevesi-, viemäri- ja vesijohtoverkostot.
22 Opinnäytetyössäni halusin tutkia, kuinka laserkeilaamalla voidaan tuottaa maasto- ja ympäristömalli sekä mitä kaikkea se tuo tullessaan. Hänninhaudasta olin ajatellut mallintaa ympäristömallin, joka kuitenkin kutistui maastomalliksi. Kaupungilla on käytössä tarvittavan tarkat sijaintitiedot esimerkiksi rakennuksille, valaisinpylväille, yms. minkä johdosta päädyin pelkän korkeusaineiston luovuttamiseen. Päätökseeni yhtyi suunnittelurakennusmestari Matti Kotajärvi, joka työskentelee Mikkelin kaupungilla teknisen toimen yhdyskuntatekniikan ja ympäristön suunnittelun puolella. Tämä ratkaisu johtui pääosin käytössä olevan ajan puutteesta. Tässä työssä kuitenkin käsittelen myöhemmin, kuinka ympäristönmallintaminen onnistuu pistepilvestä. Liitteissä on projektissa syntynyt korkeusmalli sekä maastomalli, joka ei sisällä korkeustietoa. Nämä ovat CD-formaatissa. Mallinnettava alue ei pidä sisällään aivan koko suunniteltua urakka-aluetta, koska tästä olisi tullut turhan työläs opinnäytetyön laajuuteen nähden. Alueen rajaamista pienemmäksi vahvisti myös myöhemmin ilmennyt mittausajan puute. Olimme Immosen kanssa mitanneet jo aamusta iltapimeään ja saimme juuri ja juuri mitattua nyt mallinnetun alueen, toisin sanoen käytössämme ei ollut kuin yksi päivä keilaukselle varattuna. 4.1 Hänninhaudan laserkeilaus Tässä kappaleessa käyn läpi Hänninhaudan mittausprojektin aikana tehtyjä havaintoja sekä toimenpiteitä, alkaen suunnittelusta mittauksen toteutukseen. Luvussa selvitän myös käytössä olleen mittauslaitteiston sekä mallinnusohjelmiston ominaisuuksia. 4.1.1 Työn suunnittelu Hänninhaudan mittauksen suunnitteluvaiheessa kävin paikan päällä katsomassa ja valokuvaamassa maastoa noin kaksi kuukautta ennen varsinaista keilausta. Tuolloin mietin laserkeilaimen paikat valmiiksi, joiden perusteella valitsin tähyksien paikat, jotka näkyisivät kaikille keilainasemille. Alueelle oli tuotava takymetrillä lisää tunnettuja pisteitä, koska lähistöllä olemassa oleva pisteistö oli harvaa ja vain yhdellä pisteistä oli korkeustieto. Varmuuden vuoksi
päätin mitata myös ylimääräisiä pisteitä, jos nämä paikat eivät jäisi pysyviksi. Mittauksen suoritin Trimblen S6-takymetrillä, josta mittaustiedosto on liitteenä (1). 23 Maaston osalta ongelmaksi melkein muodostui pitkä heinikko jyrkässä rinteessä, jota ei olisi voinut leikata muulla kuin erikoiskoneella. Tämä olisi antanut todella väärän kuvan maaston muodoista, sillä heinikko oli reilusti yli polven korkuista. Asian huomasin ajoissa jolloin tilanne saatiin korjattua. Mallinnusalueella oli myös pusikkoa, mutta sitä ei edes harkittu poistettavaksi pelkästään mittausta varten. Tässä tapauksessa toivottiin, että pusikon läpi saataisiin hajapisteitä, joiden avulla maanpinnan taso voitaisiin mallintaa. Mahdollisesti heijastavat pinnat tutkin myös ennalta. Mahdollisia heijastavia pintoja, joita alueella on, ovat muun muassa galvanoidut valotolpat, rakennusten ikkunat ja niin edelleen. En uskonut, että nämä muodostuvat ongelmaksi maaston mallintamisessa, joten tähän en kiinnittänyt sen suurempaa huomiota. Laserkeilaukseen kuluvasta ajasta minulla ei ollut minkäänlaista varmuutta, mutta arvelin että se olisi suoritettu normaalin työpäivän puitteissa, noin kahdeksassa tunnissa. Myöhemmin selvisi, että aikaa olisi tarvittu enemmän. 4.1.2 Valmistelu Laserkeilaus sijoittui urheilukentälle ja sen ympäristöön, joten oli tärkeää varmistaa, ettei kentällä ole käyttöä aiottuna mittaushetkenä. Ennen kuin sovimme keilauksen ajankohdan, varmistin Mikkelin kaupungin internetsivuilta WebTimmi -ohjelmasta ettei kentällä ollut tapahtumia tai varauksia kyseisenä ajankohtana. /9/ Kuten aikaisemmin mainitsin, oli alueelle tuotava lisää tunnettuja pisteitä. Mittausteni lähtöpisteinä käytin kaupungin kiintopisteitä, joiden tietojen paikkansa pitävyyden olin aikaisemmin varmistanut kaupungin yhdyskuntatekniikan mittaryhmältä. Uusien pisteiden mittauksessa käytin pelkästään takymetriä, en siis vaainnut pisteille korkeutta erikseen. Mittaukset tein keilausta edeltävänä iltana ja samana aamuna. Samalla tarkistin ettei alueella ole tapahtunut mullistavia muutoksia, joita ei ollut.