Analiza jakości wyników mobilnego skaningu laserowego w kontekście inwentaryzacji infrastruktury transportowej 2

Transkrypt

1 Krzysztof Nowel 1 Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie Analiza jakości wyników mobilnego skaningu laserowego w kontekście inwentaryzacji infrastruktury transportowej 2 Wprowadzenie Skaning laserowy jest to jedna z najnowocześniejszych i niezwykle szybko rozwijających się technologii pomiarowych. Pozwala bezkontaktowo mierzyć do punktów w ciągu 1 sekundy i tworzyć z nich bardzo dokładny i użyteczny rysunek 2D lub model 3D. Znajduje zastosowanie w coraz nowszych dziedzinach nauki i techniki, szczególnie w opracowywaniu map i różnych modeli związanych z infrastrukturą drogową, kolejową i morską [1, 2, 4, 5]. Większość ogólnie dostępnych skanerów laserowych nie posiada odpowiedniej specyfikacji technicznej dotyczącej dokładności, precyzji czy zachowania w różnych warunkach. Duża konkurencyjność na rynku skanerów laserowych 3D powoduje, iż producenci nie ujawniają szczegółowych danych technicznych [3]. Ponadto niewiele instrumentów jest przetestowanych przez niezależne instytucje pod względem ich pracy i potwierdzenia parametrów podawanych przez producentów, a zestandaryzowana procedura badająca te parametry nie została jeszcze niestety opracowana. W naszym kraju brakuje specjalistycznej literatury, a podawane przez producentów w publikacjach i broszurach informacje są bardzo ogólne. Szczegółowe testy badające naziemne skanery laserowe są obecnie niezbędne do porównania i potwierdzenia podawanych parametrów. Firmy nie mają wystarczającej informacji na temat możliwości tej technologii i boją się wydać np zł na zakup technologii, o której niewiele wiedzą. Pomiar skanerem laserowym często obarczony jest błędami wynikającymi z wpływu różnych warunków, dlatego też znaczenia nabiera poznanie źródeł ich występowania, dzięki czemu uniknąć będzie można sytuacji, które bezpośrednio powodują powstawanie tych błędów. W celu osiągnięcia rezultatów pomiaru danego obiektu czy jakiegoś obszaru, spełniających założenia dokładnościowe ustalone dla konkretnego projektu, niezbędna jest poznanie możliwości dokładnościowych wykorzystywanej technologii. Znajomość zasad funkcjonowania oraz możliwości tej technologii umożliwia wydajne i skuteczne jej wykorzystanie. W odpowiedzi na rosnące w naszym kraju zapotrzebowanie na informacje związane z tą technologią powstała niniejsza praca. Wykonany w ramach prezentowanej pracy projekt badawczy posłużył do szczegółowego scharakteryzowania zachowania się wiązki lasera w zależności od zmieniających się warunków pomiarowych. Wykonano testy badające dokładność pomiaru położenia pojedynczych punktów oraz zbadano zdolność odbijającą powierzchni w zależności od jej koloru. Przedmiotem powyższych testów był skaner laserowy Scanstation firmy Leica Geosystems. Mobilny skaning laserowy Głównym zadaniem mobilnego skaningu jest wykonywanie pomiarów skanerem laserowym, zamontowanym na ruchomej platformie. Działa on w trybie profilowania, tzn. jego praca odbywa się tylko w jednej płaszczyźnie. Sprzęt może być zainstalowany zarówno na samochodzie, jak i łodzi, dźwigu czy drezynie poruszającej się po torach kolejowych (rysunek 1). Dane ze skanera w postaci chmury punktów poddawane są obróbce wraz z informacjami z dwóch dodatkowych sensorów wyznaczających pozycję: inercjalnego i satelitarnego GPS. Wynikiem tego typu pomiarów jest chmura punktów, których współrzędne są korygowane ze względu na zakłócenia ruchu pojazdu i zorientowane przestrzennie w globalnym układzie współrzędnych WGS-84. Mobilny skaning tworzą więc: skaner laserowy, inercyjny system wyznaczania pozycji oraz zestaw odbiorników GPS. Skaner laserowy posiada obrotową głowicę i pracuje tylko w jednej płaszczyźnie. Posiada zasięg około 100m, a prędkość skanowania wynosi pkt/s. Elementem segmentu inercyjnego jest jednostka pomiarowa z trzema akcelerometrami i trzema żyroskopami. Na pojeździe zainstalowany jest odometr, który dostarcza precyzyjnych danych o przebytej drodze. Ta część systemu odpowiada za określanie wszystkich parametrów ruchu pojazdu (pozycji względnej, prędkości liniowej, przyspieszenia, orientacji i zakłóceń kątowych ruchu pojazdu). 1 Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie, Wydział Geodezji, Inżynierii Przestrzennej i Budownictwa; Olsztyn; ul. Oczapowskiego 1. Tel: , krzysztof.nowel@uwm.edu.pl 2 Artykuł recenzowany. Logistyka 1/

2 Rys. 1. Mobilny skaning laserowy [6]. Zestaw uzupełniają najczęściej dwa dwuczęstotliwościowe odbiorniki GPS. Jeden z nich (zwany stacjonarnym) pracuje jako instrument podstawowy i dostarcza danych o pozycji pojazdu. Drugi (określany mianem ruchomego) pełni funkcję elektronicznego kompasu. Pomiary z obu anten nie są wykorzystywane w trybie czasu rzeczywistego, tylko poddawane postprocessingowi razem z danymi z stacji bazowej (lub permanentnie działającej stacji referencyjnej). Podzespoły systemu inercyjnego i satelitarnego są spięte w centralnym komputerze, który odpowiada za przetwarzanie i gromadzenie danych. Na rysunku 2 zaprezentowano przykład modelu uzyskanego z mobilnego skaningu laserowego. Dokładność wynikowa wytworzonego modelu (rysunek 2, prawa część) jest na poziomie kilku centymetrów [7]. Rys. 2. Po lewej chmura punktów z mobilnego skaningu, po prawej model 3D drogi [7]. Logistyka 1/

3 Testy terenowe Jak już wspomniano, celem testów terenowych było określenie wpływu warunków geometrycznych skanowania oraz barwy skanowanej powierzchni na jakość wyników skaningu laserowego. W tym celu zbudowano specjalne pole testowe. Prace obejmowały dwa testy. W teście 1 przeprowadzono analizę dokładności współrzędnych punktów pomierzonych skanerem laserowym oraz zbadano wpływ zmiany odległości skanowania i kąta padania promienia laserowego na tą dokładność. Natomiast w teście 2 zbadano zdolność i jakość odbicia promienia laserowego w zależności od koloru skanowanej powierzchni oraz zbadano wpływ zmiany odległości skanowania i kąta padania promienia laserowego na tą jakość odbicia. Pomiary do obu testów zrealizowano z 5 stanowisk: stanowisko 1, odległość do pola testowego wynosiła 40m, kąt padania promienia laserowego na pole testowe wynosił 90, (zmiana kąta padania promienia laserowego) stanowisko 2, odległość do pola testowego wynosiła 40m, kąt padania promienia laserowego na pole testowe wynosił 50, stanowisko 3, odległość do pola testowego wynosiła 40m, kąt padania promienia laserowego na pole testowe wynosił 10, (zmiana odległości od pola testowego) stanowisko 4, odległość do pola testowego wynosiła 100m, kąt padania promienia laserowego na pole testowe wynosił 90, stanowisko 5, odległość do pola testowego wynosiła 180m, kąt padania promienia laserowego na pole testowe wynosił 90. Test 1 - zmiana warunków geometrycznych Pomiary do wybranych punktów wykonano metodą skaningu laserowego oraz dokładniejszą klasyczną metodą geodezyjną. W pierwszej kolejności określono położenie przestrzenne tarczek celowniczych znajdujących się na polu testowym (rysunek 3). Rys. 3. Badane punkty (źródło: opracowanie własne). Następnie z obliczonych współrzędnych obliczono długości składowych poziomych i pionowych pomiędzy punktami. Wielkości z pomiaru metodą klasyczną przyjęto za teoretyczne. Wyniki te porównano z wynikami zarejestrowanymi przez skaner laserowy. Na rysunku 4 przedstawiono graficzną interpretację wyników dla dokładności pomiaru w zależności od zmiany kąta padania wiązki lasera oraz zmiany odległości skanowania. Rys. 4. Dokładność pomiaru (źródło: opracowanie własne). Logistyka 1/

4 Z zaprezentowanych danych wynika, że zmiana warunków geometrycznych skanowania ma znikomy wpływ na dokładność pomiaru długości składowych. Wraz ze wzrostem odległości skanowania błąd średni składowej poziomej wzrasta z 6mm (40m) do 7mm (100m, 180m), natomiast składowej pionowej z 1mm (40m) do 2mm (100m, 180m). Zmiana kąta padania wiązki lasera również ma minimalny wpływ na uzyskiwane wyniki. Błąd średni długości składowej poziomej zmienia się z 6mm (90 ) na 4mm (50 ), 7mm (10 ), natomiast składowej pionowej z 1mm (90 ) na 4mm (50 ), 3mm (10 ). Dla skaningu laserowego tej wielkości różnice nie mają większego znaczenia. Można zatem stwierdzić, iż pomiędzy warunkami geometrycznymi skanowania, a dokładnością pomiaru korelacja nie zachodzi. Test 2 - zmiana barwy skanowanej powierzchni Test ten wykonano w celu zbadania wpływu barwy powierzchni oraz kąta padania wiązki lasera i odległości skanowania na jakość odbicia sygnału. Przeanalizowano dwie wielkości: precyzję pomiaru oraz wartość intensywności. Rozpatrywano sześć kolorów: biały, zielony, niebieski, czerwony, czarny, ceglasty. Precyzję pomiaru obliczono na podstawie odległości poszczególnych punktów zeskanowanej próbki od wpasowanej w nie płaszczyzny. Miarą precyzji było odchylenie średnie kwadratowe (jako estymator odchylenia standardowego). Wartość intensywności pomiaru obliczono jako średnią arytmetyczną z wartości intensywności wszystkich punktów zeskanowanej próbki. Miarą intensywności punktu był stosunek ilości promieniowania rozproszonego w kierunku nadajnika do promieniowania wyemitowanego. Na rysunku 5 przedstawiono graficzną interpretację wyników dla precyzji pomiaru wszystkich sześciu kolorów w zależności od zmiany kąta padania wiązki lasera oraz zmiany odległości skanowania. Rys. 5. Średnia precyzja w zależności od zmiany odległości oraz kąta skanowana (źródło: opracowanie własne). Ponadto, dla jednego ze stanowisk przedstawiono wzajemne przestrzenne położenie wymodelowanych płaszczyzn (rysunek 6). Rys. 6. Wzajemne położenie wymodelowanych płaszczyzn (stanowisko 1, odległość 40m, kąt 90 ); (źródło: opracowanie własne). Logistyka 1/

5 Pomiary kolorowych próbek nie pokazały istotnej zależności pomiędzy barwą obiektu, a uzyskana precyzją. Wartości błędów zmieniały się w bardzo wąskim przedziale w zależności od koloru. Rozpatrując wpływ zmiany odległości skanowania na precyzję pomiaru zauważono, że wartości odchyleń dla koloru ceglastego, czarnego i czerwonego rosną liniowo wraz ze zwiększaniem odległości skanowania (od ok. ± 3 mm dla odległości 40 m do ok. ± 4 mm przy 180 m). Z kolei w przypadku koloru białego, zielonego i niebieskiego zmiana dystansu z 40m do 100m nie powoduje spadku precyzji (ok. ± 2.5 mm dla obu odległości). Dopiero przy odległości 180m widać wzrost średniego odchylenia do ok. ± 3.5 mm. Interesujące rezultaty dały pomiary wykonane ze stanowisk rozmieszczonych pod różnymi kątami do badanej powierzchni. Widać, że dla mniejszych kątów padania wiązki lasera wartości średniego odchylenia kwadratowego dla koloru białego, zielonego i niebieskiego maleją od ± 2.8 mm dla kąta 90 do ± 0.8 mm dla kata 10. Nie należy mylić powyższej charakterystyki dokładnościowej z błędem pomiaru odległości. Odchylenie średnie kwadratowe opisuje tylko odległość punktów od wyaproksymowanej z nich płaszczyzny. Z kolei kolory ceglasty, czarny i czerwony przy kątach 50 i 10 nie wykazują zdolności odbicia (brak punktów odbitych). Analiza intensywności polegała natomiast na odczytaniu poszczególnych wartości tej wielkości dla całego badanego obszaru i obliczeniu średniej arytmetycznej. Na rysunku 7 przedstawiono graficzną interpretację pomierzonej intensywności dla wszystkich sześciu kolorów w zależności od zmiany kąta padania wiązki lasera oraz zmiany odległości skanowania. Rys. 7. Średnia intensywność w zależności od zmiany odległości oraz kąta skanowania (źródło: opracowanie własne). Ponadto, dla jednego ze stanowisk przedstawiono wszystkie pomierzone chmury punktów w tonacji intensywności odbicia (rysunek 8). Rys. 8. Kolejno powierzchnia biała, niebieska, czerwona, ceglasta, zielona, czarna (stanowisko 5, odległość 180m, kąt 90 ) (źródło: opracowanie własne). Logistyka 1/

6 Analiza średniej intensywności punktów pokazała odwrotnie proporcjonalną zależność w stosunku do średnich odchyleń kwadratowych. Im większa jest wartość intensywności tym mniejsze odchylenie średnie kwadratowe. Zgodnie z oczekiwaniami wartości średniej intensywności nieznacznie malały wraz ze zwiększaniem odległości skanowania. Dla odległości 40m uzyskano średnią intensywność równą ok , a dla odległości 180m średnia intensywność wynosi około Nie wykryto natomiast zależności pomiędzy kątem padania wiązki lasera, a intensywnością odbicia od kolorów białego, zielonego i niebieskiego. Barwy te w przeciwieństwie do pozostałych badanych kolorów są odporne na zmianę kąta padania promienia laserowego i nawet przy kącie 10 ich zdolność odbicia pozostaje niezmieniona. Wnioski Obecnie trudno sobie wyobrazić dobrą inwentaryzację dróg, torów kolejowych czy infrastruktury portów morskich bez technologii skaningu laserowego. Mając na uwadze rosnące w naszym kraju zapotrzebowanie na informacje związane z tą technologią jak również nasilającą się potrzebę zweryfikowania niektórych parametrów technicznych podawanych przez producentów przeprowadzone zostały w ramach niniejszej pracy dwa testy. Na podstawie rezultatów tych testów sformułowano wnioski opisujące zachowanie się skanera laserowego w zależności od zmieniających się warunków geometrycznych pomiaru oraz barwy skanowanej powierzchni. Ogólna charakterystyka otrzymanych rezultatów zamieszczona została poniżej. Pomiary punktów rozmieszczonych na polu testowym nie wykazały zależności pomiędzy warunkami geometrycznymi skanowania, a dokładnością pomiaru współrzędnych. Wszystkie uzyskane błędy średnie pozycji 3D zawierają się w wąskim przedziale od ± 4mm do ± 6mm i mieszczą się w dokładności podawanej przez producenta (± 6mm). Wyniki pomiarów kolorowych próbek ze stanowisk usytuowanych pod kątem 90 do badanej powierzchni wykazały minimalną zależność pomiędzy barwą obiektu, a precyzją pomiaru. Najlepsze wyniki otrzymano dla koloru białego i zielonego (±2.9mm), najgorsze natomiast dla koloru ceglastego (± 3.7mm). Również zmiana odległości skanowania miała niewielki wpływ na jakość pomiaru. Przy odległości 180m precyzja spadła dla każdego z kolorów średnio o ±1mm. Można stwierdzić, iż dla skaningu laserowego tej wielkości różnice nie mają większego znaczenia. Ponadto analiza pomierzonej intensywności doprowadziła do potwierdzenia wniosku, iż istnieje bezpośrednia zależność pomiędzy średnią wartością intensywności oraz średnim odchyleniem kwadratowym pomierzonych punktów od wyaproksymowanej z nich płaszczyzny. Im intensywność odbicia była większa, tym pomiar był bardziej precyzyjny. Niezwykle istotne i zastanawiające wyniki dały obserwacje wykonane ze stanowisk usytuowanych pod mniejszymi kątami do pola testowego (50, 10 ). Okazało się, iż przy takich warunkach geometrycznych kolory ceglasty, czarny, czerwony nie wykazują zdolności odbicia. Kolory biały, zielony niebieski są odporne na zmianę kąta padania promienia laserowego i nawet przy kącie 10 ich zdolność odbicia pozostaje niezmieniona. W przyszłości dla koloru ceglastego, czarnego, czerwonego testy powinny zostać powtórzone dla mniejszego interwału kątowego (pomiędzy 90 i 50 ). Po wykonaniu takich pomiarów będzie można określić graniczny kąt, przy którym zanika zdolność odbicia wiązki lasera od trzech wyżej wymienionych barw. Warto zauważyć, iż uzyskane wyniki dotyczą kolorowych gładkich powierzchni. Pojawia się zatem pytanie: czy ceglaste, czarne lub czerwone powierzchnie o innej strukturze (np. chropowatej) wykazują podobną zdolność odbicia? Ten problem powinien również być tematem dalszych badań. Reasumując można stwierdzić, iż czynniki takie jak warunki geometryczne skanowania, czy barwa skanowanej powierzchni w niektórych przypadkach mają wpływ na wyniki pomiaru skaningiem laserowym. W związku z tym wykonane w ramach prezentowanej pracy testy można potraktować jako wstęp i inspirację do przeprowadzenia następnych, bardziej zaawansowanych badań dotyczących technologii mobilnego skaningu laserowego. Streszczenie Mapy i modele (w tym 3D) dróg, torów kolejowych czy portów morskich odgrywają zasadniczą rolę w transporcie i logistyce. W działaniach praktycznych związanych z pozyskiwaniem danych pomiarowych dla tego celu, coraz większe zainteresowanie wzbudza technologia skaningu laserowego, szczególnie mobilnego skaningu laserowego. Niestety, pomiar skaningiem laserowym (jak każdy inny pomiar) jest obarczony błędami. W przypadku skaningu laserowego wielkość tych błędów zależy od kilku czynników. W niniejszej pracy zbadano wpływ dwóch czynników, które zmieniają się najbardziej w trakcie skanowania mobilnego. Tymi czynnikami są warunki geometryczne skanowania oraz barwa skanowanej powierzchni. Przeprowadzone badania mają istotne znaczenie dla wydajnego i skutecznego wykorzystania technologii mobilnego skaningu laserowego, szczególnie w inwentaryzacji infrastruktury transportowej. Słowa kluczowe: mobilny skaning laserowy, drogi, mapa, model 3D. Logistyka 1/

7 The quality analysis of the mobile laser scanning results in the context of the transport infrastructure inventory Abstract Maps and models (including 3D) roads, railways and sea ports play an essential role in transport and logistics. In practical activities related to the acquisition of measurement data for this purpose, it is increasingly clear interest in laser scanning technology, especially mobile laser scanning. Unfortunately, the measurement of laser scanning (like any other measurement) is affected by errors. In the case of laser scanning magnitude of these errors it depends on several factors. In the present study we investigated the effect of two factors that change the most during the scanning of the mobile. These factors include the conditions of geometric scanning, and color scanned surface. The studies are important for efficient and effective use mobile laser scanning technology, especially in transport infrastructure inventory. Keywords: mobile laser scanning, roads, map, 3D model. LITERATURA / BIBLIOGRAPHY [1] Flood M., Laser Altimetry: From Science to Commercial Lidar Mapping, Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, Journal of The American Society for Photogrammetry and Remote Sensing, 67(11), [2] Kholodkov A., Matysik K., Matysik M., Szulwic J., Tysiąc P. i Wojtowicz A., Morski skaning laserowy infrastruktury portowej na przykładzie portu we Władysławowie, Logistyka, nr 6/2014. [3] Magazyn geoinformacyjny: Geodeta, Skanuj w 3D, Opracowanie redakcji, [4] Nowak A., Sobieraj A. i Szulwic J., Porównanie wyników pomiarów mas ziemnych wykonanych metodą skaningu laserowego i GNSS w kontekście inwestycji komunikacyjnych, Logistyka, nr 6/2014. [5] Szafranko E., Pawłowicz J. A., Możliwości wykorzystania technologii skaningu laserowego 3D w zarządzaniu obiektami mostowymi, Logistyka, nr 6/2014. [6] Ussyshkin, V., Mobile Laser Scanning Technology for Surveying Application: From Data Collection to End-Products, FIG Working Week, Israel, [7] Zampa, F., Conforti, D., Mapping with Mobile Lidar. GIM International, 4(23), Logistyka 1/