LOTNICZY SKANING LASEROWY PODSTAWY. Urszula Marmol

Transkrypt

1 LOTNICZY SKANING LASEROWY PODSTAWY Urszula Marmol

2 PLAN PREZENTACJI Numeryczny Model Terenu podstawy LIDAR Zasada działania Budowa systemu laserowego Podstawowe parametry skaningu Komercyjny rynek systemów laserowych Zalety i wady Wydajność i koszty Dokładność Zastosowania Podstawowe produkty skaningu laserowego

3 Opracowanie: prof. Tokarczyk

7 Źródła danych do NMT Bezpośrednie pomiary terenowe Pomiar na mapach topograficznych drogą digitalizacji lub skanowania i wektoryzacji warstwic Pomiar fotogrametryczny Lotniczy skaning laserowy Interferometria radarowa Opracowanie: prof. Tokarczyk

11 Lotniczy skaning laserowy LIDAR Light Detection and Ranging

12 ZASADA DZIAŁANIA Wiązka laserowa poprzez układ skanujący kierowana jest w płaszczyźnie poprzecznej do trajektorii lotu. Pomiar kierunku i odległości. W celu określenia połoŝenia i orientacji platformy wykorzystywany jest system pozycyjny i nawigacyjny oparty na GPS i INS. Połączenie danych pozyskanych z dalmierza laserowego oraz GPS i INS pozwala na wygenerowanie trójwymiarowej, gęstej chmury punktów o znanych współrzędnych terenowych X,Y,Z.

13 GPS + INS Stacja referencyjna GPS Pomiar kierunku i odległości

14 DANE SKANINGU LOTNICZEGO Section of City of Pavia, Italy Przedmiot: Podstawy skaningu lotniczego i naziemnego Urszula Marmol CGR,Parma

15 BUDOWA SYSTEMU LASEROWEGO Segment lotniczy (pokładowy) system pomiaru odległości: - dalmierz laserowy - odbiornik system pozycyjny GPS system nawigacyjny INS kamera fotogrametryczna (video) system planowania i zarządzania lotem Segment naziemny naziemna, referencyjna stacja GPS stacja robocza do obróbki i przetwarzania danych laserowych

16 DALMIERZ LASEROWY Laser to nazwa utworzona od angielskiego określenia Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (wzmocnienie światła poprzez wymuszoną emisję promieniowania). Jak się okazuje laser nie tylko wzmacnia światło, ale w większości przypadków działa jako specjalne źródło emitując światło.

17 Właściwości światła lasera: bardzo wysoki stopień monochromatyczności, uzyskać moŝna szerokość linii v rzędu dziesięciu herców duŝe skupienie światła, ograniczone w zasadzie jedynie przez efekty dyfrakcyjne na oknie wyjściowym lasera duŝa moc promieniowania, które przy działaniu impulsowym moŝe dochodzić do W moŝliwość generacji ultrakrótkich impulsów świetlnych (do s)

18 ELEMENTY LASERA Elementy lasera: ośrodek czynny, który moŝe być ciałem stałym, cieczą lub gazem (1) układ optyczny - z obu końców laser jest zamknięty przez zwierciadła, z których najczęściej jedno jest częściowo przepuszczalne (3,4) układ pompujący - aby laser mógł działać potrzebne jest dostarczanie energii z zewnątrz (2) Przedmiot: Podstawy skaningu lotniczego i naziemnego Urszula Marmol

19 OŚRODEK CZYNNY Emisja wymuszona: Jak wiadomo foton wyemitowany w wyniku emisji wymuszonej posiada taką samą polaryzację i częstotliwość jak foton wywołujący emisję. Aby akcja laserowa mogła zajść foton wzbudzający musi mieć odpowiednią energię, równą energii wzbudzenia ośrodka. Wiadomo równieŝ Ŝe atomy w stanie podstawowym pochłaniają fotony wzbudzające. Zatem by laser mógł działać proces emisji wymuszonej musi przewaŝać nad procesem pochłaniania fotonów. Inwersja obsadzeń poziomów energetycznych: Dzieje się tak tylko wtedy, gdy w ośrodku znajduje się więcej atomów w stanie wzbudzonym niŝ atomów w stanie podstawowym O najwaŝniejszych parametrach lasera decyduje ośrodek czynny. To dzięki niemu określona jest długość fali, jej moc, sposób pompowania oraz moŝliwe zastosowanie lasera

20 UKŁAD POMPUJĄCY Zadaniem układu pompującego jest przeniesienie jak największej ilości elektronów w substancji czynnej do stanu wzbudzonego. Układ ten musi być wydajny na tyle by doszło w ośrodku czynnym do inwersji obsadzeń. Pompowanie, czyli dostarczanie energii do lasera, odbywać się moŝe na wiele róŝnych sposobów, w zaleŝności od znajdującej się w laserze substancji czynnej. Do najbardziej znanych naleŝą: - pompowanie poprzez błysk lampy błyskowej (flesza), - pompowanie przez błysk innego lasera, - pompowanie przez przepływ prądu (wyładowanie) w gazie, - pompowanie reakcją chemiczną, - pompowanie poprzez zderzenia atomów,

21 UKŁAD OPTYCZNY Ośrodek czynny traktowany jest jako generator fali elektromagnetycznej. Układ optyczny natomiast pełni rolę sprzęŝenia zwrotnego, czyli oddziaływania sygnału wyjściowego na sygnał wejściowy, dla wybranych częstotliwości, dzięki czemu światło generowane przez laser posiada jedną częstotliwość. Układ optyczny składa się zazwyczaj z dwóch zwierciadeł, z których przynajmniej jedno jest częściowo przepuszczalne. Dokładnie wykonane i odpowiednio ustawione zwierciadła stanowią rezonator dla wybranej częstotliwości i określonego kierunku ruchu. Dzięki temu tylko te fotony, dla których układ optyczny jest rezonatorem przebiegają wielokrotnie przez ośrodek czynny, powodując emisję kolejnych fotonów spójnych z nimi. Pozostałe fotony natomiast zanikają.

22 W zaleŝności od ośrodka czynnego lasery dzielimy: Lasery gazowe (He Ne helowo - neonowy, Ar argonowy (jonowy), na dwutlenku węgla, na tlenku węgla. Lasery na ciele stałym (rubinowy, neodymowy na szkle,- neodymowy na YAG-u (granat itrowo aluminiowy - Nd : YAG) - erbowy na YAG-u, tulowy na YAG-u,holmowy na YAG u, tytanowy na szafirze. Lasery na cieczy - barwnikowe ośrodkiem czynnym są barwniki rozpuszczone w nieaktywnym ośrodku przeźroczystym Lasery półprzewodnikowe złączowe na materiale objętościowym, na studniach kwantowych, na kropkach kwantowych - bezzłączowe kwantowy laser kaskadowy

23 LOTNICZY DALMIERZ LASEROWY lasery półprzewodnikowe lub lasery na ciele stałym (neodymowy na YAG-u Nd:YAG) najczęściej występuje neodymowy Nd:YAG (ang. Yttrium Aluminum Garnet) granat itrowo aluminiowy najczęściej działa w zakresie bliskiej podczerwieni (1064 nm) lasery batymetryczne w zakresie widzialnym (523 nm zielony) inne: 810 nm (ScaLARS), 900 nm (FLI-MAP), 1540 nm (TopoSys) rodzaje: laser impulsowy lub ciągły (CW ang. continuous wave) główne cechy: duŝa koherencja wiązki, duŝa moc Przedmiot: Podstawy skaningu lotniczego i naziemnego Urszula Marmol

24 LASER IMPULSOWY Szerokość impulsu: t p = 10 ns ( 3 m) Moc: P peak = W Energia impulsu: E = P peak t p = 20 µj Moc średnia: (dla F=10kHz) P av = E F = 0. 2W [Brenner 2006]

25 LASER CIĄGŁY Y (CW) [Brenner 2006] Charakterystyka (ScaLARS): dwie częstotliwości: f high = 10 MHz, f low = 1 MHz λ short = 30 m, λ long = 300 m moc średnia: P av = 0.26 W

26 LASER IMPULSOWY CHARAKTERYSTYKA Czas przebiegu pojedynczego impulsu: Przykład: 2R t travel = c R = 1000m t travel = 6.7µs Maksymalna częstotliwość impulsu: f 1 max = = ttravel 2 c R Przykład: R = 1000m f max = 150kHz

27 MECHANIZMY SKANUJĄCE

28 Mechanizm lustra wahadłowego: Promienie rozrzucane są za pomocą poruszającego się wokół własnej osi symetrii lustra. Stopień wychylenia decyduje tutaj o kącie odbicia wiązki. Taki sposób skanowania jest elastyczny pod względem zmiany kąta i prędkości skanowania, ale takŝe niehomogeniczny, jeśli chodzi o rozrzut wiązki lasera wzdłuŝ linii skanowania. W momencie gdy osiągane jest maksymalne wychylenie lustra, prędkość obrotu spada, co skutkuje większą gęstością punktów pomierzonych.

29 Mechanizm wieloboku rotacyjnego: Promienie rozrzucane są za pomocą poruszającego się wokół własnej osi symetrii lustra w kształcie wieloboku, które wykonuje ruch jednostajny, bez zmiany kierunku, co eliminuje efekt niejednorodnego rozmieszczenia punktów.

30 Mechanizm wykorzystujący światłowody: Promienie rozrzucane są za pomocą poruszającego się wokół własnej osi lustra, które kieruje je do falowodu zbudowanego ze światłowodów ułoŝonych w kształcie koła. Na końcu kanału prowadzącego światło lasera - falowodu, światłowody znajdują się w tej samej płaszczyźnie, a sposób ich ułoŝenia zapewnia moŝliwość realizacji odpowiednich kątów padania wiązki.

31 SYSTEM POZYCJONOWANIA TRAJEKTORII LOTU OPARTY NA GPS Trajektoria lotu samolotu wyznaczana jest poprzez system GPS, z wykorzystaniem pomiaru róŝnicowego dgps Polega ona na uŝyciu naziemnej stacji zwanej referencyjną ustawioną nad punktem o znanych współrzędnych. Stacja ta wylicza wektor błędu będący róŝnicą między współrzędnymi znanymi a wyliczonymi. Informacje te są następnie przesyłane do odbiornika GPS znajdującego się na pokładzie lecącego samolotu, który dokonuje korekcji swojego połoŝenia. W rezultacie połoŝenie skanera laserowego znajdującego się na pokładzie, moŝe zostać wyznaczona z dokładnością nie gorszą niŝ 10 cm.

32 INERCYJNY SYSTEM NAWIGACYJNY System INS wyznacza pozycję, prędkość, orientację oraz prędkości kątowe platformy skanującej (samolotu, helikoptera) mierząc liniowe i kątowe przyspieszenia wzdłuŝ trzech osi platformy, która jest w ruchu. System składa się z układu bardzo czułych giroskopów i akcelerometrów, które określają aktualny stan w jakim znajduje się system. Giroskopy określają kąty nachylenia platformy, natomiast akcelerometry wyznaczają jej prędkości w kaŝdym z kierunków. Integrując działanie tych urządzeń system INS jest w stanie wyznaczyć trajektorie samolotu z błędem poniŝej 2 cm oraz kąty nachylenia urządzenia skanującego.

33 INTEGRACJA GPS I INS Systemy GPS i INS charakteryzują się róŝną i komplementarną propagacją błędów co daje zalety obu systemów: stabilność pomiaru GPS oraz precyzję INS. INS dostarcza danych chwilowych, które zostają skorygowane na podstawie informacji pozyskanych z GPS eliminując skumulowane błędy co w rezultacie zapewniają utrzymanie dokładności wyznaczenia trajektorii lotu na poziomie 2 cm.

34 KAMERA FOTOGRAMETRYCZNA LUB/I VIDEO Ze skanerem laserowym moŝe współpracować kamera video i/lub kamera fotogrametryczna. Dla synchronizacji danych, kaŝde zdjęcie i kaŝda klatka zapisu video ma zarejestrowany numer i dokładny czas wykonania. Obrazy video są przydatne do interpretacji pokrycia terenu, natomiast zdjęcia lotnicze są wykorzystywane w procesie klasyfikacji danych pomiarowych i generowania ortofotomap.

35 SEGMENT NAZIEMNY - naziemna referencyjna stacja GPS - stacja robocza do obróbki i przetwarzania danych Stację roboczą stanowi platforma komputerowa o duŝej mocy obliczeniowej, koniecznej ze względu na rozmiar opracowywanych zbiorów danych. Integruje ona wszystkie uzyskane w wyniku pomiaru informacje: dane laserowe, taśmy wideo lub zdjęcia fotogrametryczne dane GPS z odbiornika ruchomego dane referencyjne GPS ze stacji naziemnej

36 PODSTAWOWE PARAMETRY SKANINGU Kąt skanowania θ (FOV- Field of View) typowe wartości (max. 75 ) Stosowane małe kąty dla wyeliminowania efektu cienia θ h Szerokość pasa skanowania SW = θ 2h tg( ) 2

37 CZĘSTOTLIWO STOTLIWOŚĆ DANYCH Częstotliwość impulsu F Typowe wartości F= khz Częstotliwość skanowania - f sc Parametr określający ilość linii skanujących uzyskanych w ciągu 1s. Typowe wartości f sc = 600 Hz Przedmiot: Podstawy skaningu lotniczego i naziemnego Urszula Marmol

38 CZĘSTOTLIWO STOTLIWOŚĆ IMPULSU LASERA 300 częstotliwość [khz] rok Przedmiot: Podstawy skaningu lotniczego i naziemnego Urszula Marmol

39 Liczba punktów w linii skanowania: Liczba punktów w linii skanowania jest wprost proporcjonalna do częstotliwości wysyłania impulsu laserowego i odwrotnie proporcjonalna do liczby skanowanych linii w ciągu 1 sekundy. N = F f sc

40 Średni odstęp między liniami skanowania wzdłuŝ kierunku lotu dx along Dla skanów w postaci zygzaka jest to odległość mierzona między punktami zarejestrowanymi w skrajnych wychyleniach wiązki laserowej (przypadek a) lub między punktami pomierzonymi przy tym samym wychyleniu wiązki (przypadek b) v średnia prędkość lotu [Baltsavias E.P., 1999]

41 Średni odstęp między punktami w linii skanowania dx across JeŜeli załoŝymy jednakową odległość między kolejnymi punktami w linii skanowania oraz płaski teren to powyŝszy parametr określa następująca zaleŝność: Wymagana ilość szeregów - n W najmniejsza wymiar prostokątnej powierzchni objętej pomiarem q pokrycie poprzeczne (w %)

42 Gęstość punktów na jednostkę powierzchni d Określa średnia ilość punktów na jednostkę powierzchni (m2). MoŜe się ona wahać w zaleŝności od ukształtowania powierzchni terenu oraz od pokrycia terenu (rejestracja wielokrotnych odbić). T S czas netto pomiaru jednego szeregu (nie obejmujący nawrotów platformy)

43 ROZBIEśNO NOŚĆ WIĄZKI LASERA IFOV = λ D λ - długość fali D szczelina lasera Przykład: λ = 1064 nm; D = 10 cm IFOV = mrad Typowe wartości: γ = mrad

44 ŚREDNICA PLAMKI LASERA A A A = D + 2h tg( γ / 2) 2h tg( γ / 2) h γ Przykład: h = 750 m; γ = 1mrad A=0.75 m

45 BILANS MOCY Moc odebrana: P r A r 2 = M ρ 2 2π R P t Przykład: gdzie: A r - powierzchnia szczeliny M przepuszczalność atmosfery R odległość ρ współczynnik odbicia P t moc wysłana

46 REJESTRACJA KILKU ODBIĆ POJEDYNCZEGO IMPULSU Współczynnik przenikania, czyli stosunek liczby punktów w odbitych od powierzchni terenu, do liczby wszystkich punktów pomierzonych w terenie zalesionym, zmienia się w zaleŝno ności od pory roku. W lecie, z powodu gęstego g listowia, współczynnik przenikania wynosi około 25% dla lasu liściastego i 30 % dla lasu iglastego. W okresie zimowym współczynnik penetracji wzrasta do 70%. Pierwszy impuls = Roślinność Ostatni impuls = Powierzchnia ziemi Przedmiot: Podstawy skaningu lotniczego i naziemnego Urszula Marmol

47 INTENSYWNOŚĆ ODBICIA IMPULSU Skaner laserowy oprócz moŝliwości pomiaru współrzędnych X, Y, Z punktów terenowych posiada równieŝ zdolność do rejestracji wartości energii, która została odbita od danej powierzchni. Obraz intensywności moŝe być porównywalny ze zdjęciem lotniczym (przy odpowiedniej gęstości punktów)

48 Intensywność odbicia: I r = P ρ A P moc impulsu ρ współczynnik odbicia powierzchni oświetlonej przez impuls A wielkość powierzchni

49 Detekcja niemoŝliwa gdy powierzchnia jest: czarna wysoce absorbująca promieniowanie przezroczysta wysoce transmitująca lustrzana wysoce odbijająca

50 [Brenner 2006]

51 KOMERCYJNY RYNEK SYSTEMÓW W LASEROWYCH ALTM firmy Optech Incorporation (Kanada) ALS firmy Leica Geosystems GIS & Mapping (USA) TopEye firmy TopEye AB (Szwecja) ALTMS firmy TerraPoint (USA) FALCON firmy TopoSys (Niemcy) FLI-MAP firmy Fugro-Inpark LiteMapper firmy IGI mbh (Niemcy) GeoMapper 3D firmy Laseroptronix (Szwecja) LMS firmy Reigl (Niemcy) 14 Proprietari 8 Azimuth 24 Optech 6 TopEye

52 ALTM GEMINI 167 Optech Inc. - Kanada FALCON III Toposys Niemcy khz 30 to m < 0.20 m < m Up to nine per pulse 12 bit dynamic range 165 Hz to 415 Hz 28 O Swing mode

53 ZALETY NiezaleŜność od warunków oświetleniowych Dalmierz laserowy jest systemem aktywnym co czyni go całkowicie niezaleŝnym od warunków oświetleniowych. Znaczna niezaleŝność od warunków pogodowych Rejestracja tą techniką jest moŝliwa przy prawie kaŝdej pogodzie, tylko silny deszcz i mgła, tzn. warunki ograniczające penetrację promienia laserowego, stanowią przeszkodę. Oznacza to, Ŝe w naszych warunkach klimatycznych prawie połowa dni w roku to dni lotne. Stanowi to bardzo istotną przewagę nad zdjęciami lotniczymi. Bardzo wysoka dokładność wysokościowa danych pomiarowych Dotychczasowe doświadczenia pokazują, Ŝe błąd wysokościowy danych (w rozumieniu błędu średniego) mieści się w granicach: mz = m. Krótki czas uzyskania produktu końcowego i relatywnie niski koszt

54 KORZYŚCI TECHNOLOGII SKANINGU LASEROWEGO W PORÓWNANIU Z TRADYCYJNYMI METODAMI FOTOGRAMETRYCZNYMI znaczna niezaleŝność od warunków pogodowych moŝliwość pomiaru zarówno w dzień jak i w nocy niewielka ilość punktów kontrolnych wysoka gęstość danych pomiar dla terenów z pokrywą roślinną

55 WADY Pochłanianie impulsów lasera przez wodę, asfalt i smołę. Pochłanianie impulsów lasera przez gęste chmury i mgłę. DuŜa objętość zbiorów danych.

56 WADY TECHNOLOGII SKANINGU LASEROWEGO W PORÓWNANIU Z TRADYCYJNYMI METODAMI FOTOGRAMETRYCZNYMI są konieczne powierzchnie kontrolne (jedna na szereg) pomiar pojedynczych punktów wysokościowych, brak informacji o strukturach topograficznych terenu umoŝliwia generowanie NMPT, a nie NMT są konieczne dodatkowe materiały (np. ortofotomapy) komputery o duŝej mocy obliczeniowej kosztowna obróbka danych

57 WYDAJNOŚĆ I KOSZTY Technika przydatna dla duŝych obszarów Obszary zwarte powyŝej 5 km 2 Obszary korytarzowe powyŝej 15 km Filtracja danych - automatyczna w 90% Koszt obróbki 60-80% całości kosztów Ceny: Aparatura mln USD Budowa NMT USD/km 2 Wydajność: Do 100 km 2 /godzina lotu Czasochłonna edycja danych

58 DOKŁADNO ADNOŚĆ Dokładność instrumentu laserowego: 2 5 cm Dokładność GPS (przy załoŝeniu właściwych stacji naziemnych i poprawnym rozmieszczeniem satelitów) : 5 7 cm Ostateczna dokładność wysokościowa danych jest uzaleŝniona od wielu czynników (m.in. wysokości lotu). Dla większości systemów nie spada ona poniŝej: ± 15 cm W lotu < 1000 m Ostateczna dokładność sytuacyjna: 1/10000 W lotu

59 ZASTOSOWANIA SKANINGU LOTNICZEGO

60 PROJEKTOWANIE PRZEBIEGU DRÓG, TORÓW KOLEJOWYCH, RUROCIĄGÓW

61 REJESTRACJA LINII WYSOKIEGO NAPIĘCIA wyznaczenie kolidujących z przewodami koron drzew Przedmiot: Podstawy skaningu lotniczego i naziemnego Urszula Marmol

62 GENEROWANIE TRÓJWYMIAROWYCH MODELI MIAST Określanie lokalizacji anten telekomunikacyjnych, planowanie przestrzenne, rozprzestrzenianie się hałasu i zanieczyszczeń

63 POMIAR WYBRZEśA Określenie zmian i abrazji Amt f.ländl. Räume,Husum

64 POMIAR MAS ZIEMNYCH W KOPALNIACH ODKRYWKOWYCH I WYSYPISKACH ŚMIECI Kopalnia odkrywkowa Janschwalde, Niemcy

65 POZYSKIWANIE PARAMETRÓW W ROŚLINNO LINNOŚCI wysokość drzew, średnica korony, gęstość zalesienia, oszacowanie biomasy, określenie granic lasu

66 SZYBKA REJESTRACJA I OCENA ZNISZCZEŃ PO KATAKLIZMACH lipiec wrzesień 2001

67 POMIARY HYDROGRAFICZNE

68 POMIAR POWIERZCHNI ZAŚNIEśONYCH I POKRYTYCH LODEM (monitorowanie lodowców) U góry: Dwa NMPT, uzyskane z danych pozyskanych: we wrześniu 2001r. oraz w maju 2002r., podczas misji skaningu laserowego nad lodowcem Engabreen; U dołu: Wizualizacja róŝnicy wysokości tych dwóch NMPT

69 ETAPY REALIZACJI PROJEKTU Planowanie lotu Pozyskanie danych Przetwarzanie danych

70 PODSTAWOWE PRODUKTY SKANINGU LASEROWEGO Numeryczny Model Pokrycia Terenu (NMPT) ang. DSM Digital Surface Model Numeryczny Model Terenu (NMT) ang. DTM Digital Terrain Model

71 PRZETWARZANIE DANYCH FILTRACJA Pomiar laserowy dostarcza informacji w postaci trójwymiarowej chmury punktów zarówno o powierzchni topograficznej jak równieŝ o pokryciu badanego terenu (budynki, roślinność) czyli NMPT. Istotnym problemem jest proces wyodrębnienia punktów naleŝących do powierzchni topograficznej czyli NMT. NUMERYCZNY MODEL POKRYCIA TERENU FILTRACJA NUMERYCZNY MODEL TERENU

72 Wysoka częstotliwość skanowania, pozwala na określenie połoŝenia budynków i ich wizualizację. MODELOWANIE

73 PODSUMOWANIE I PRZEWIDYWANIA NA PRZYSZŁOŚĆ Rozwój technologii lidarowej w najbliŝszych latach przewidywany jest w pięciu głównych kierunkach: - zwiększenie gęstości danych (zwiększenie częstotliwości impulsu lasera) - rozwój oprogramowania do przetwarzania danych - zwiększanie zakresu rejestrowanej fali - laserowe pomiary wodne i podwodne - rozwój platform satelitarnych

74 KONIEC