IDENTYFIKACJA LINII KOLEJOWEJ Z WYKORZYSTANIEM LOTNICZEGO SKANINGU LASEROWEGO RAILWAY LINE IDENTIFICATION USING AIRBORNE LASER SCANNING

Transkrypt

1 DOI: Acta Sci. Pol., Formatio Circumiectus 13 (4) 2014, IDENTYFIKACJA LINII KOLEJOWEJ Z WYKORZYSTANIEM LOTNICZEGO SKANINGU LASEROWEGO RAILWAY LINE IDENTIFICATION USING AIRBORNE LASER SCANNING Izabela Piech, Bartłomiej Pysz Uniwersytet Rolniczy w Krakowie Streszczenie. Przedmiotem badań było określenie możliwości rozpoznawania elementów linii kolejowej na lotniczej chmurze punktów i wykorzystanie tego typu opracowań w geodezji inżynieryjnej. Obiekt opracowania stanowił fragment odcinka kolejowego w miejscowości Bochnia. Badania obejmują ogólny opis technologii LiDAR i lotniczego skaningu laserowego, identyfikację części elementów z linii kolejowej, które spełniają wymagania dokładnościowe, potwierdzone pomiarami kontrolnymi. Następnie omówiono sposób zaprezentowania opracowanej chmury punktów za pomocą nałożenia na nią tekstury ze zdjęcia lotniczego. Abstract. The investigations was to recognize the elements of the railway line on the airborne point clouds and using this type of studies in Engineering Geodesy. The object was elaborate on the part of the railway line in the Bochnia City. Such works contains an overview of LiDAR technology and an airborne laser scanning, the identification of the elements of the railway from the point clouds line, fulfil the requirements of precision, which confirmed control measurements. Next discusses how to present point clouds by imposition texture from a aerial photography. Słowa kluczowe: lotniczy skaning laserowy, chmura punktów, linia kolejowa, wektoryzacja, oprogramowanie Leica Cyclone. Key words: airborne laser scanning, point clouds, railway line, vectorization, Leica Cyclone software. Adres do korespondencji Corresponding authors: dr inż. Izabela Piech, Katedra Geodezji Rolnej, Katastru i Fotogrametrii, Uniwersytet Rolniczy w Krakowie, ul. Balicka 253a, Kraków, inż. Bartłomiej Pysz, absolwent Wydziału Inżynierii Środowiska i Geodezji, impiech@cyf-kr.edu.pl.

2 204 I. Piech, B. Pysz WSTĘP Postęp techniczny wymusza stworzenie nowych metod pozyskiwania danych z szeroko rozumianej platformy lotniczej, za którą uważać można kamery cyfrowe oraz skanery laserowe wraz z całym systemem. Duża liczba ukończonych i nowo powstających projektów polegających na zdobyciu właściwych danych terenowych, opiera się na systemach lidarowych. Coraz więcej zleceniodawców oczekuje zastosowań pomiarów lidarowych, a konkretnie lotniczego skaningu laserowego, do zadań z dziedziny geodezji inżynieryjnej. Badania nad przydatnością lotniczego skanera laserowego do mierzenia linii kolejowych mogą prowadzić do ich unowocześnienia i ulepszenia na całym obszarze kraju. Przeprowadzona próba została wykonana na podstawie danych uzyskanych z Katedry Geoinformacji, Fotogrametrii i Teledetekcji Środowiska Akademii Górniczo- Hutniczej w Krakowie. Struktura LiDAR ma swój początek w sposobie dokonywania pomiarów i wykorzystania do tego celu odpowiednich urządzeń technicznooptycznych. Pojęcie to charakteryzuje różne metody pozyskania danych o obiektach, jednak oparte na tych samych prawach technicznych. W grupie lidarowych wyróżnia się trzy ich rodzaje: ALS (Aiborne Laser Scanning) lotniczy skaning laserowy, TLS (Terrestrial Laser Scanning) statyczny skaning laserowy, MLS (Mobile Laser Scanning) mobilny skaning laserowy. Koncepcja tych trzech rodzajów opiera się na działaniu tachimetrów elektronicznych [Kurczyński 2006], a ściślej na pracy ręcznych dalmierzy elektromagnetycznych mierzących odległość między dwoma punktami. Jednakże różnica w uzyskaniu danych wiąże się z współpracą systemów GPS i INS (aby uzyskać współrzędne terenowe) w przypadku lotniczego oraz mobilnego skaningu. Uzupełnieniem w systemach mobilnych są odometry [Geodeta 2008], pozwalające określić własności ruchu pojazdu. W przypadku TLS określenie punktów w terenowym układzie współrzędnych, wykorzystuje się punkty osnowy lub w nowszych skanerach, odbiorniki GPS. Zdobycie numerycznej reprezentacji powierzchni lub obiektów wiąże się z uprzednim przygotowaniem planu działania obejmującego w swym zakresie w miarę pełną informację o opracowywanym obszarze. Podstawowymi źródłami w przypadku lotniczego skaningu są specjalne mapy lotnicze pomagające wyrysować kurs lotu (samolotu lub śmigłowca) oraz mapy topograficzne umożliwiające określenie średniej wysokości mierzonego terenu. Ważnym aspektem jest też znajomość intensywności zabudowy i zieleni, co pozwoli na uniknięcie pustych plam na opracowywanym odcinku. W metodzie mobilnego skanowania, planowanie pomiaru laserowego opiera się w znacznej mierze na wyznaczeniu toru jazdy, a w metodzie statycznej na oznaczeniu skanowanych elementów biało-czarnymi tarczami, pomagającymi łączyć ze sobą oddzielne skany z pojedynczych stanowisk skanera. Liczba pozyskanych punktów zależy od charakteru i wielkości wykonywanego projektu. Jednakże każda praca pomiarowa tego typu przynosi kilka milionów punktów, które trzeba opracować wykorzystując specjalistyczne oprogramowanie. Acta Sci. Pol.

3 Identyfikacja linii kolejowej z wykorzystaniem lotniczego skaningu laserowego 205 CEL BADAŃ Celem badań była próba wyodrębnienia z chmury punktów mało gabarytowych elementów, takich jak torowisko kolejowe i sieć trakcyjna oraz częściowa próba omówienia możliwości metody zastosowanej do tego typu prac geodezyjno-inwentaryzacyjnych. Powstanie niniejszej publikacji miało również na celu uzyskanie odpowiedzi, czy jest szansa wykorzystania chociaż w części technologii lotniczego skaningu laserowego do precyzyjnych prac geodezyjnych. Za analizowany odcinek trasy kolejowej posłużył dworzec w miejscowości Bochnia oraz tereny bliskiego otoczenia dworca. OBSZAR BADAŃ Badana trasa kolejowa położona jest na szlaku E30/C-E-30, jako część linii kolejowej III Paneuropejskiego Korytarza Transportowego [Rynek Kolejowy b.d.]. Szlak ten jest głównym (a nawet jedynym) łącznikiem południowej Polski z pozostałymi krajowymi miastami oraz z miastami krajów sąsiadujących, Niemiec i Ukrainy. Długość opracowanego obszaru, w skład którego wchodzą tereny dworca w Bochni oraz pobliskie obszary od strony Krakowa, wynosi 2130 m. Ryc. 1 obrazuje część terenu stanowiącego przedmiot opracowania. Wybór odpowiednich elementów do utworzenia kompleksowej jednostki pomiarowej ma na celu osiągnięcie wymaganych założeń dokładnościowych, użytkowych ekonomiczno-eksploatacyjnych. Fotogrametryczne firmy na świecie są zaopatrzone w różnorodną konfigurację umożliwiającą wykonywanie specjalistycznych pomiarów Ziemi. Ryc. 1. Teren opracowania Fig. 1. Terrain of study Formatio Circumiectus 13 (4) 2014

4 206 I. Piech, B. Pysz Główną przeszkodą do uzyskania zaplanowanych dokładności pomiarowych są duże koszty zakupu urządzeń. Najczęstszym przypadkiem jest kupowanie skanera dla już posiadanego samolotu. Opracowana chmura punktów została wykonana przez firmę MGGP Aero Sp. z o.o. z Tarnowa urządzeniem skanującym Riegl LMS-Q680i, zamontowanym na pokładzie samolotu Cessna T206H NAV III [Pyka 2010]. Fragment badanej chmury punktów jest częścią 30 km odcinka (Szarów Sterkowiec) pomierzonego przez firmę MGGP Aero. Obszar został wybrany ze względu na dużą i różnorodną ilość elementów wchodzących w skład linii kolejowej pozwalających kompleksowo identyfikować je na chmurze punktów. Uzyskanie chmury odbywało się na wysokości 500 m i dało gęstość około 11 pkt/m 2 ze średnią odległością punktów od siebie 0,29 m. Warto dodać, iż geometria całego 30 km odcinka była wzmacniana pasami chmur do głównego kierunku lotu oraz terenowymi pomiarami tachimetrycznymi płaszczyzn referencyjnych (najczęściej dachy pobliskich budynków (ryc. 2). Ryc. 2. Płaszczyzny referencyjne Fig. 2. Reference of surface Zastosowanie programu RiProcess firmy Riegl do zbadania wektorów płaszczyzn referencyjnych uzupełnia statystyki dotyczące dokładności pozyskanych informacji naziemnych. Odchylenie standardowe dla tych wektorów wpasowywanych do chmury punktów wynosiło 4,2 cm [Pyka 2010]. METODYKA BADAŃ Przygotowanie danych powiązane jest ściśle z uprzednim stworzeniem bazy posiadającej tylko potrzebne informacje do rozpatrywanego problemu. Wszystkie etapy opracowania, a więc od załadowania punktów do utworzenia modelu wybranych Acta Sci. Pol.

5 Identyfikacja linii kolejowej z wykorzystaniem lotniczego skaningu laserowego 207 elementów linii kolejowej, przygotowano w oprogramowaniu Cyclone 7.3 firmy Leica Geosystems. Załadowanie chmury punktów do obszaru roboczego odbywa się przez okno Cyclone-Navigator. Czas wczytywania danych lidarowych (Cyclone pozwala na import plików z różnym typem rozszerzenia) jest bardzo zróżnicowany w zależności od wielkości i ilości załadowywanych w jednym czasie plików. Pojawienie się w drzewku katalogowym ikon o nazwie ModelSpace kończy proces wgrywania chmury do postaci umożliwiającej jej edytowanie. FILTRACJA Filtracja chmury punktów z obszarów sąsiadujących oraz szumów, czyli punktów niemających żadnego zastosowania, jest procesem umożliwiającym pokazaniem tylko interesujących elementów, jak również zoptymalizowanie całej przestrzeni roboczej. Do usuwania zbędnych punktów istnieją wbudowane filtry, umożliwiające w dużej części przyśpieszenie tego procesu. Ze względu na charakter danych, szczególnie na występujące linie trakcyjne, postanowiono dokonać ręcznego usunięcia zbędnych punktów, jako że trudno byłoby kontrolować działanie filtrów na występujących obiektach. Ryc. 3 i 4 przedstawiają różnice między surową chmurą a chmurą z wykonaną filtracją. Wykonanie poprawnej wektoryzacji, a zarazem identyfikacji szyn i elementów trakcji, wynika w dużej mierze z wyboru poszczególnych punktów, wchodzących w skład danego obiektu. Wybór wartości odbicia był wskazywany ręcznie poprzez wybór pojedynczego kolorowego punktu na interesującym elemencie. W tym przypadku opcja Cut by Intensity (ryc. 5), była użyteczna tylko do wyodrębnienia szyn, natomiast do trakcji kolejowej była nieskuteczna. Powodem tej nieskuteczności był fakt, iż intensywność dla trakcji była taka Ryc. 3. Teren opracowania przed czyszczeniem Fig. 3. Terrain of study before cleaning Formatio Circumiectus 13 (4) 2014

6 208 I. Piech, B. Pysz Ryc. 4. Teren opracowania po czyszczeniu Fig. 4. Terrain of study after cleaning Ryc. 5. Działanie funkcji Cut by Intensity Fig. 5. Operation of function Cut by Intensity sama jak dla roślinności i podział chmury nie dawał żadnych oczekiwanych rezultatów. Ta niedogodność zmuszała do wykonywania dalszych prac (szczególnie wektoryzacji) w chmurze zawierającej nie potrzebne na ten czas punkty. Acta Sci. Pol.

7 Identyfikacja linii kolejowej z wykorzystaniem lotniczego skaningu laserowego 209 WEKTORYZACJA Wektoryzacja to określenie osi lub obszaru obiektów przez nadanie im elementów geometrycznych (linia, polilinia), pomiędzy punktami w chmurze. Takie działanie umożliwia import cech opracowania do innych oprogramowań inżynierskich niepotrafiących odczytać chmury punktów. Na przygotowanej chmurze punktów (ryc. 6) przystąpiono do próby określenia biegu elementów linii kolejowej, mając na uwadze jej podstawowe parametry geometryczne, szczególnie rozstaw pojedynczego torowiska. Wektoryzację przeprowadzono ręcznie po pojedynczych punktach na główkach szyn, przewodach kolejowych i na konstrukcjach wsporczych. Stworzenie polilinii (ciągła łamana linia, jako pojedynczy obiekt) zaczyna się od wielokrotnego wyboru pojedynczych punktów, które będą stanowić załamania nowo powstałej polilinii (ryc. 7). Ryc. 6. Reprezentacja torowiska na chmurze Fig. 6. Representation of railway line in point clouds Wykonanie modelowania w sposób manualny, o jakim była mowa wyżej, jest procesem czasochłonnym, szczególnie dla obiektów wchodzących w skład trakcji kolejowej. Tymczasem nie umniejsza to rangi opracowania ze względu na fakt, iż wybór punktów tworzących linie musiał być na tyle precyzyjny, aby jak najdokładniej pokazać przebieg wektoryzowanych elementów. Ryc. 8 przedstawia końcowy efekt pracy nad poszczególnymi osiami szyn. Jak już wspomniano, prace nad wektoryzacją szyn kolejowych przeprowadzono na kopii chmury punktów specjalnie do tego celu przygotowanej. Natomiast identyfikacja sieci trakcyjnej odbywała się na oryginalnej chmurze. W przypadku tego opracowania Formatio Circumiectus 13 (4) 2014

8 210 I. Piech, B. Pysz Ryc. 7. Osie sieci kolejowych Fig. 7. Axis of railway network Ryc. 8. Szyny kolejowe jako polilinia Fig. 8. Trainlines as a polilain Acta Sci. Pol.

9 Identyfikacja linii kolejowej z wykorzystaniem lotniczego skaningu laserowego 211 sieć trakcyjna oznacza dolny przewód zasilający oraz słupy wsporcze. Tylko te elementy można było wykreślić na chmurze. Drobne wyjątki stanowiły niektóre słupy posiadające niewiele punktów laserowych, co też spowodowało zaniechanie dalszej wektoryzacji słupa lub całkowite nieuwzględnienie go w opracowaniu (ryc. 9). W trakcie wektoryzacji sieci trakcyjnej, kopiowano elementy liniowe przedstawiające osie szyn z oddzielnej chmury dla lepszej orientacji w punktach leżących ponad danym torowiskiem. Połączenie wykonanych części modelowania uwidoczniono na ryc. 10. Ryc. 9. Brak identyfikacji części słupów Fig. 9. No identification of pylons Ryc. 10. Połączenie szyn z trakcją Fig. 10. Connection of trainlines with traction Formatio Circumiectus 13 (4) 2014

10 212 I. Piech, B. Pysz Wkreślanie prostych łamanych w punkty definiujące infrastrukturę kolejową wiązało się z pewnymi niedogodnościami dotyczącymi identyfikacji kształtów, rozmiarów oraz pozycji przestrzennej. W trakcie rozpoznawania i wektoryzowania szczegółów terenowych posługiwano się: lotniczym zdjęciem opracowywanego terenu z średnioformatowej kamery cyfrowej Hasselblad 39 MPx, wykonanym w czasie pomiaru lidarowego, wytycznymi PKP PLK Warunki techniczne utrzymania nawierzchni na liniach kolejowych Id-1 dla ustalenia podstawowych wymiarów torów kolejowych. Dokładność i jakość realizacji zależała od subiektywnej oceny wykonawcy. Według Warunków technicznych Id-1 szerokość torów to odległość między wew nętrznymi krawędziami mierzona 14 mm poniżej górnej powierzchni główki danej szyny, która w Polsce wynosi 1435 mm. Informacja o rozstawie szyn nie była pełną informacją pozwalającą na właściwe wpasowanie linii określającej przebieg torów. Okazało się, iż kopiowanie i przesuwanie równoległe względem utworzonej pojedynczej szyny o wartość 1435 mm nie spowodowało właściwego pokrycia dla punktów reprezentujących szynę stanowiącą parę dla badanego torowiska. Wyjściem z kłopotów była analiza charakterystyki technicznej szyn i dojście do wniosku, że punkty przy takiej gęstości będą ukazywały środek główki szyn. Warto podkreślić, iż wektoryzacja oraz pomiary na chmurze punktów są obarczone błędami ludzkimi, wynikającymi często z niedostatecznej gęstości punktów. Sprawdzenie poprawności wymiarów to sprawdzenie, czy dana wartość rozstawu szyn mieści się w granicach dopuszczalnych odchyłek. Jednakże jest to tylko teoretyczne zweryfikowanie, ponieważ wartości z tabeli 1 przedstawiają dopuszczalne odchyłki dla nominalnej szerokości toru, czyli dla 1435 mm. Tabela 1. Wartości dopuszczalnych odchyłek Table 1. Allowed value of deviation Prędkość na torowisku Speed on track-way km h 1 Różnica w nominalnej szerokości toru Difference in nominal width of track mm Nie na wszystkich torowiskach można było wykorzystywać rozstaw o wartości 1500 mm, ze względu na dużą rozbieżność w odległości między powstałym modelem a punktami oznaczającymi faktyczne położenie środka szyn. Chmura punktów, jako zbiór wielu milionów pojedynczych punktów tworzący pewien fragment obszaru o dużym natężeniu elementów, nie zawsze jest czytelna bez uprzednich zabiegów pomagających urealnić jej odbiór. Kolorowa chmura punktów pozwala w prosty sposób uatrakcyjnić i uwypuklić przedstawiony na niej obszar wraz z obiektami. Nałożenie rzeczywistych kolorów odbywa się na podstawie dopasowania zdjęcia (tekstury) do chmury punktów. Za teksturę, czyli powierzchnię niosącą informację o barwie obiektu, posłużyło zdjęcie lotnicze wykonywane podczas pomiaru lidarowego. Po wskazaniu kilkunastu par punktów i przeliczeniu błędów, wybrano pary o najmniejszej wartości błędów. Acta Sci. Pol.

11 Identyfikacja linii kolejowej z wykorzystaniem lotniczego skaningu laserowego 213 WNIOSKI Pomiary ALS, niosące za sobą duże pokłady informacji, są wstanie w niedalekiej przyszłości zaspokoić rynek różnych branż technicznych produktami i opracowaniami, których podstawą będzie chmura punktów. Na chmurze punktów o gęstości 11 pkt m 2, identyfikowano i wektoryzowano trzy rodzaje obiektów: szyny (oś główki szyn), przewód jezdny oraz konstrukcje wsporcze, czyli słupy trakcyjne. Potwierdzono zastosowanie do pomiarów rozstawu torowisk i identyfikacji osi szyn na chmurze punktów, czego dowodem są granice określonych odchyłek. Wyznaczenie pozycji konstrukcji wsporczych wymagało większych nakładów pracy niż pozostałe elementy. W niektórych fragmentach chmury słupy trakcyjne nie zostały wymodelowane ze względu na małą ilość punktów. Ujawnienie na chmurze przewodu jezdnego nie stwarzało większych trudności, jednakże problemem było utrzymanie go na właściwej wysokości. Opracowywana chmura punktów wystarcza do ogólnego przedstawienia zakresu pewnych robót. W wypadku szczegółowych i dokładniejszych prac inżynierskich tego typu opracowania muszą opierać się o gęstszą chmurę punktów. Dużymi niedogodnościami w pozyskaniu danych ze skaningu lotniczego pozostają kwestie ekonomiczne i techniczne. Ze względu na potrzebę zaopatrywania się w dużą ilość sprzętu niezbędnego do nalotów, samolotu, a także wykwalifikowanej załogi, koszty przedsięwzięcia wzrastają bardzo szybko. Warto jednak zauważyć, iż naloty wykonuje się na dużych obszarach czyniąc pomiary lidarowe bardziej ekonomicznymi. Natomiast koszty prac kameralnych zależą od zakresu i charakteru opracowania oraz posiadanego oprogramowania. PIŚMIENNICTWO Kurczyński Z., Lotnicze i satelitarne obrazowanie Ziemi. Cz. 2. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej Warszawa. Pyka K., Słota M., Borowiec N., Kundzierewicz T., Poręba M., Airborne Laser Scanning Data For Railway Lines Survey. PAK 58(3). Geodeta Miesięcznik Geoinformacyjny, 2008, kwiecień (155). Dodatek Skanery Laserowe. Rynek Kolejowy [b.d.], Warunki techniczne utrzymania nawierzchni na liniach kolejowych Id-1 (D-1). Załącznik do zarządzenia Nr 14/2005 Zarządu PKP Polskie Linie Kolejowe S.A. z dnia 18 maja 2005 r. Zaakceptowano do druku Accepted for print: Formatio Circumiectus 13 (4) 2014