Monografia WYBRANE PRACE NAUKOWE ZESPOŁÓW BADAWCZYCH PROWADZONE NA KIERUNKU GEODEZJA I KARTOGRAFIA

POLITECHNIKA KOSZALIŃSKA Monografia WYBRANE PRACE NAUKOWE ZESPOŁÓW BADAWCZYCH PROWADZONE NA KIERUNKU GEODEZJA I KARTOGRAFIA z okazji 15 lecia Kierunku Geodezja i Kartografia na Politechnice Koszalińskiej KOSZALIN 2016

Strona redakcyjna

Spis treści Przedmowa... Błąd! Nie zdefiniowano zakładki. 1. Wyznaczenie parametrów ruchu płyt tektonicznych na podstawie pomiarów wykonanych Satelitarną Techniką Laserową w systemie ITRF2008 K. Kraszewska, M. Jagoda, M. RutkowskaBłąd! Nie zdefiniowano zakładki. 2. Ocena zmiany w czasie współczynników pływowych h 2 i l 2 na podstawie danych z satelitów LAGEOS M. Jagoda, M. Rutkowska, K. Kraszewska... Błąd! Nie zdefiniowano zakładki. 3. Zastosowanie techniki GPS RTK/RTN w zakładaniu poziomych osnów realizacyjnych jako hybrydowych sieci modularnych C. Suchocki, J. Kalita, P. Wiktor, M. Stałowski... Błąd! Nie zdefiniowano zakładki. 4. Metodyka rejestracji struktury geometrycznej przekrycia budowlanego K. Deska... Błąd! Nie zdefiniowano zakładki. 5. Wpływ czynników na wartość siły odbicia wiązki lasera w naziemnym skaningu laserowym C. Suchocki, M. Damięcka-Suchocka, J. Katzer... 5 6. Modele wysokościowe pozyskane z lotniczego skaningu laserowego i ich wybrane zastosowania T. Oberski, Z. Szczepaniak-Kołtun, T. Kogut, A. Bujakiewicz... Błąd! Nie zdefiniowano zakładki. 7. Ocena dokładności pomiarów fotogrametrycznych ze zdjęć BSP dla celów realizacji projektu drogowego J. Wicher, A. Banaszek, A. Żarnowski, S. Banaszek, R. Zych... Błąd! Nie zdefiniowano zakładki. 8. Podstawy prawne wykonywania lotów fotogrametrycznych z wykorzystaniem bezzałogowych statków powietrznych A. Żarnowski, A. Banaszek, J. Wicher, S. Banaszek... Błąd! Nie zdefiniowano zakładki. 9. Wybrane problemy wprowadzenia podatku katastralnego w Polsce w porównaniu z rozwiązaniami przyjętymi w kilku krajach UE L. Dawid... Błąd! Nie zdefiniowano zakładki. 10. Wpływ czynników środowiskowych na rozwój rynku nieruchomości komercyjnych na przykładzie dzielnicy nadmorskiej w Kołobrzegu A. Czajka, M. Lazarek-Janowska... Błąd! Nie zdefiniowano zakładki.

4 5. Wpływ czynników na wartość siły odbicia wiązki lasera w naziemnym skaningu laserowym 11. Ocena stopnia trudności przedmiotów nauczania na kierunku Geodezja i Kartografia na Politechnice Koszalińskiej A. Bernatowicz, S. Mielewczyk... Błąd! Nie zdefiniowano zakładki.

5. Wpływ czynników na wartość siły odbicia wiązki lasera w naziemnym skaningu laserowym Czesław Suchocki, Marzena Damięcka-Suchocka Katedra Geodezji, WILŚiG, Politechnika Koszalińska Jacek Katzer Katedra Budownictwa i Materiałów Budowlanych, WILŚiG, Politechnika Koszalińska 5.1. Wstęp Naziemny skaning laserowy (Terrestrial Laser Scanner - TLS) jest aktywnym system pozyskiwania danych, znajdującym coraz więcej zastosowań w różnych dziedzinach inżynierii. Z powodzeniem wykorzystywany jest w pomiarach kontrolnych i diagnostycznych obiektów budowlanych, inwentaryzacji zabytków, w badaniach archeologicznych, do budowy numerycznego modelu terenu i w wielu innych zadaniach [5,8,11,15]. W wyniku pomiaru naziemnym skanerem laserowym w krótkim czasie (nawet przeszło 1 mln pkt. na sek.) uzyskuje się duży zbiór danych w postaci chmury punktów, rejestrując przestrzenne położenie obserwowanego obiektu. Zasada działania skanera laserowego polega na wykorzystaniu światła lasera wyemitowanego przez urządzenie jako nośnika informacji. W wyniku odbicia wiązki lasera od obserwowanego elementu wyznaczana jest odległość (s) pomiędzy instrumentem a punktem pomiarowym oraz kąt poziomy ( ) i pionowy ( ). Następnie informacje te wykorzystywane są do obliczenia przestrzennych współrzędnych XYZ punktów w układzie lokalnym instrumentu. Tak pozyskane dane, których rozdzielczość może sięgać nawet 1 mm, pozwalają na trójwymiarowe modelowanie obserwowanych obiektów, a nawet ich drobnych detali. Dodatkowo naziemne skanery laserowe rejestrują siłę odbicia powracającego sygnału świetlnego odbitego od skanowanej powierzchni tzw. intensity. Każda powierzchnia posiada inną zdolność odbicia impulsu, co jest uzależnione przede wszystkim od jej własności fizykochemicznych. Intensity zazwyczaj jest wykorzystywana przez użytkowników jako atrybut w realistycznej wizualizacji chmur punktów. Jednak wielkość ta ma znacznie większy potencjał, który coraz częściej znajduje zastosowanie w bardziej

6 11. Ocena stopnia trudności przedmiotów nauczania... skomplikowanych analizach, takich jak np. identyfikacja i klasyfikacja danych według właściwości materiału skanowanej powierzchni. Jako przykład można tutaj wskazać próbę wykorzystania analizy wartości intensity w diagnozowaniu stanu konstrukcji zapory wodnej [20,21]. Celem niniejszej pracy jest prezentacja czynników mających wpływ na wartość siły odbicia wiązki lasera w naziemnym skaningu laserowym na podstawie danych literaturowych oraz badań własnych. 1.2. Teoretyczne aspekty dotyczące pomiarów laserowych Wynalazcą pierwszego lasera (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) był amerykański fizyk Gordon Gould, który w 1957 roku zbudował pierwszy przyrząd wzmacniający światło, wykorzystując rezonator optyczny zbudowany z dwóch zwierciadeł. Przez lata wynalazek ten był udoskonalany i znalazł zastosowania praktycznie w każdej gałęzi przemysłu, medycynie, nauce, gospodarce czy telekomunikacji. Wiązka lasera jako strumień światła podlega podobnym prawom dotyczącym propagacji światła. Zgodnie z zasadami fizyki, wyemitowana wiązka światła natrafiając na obiekt może zostać odbita od jego powierzchni, przejść przez niego, ulec załamaniu lub zostać pochłonięta. Pomiary naziemnym skanerem laserowym dotyczą odbicia wiązki światła od skanowanej powierzchni, dlatego poniższe rozważania będą dotyczyły tylko tego zjawiska. Na wartość siły odbicia wiązki lasera od skanowanej powierzchni w znacznej mierze ma wpływ zjawisko absorpcji i dyspersji [18]. Podczas skanowania obiektów zawsze zachodzi absorpcja wiązki lasera, która polega na tym, że część wyemitowanej energii w wyniku uderzenia o powierzchnię zostaje pochłonięta. Powszechnie wiadomo, że jasne obiekty pochłaniają mniej energii w stosunku do ciemnych. Natomiast w większości przypadków, wyemitowana wiązka lasera natrafiając na powierzchnię zostaje rozproszona w różnych kierunkach. Zjawisko to nosi nazwę dyspersji i powoduje, że tylko niewielka część emitowanego sygnału jest odbijana z powrotem w kierunku skanera. Pozostała część energii jest rozproszona w innych kierunkach lub pochłonięta. Zjawisko absorpcji i dyspersji wiązki światła lasera zaprezentowano na rys. 5.1.

11. Ocena stopnia trudności przedmiotów nauczania... 7 Rys. 5.1. Dyspersja i absorpcja wiązki światła lasera [18] Ze zjawiskiem dyspersji mamy do czynienia, gdy wiązka światła natrafia na powierzchnię matową (bez połysku) tzn. taką, gdzie mikronierówności występujące na tej powierzchni są większe od długości padającej fali (np. kartka papieru), wówczas wiązka ulega rozproszeniu zgodnie z Prawem Lamberta. Powierzchnie takie określa się mianem powierzchni lambertowskich, od których wiązka światła jest odbijana we wszystkich możliwych kierunkach z jednakową energią. Natomiast przy odbiciu zachodzącym na gładkiej powierzchni tzn. takiej, gdzie jej nierówności są bardzo małe w stosunku do długości fali światła (np. polerowany metal, powierzchnie chromowane i niklowane), mamy do czynienie z odbiciem zwierciadlanym, w którym występuje prawo odbicia. Zgodnie z tym prawem, kąt odbicia jest równy kątowi padania, a promień padający, promień odbity i normalna do powierzchni odbicia leżą w jednej płaszczyźnie. W przypadku, gdy mikronierówności powierzchni są mniejsze niż długość fali, lecz nie jest to powierzchnia gładka, wtedy występuje odbicie z połyskiem i odbite światło nabiera charakteru kierunkowego. Większa część światła odbijana jest w jednym kierunku, ale również część światła odbijana jest także w sąsiednich kierunkach. Rys. 5.2. Rodzaje odbić: kierunkowe (a), rozproszone (b), z połyskiem (c) Na podstawie powyższego rysunku można wnioskować, że w przypadku skanowania obiektów o gładkiej powierzchni, wyemitowana wiązka lasera nie

8 11. Ocena stopnia trudności przedmiotów nauczania... powróci do skanera, jeżeli dany obiekt nie jest skierowany prostopadle. Natomiast dla powierzchni chropowatych, w których zachodzi Prawo Lamberta, teoretycznie wyemitowana wiązka zawsze powinna w części powróci do skanera. Należy nadmienić, że zazwyczaj powierzchnie materiałów rzeczywistych odbijają światło w sposób mieszany, które jest sumą wyżej opisanych rodzajów odbić. W pomiarach naziemnym skanerem laserowym przyjmuje się, że najbardziej odpowiada model rozproszenia wiązki światła zgodnie z Prawem Lamberta. Naziemne skanery laserowe zazwyczaj dostarczają informację o sile odbicia sygnału w tzw. postaci surowej (RAW Intensity). Przedział zapisu tych danych jest uzależniony od użytego skanera i jego specyfikacji technicznej, a w szczególności od użytego detektora (np. 12-bitowego czy 16-bitowego). Przykładowo dane pozyskane skanerem, w którym zastosowano 12-bitowy detektor, intensity może przyjąć 2 12 =4096 wartości. Chmura punktów zapisana w postaci popularnego formatu pliku *.pts będzie wówczas przechowywać w kolejnych kolumnach informacje: współrzędne punktów (X,Y,Z), wartości intensity z przedziału od -2047 do +2048 oraz wartości RGB pozyskane ze zdjęcia cyfrowego. W opracowaniach związanych ze skaningiem laserowym korzysta się zazwyczaj z normalizowanej wartości intensity tzn. zapisanej w innym przedziale liczbowym. Najbardziej popularną formą jest 8-bitowy zapis, gdzie intensity znajduje się w przedziale od 0 do 255, tak jak obraz monochromatyczny. Drugą, często stosowaną formą zapisu wielkości intensity jest przedział od 0 do 1, gdzie 0 jest minimalną możliwą do uzyskania wartością intensity, a 1 maksymalną. 1.3. Czynniki wpływające na siłę odbicia wiązki lasera Ogólną zależność pomiędzy sygnałem wyemitowanym, a odebranym podczas pomiaru skanerem laserowym została opisana tzw. równaniem laserowym [6,16]: P R = P TσD 4 16R 4 λ 2 K a 2 η Atm η Sys (5.1) Wzór (5.1) wykorzystuje się zazwyczaj w opracowaniach związanych z lotniczym skaningiem laserowym (LIDAR), natomiast dla naziemnego skaningu laserowego (TLS) można zastosować uproszczoną wersję tego równania do postaci wzoru (5.2) [13]. W równaniu tym przyjęto, że powierzchnia odbijająca jest powierzchnią lambertowską i jest zawsze większa od powierzchni plamki lasera. P R = πp Eρ COS θ 4R 2 η Atm η Sys (5.2)

11. Ocena stopnia trudności przedmiotów nauczania... 9 gdzie: P R moc sygnału powracającego (W), P E moc sygnału wyemitowanego (W), R odległość pomiędzy skanerem a obiektem (m), efektywny przekrój celu (m 2 ), długość fali lasera (m), D średnica przysłony (m), η Atm współczynnik atmosferyczny, η Sys współczynnik systemowy, θ kąt padania ( g ), ρ współczynnik określający własności odbicia powierzchni materiału. W pracy [1] autorzy podzielili czynniki, które mają wpływ na sygnał lasera na trzy grupy: czynniki systemowe (A), czynniki atmosferyczne (B), czynniki uzależnione od specyfikacji skanowanej powierzchni (C). Rys. 5.3. Klasyfikacja czynników w pomiarze naziemnym skanerem laserowym [1] Czynniki systemowe zależą od użytego skanera, a przede wszystkim od jego specyfikacji technicznej tj. typu użytego dalmierza (impulsowy, fazowy), długości fali lasera, siły nadajnika i czułości detektora, użytych filtrów itp. Wpływ tych wszystkich zmiennych nie jest zawsze szczegółowo znany dla przeciętnego użytkownika. Można przyjąć, że czynniki systemowe są wielkością nieznaną, lecz stałą i niezmienną podczas danego pomiaru.

10 11. Ocena stopnia trudności przedmiotów nauczania... Tak jak wszystkie instrumenty geodezyjne, również naziemne skanery laserowe są wrażliwe na czynniki atmosferyczne tzn. na zmiany temperatury, ciśnienia i wilgotności powietrza, czy też zapylenie powietrza. Wykonywanie pomiarów w różnych warunkach atmosferycznych może mieć również wpływ na zmianę wartości siły odbicia wiązki lasera [2]. Poza tym w przypadku, gdy źródło oświetlenia (promieniowania) takie jak światło słoneczne lub światło lampy jest silne w porównaniu do sygnału lasera i trafia do jego detektora, może wpłynąć na dokładności pomiaru i zmianę wartości intensity, a nawet uniemożliwić pomiar [2]. Na wartość parametru ρ (wzór 5.2), który charakteryzuje właściwości skanowanej powierzchni, ma wpływ wiele czynników opisywanych jako własności fizykochemiczne materiału (rodzaj materiału), a przede wszystkim: kolor powierzchni, chropowatość powierzchni, wilgotność materiału (na jego powierzchni). Należy nadmienić, że poza kolorem i chropowatością powierzchni należy jeszcze wziąć pod uwagę jej własności refleksyjne np. błyszczące powierzchnie nie są łatwe do rejestracji ponieważ, może wówczas wystąpić tzw. odbicie z połyskiem (rys. 5.2c). W przypadku gładkich powierzchni, gdy wiązka lasera pada na nie prostopadle (kąt padania =0) to zazwyczaj następuje przesycenie wartości intensity i punkt może nie zostanie zarejestrowany. Natomiast w przypadku, gdy kąt padania jest duży to wyemitowana wiązka lasera nie powróci do skanera. Poza tym zgodnie z zapisem wzoru (5.2) na wartość intensity ma również wpływ odległości między skanerem a obiektem oraz kąt padania wiązki lasera. 5.3.1. Wpływ koloru powierzchni na wartość intensity W pracy Bucksch a et al. [3] zamieszczono wyniki badań dotyczących wpływu koloru skanowanej powierzchni na wartość intensity. Pomiar wykonano dwoma skanerami fazowymi: Z&F Imager 5003 i Faro LS880 z odległości 4 metrów do przygotowanych próbek, które zostały zorientowane prostopadle do emitowanej wiązki lasera (kąt padania =~0 g ). W tabeli 5.1 zestawiono uzyskaną wartość intensity dla koloru białego, czarnego i trzech stopni szarości.

11. Ocena stopnia trudności przedmiotów nauczania... 11 Tabela 5.1. Średnia wartość intensity wybranych próbek dla skanera Imager 5003 i skanera Faro LS880 [3] Kolor Imager 5003 Faro LS880 Biały 0,60 0,62 Szary 1 0,38 0,38 Szary 2 0,34 0,34 Szary 3 0,08 0,07 Czarny 0,04 0,05 Z danych tych wynika, że kolor skanowanej powierzchni posiada znaczący wpływ na siłę odbicia wiązki lasera. Typowa biała powierzchnia posiada największą możliwość odbicia wyemitowanej wiązki lasera, co oznacza największy zwrot energii w przeciwieństwie do czarnej powierzchni, która najbardziej absorbuje światło. Dla obu zastosowanych skanerów uzyskano porównywalne wielkości zarejestrowanych wartości intensity. Podobne badania zostały przeprowadzone przez Voegtle a et al. [19] skanerem impulsowym Trimble GX. Pomiary wykonano z odległości 14 metrów do specjalnie przygotowanych tarcz o kolorze białym, czarnym i piętnastu odcieni szarości. Wyniki tych badań zawarto na rys.5.4, z którego można również wywnioskować, że kolor skanowanej powierzchni ma znaczący wpływ na zmianę siły odbicia wiązki lasera. Rys. 5.4. Zestawienie wielkości intensity dla poszczególnych próbek [19]. Również autorzy niniejszego artykuły wykonali własne badania przy wykorzystaniu impulsowego skanera VZ-400 firmy Riegel. Pomiar został wykonany z odległości 7 i 27 metrów do specjalnie przygotowanych tarcz papierowych o wymiarze 21cm 21cm. Średnia liczba punktów dla każdej skanowanej tarczy wynosiła odpowiednio 45 tyś. punktów dla odległości

12 11. Ocena stopnia trudności przedmiotów nauczania... 7 metrów i 15 tyś. punktów dla odległości 27 metrów. Z każdego zbioru wyznaczono średnią wartość intensity dla każdej tarczy (tabela 5.2). Tabela 5.2. Średnia wartość intensity dla próbek o różnym zabarwieniu Kolor tarczy Odległość 7 m Odległość 27 m Biały 0,814 0,814 Szary 1 0,810 0,810 Szary 2 0816 0,815 Szary 3 0,817 0,816 Czarny 0,650 0,616 Czerwony 0,826 0,813 Zielony 0,825 0,811 Niebieski 0,816 0,806 Z przeprowadzonych własnych badań wynika, że pomiędzy skrajnymi barwami tj. kolorem białym i czarnym jest istotna zmiana wartości intensity z 0,814 na 0,650, ale nie tak duża jak w przykładach zaprezentowanych powyżej. Natomiast pomiędzy poszczególnymi odcieniami szarości i kolorami czerwonym, zielonym niebieskim i białym nie było zasadniczej zmiany średniej wartości intensity. Prawdopodobną przyczyną tego jest zastosowanie innego skanera. Badania realizowane przez Bucksch a et al. [3] i Voegtle a et al. [19] były wykonane w latach 2007 i 2008 starszym typem skanera w stosunku do badań przeprowadzonych przez autorów. Przez okres około 8 lat rozwój techniki wpłynął na znaczącą poprawę jakości w budowie skanerów laserowych. 5.3.2 Wpływ chropowatość powierzchni na wartość intensity Na rynku występują skanery różnych producentów, w których zastosowano lasery fazowe i impulsowe o różnej długości fali (od światła widzialnego do podczerwieni) np. skaner Leica ScanStation C10 używa zielonego lasera o długości fali 532 nm (światło widzialne), a natomiast skaner Faro Focus 3D używa lasera o długości fali 1550 nm (R podczerwień). Jest to istotny czynnik gdyż ta sama powierzchnia dla skanerów używających lasery o różnej długości fali może być różnie interpretowana biorąc pod uwagę jej chropowatość. Skanowane powierzchnie materiałów, które można określać mianem powierzchni lambertowskich powinny być idealnie chropowate. Taka powierzchnia powinna więc spełniać kryterium chropowatości, które wyrażamy wzorem [14]: h < λ 8cos (Θ) (5.3)

11. Ocena stopnia trudności przedmiotów nauczania... 13 gdzie: h chropowatość powierzchni, λ długość fali, Θ kąt padania. Rys. 5.5. Graficzna prezentacja kryterium chropowatości [14] Na podstawie wzoru (5.3) można określić kryterium chropowatości skanowanej powierzchni, uzależnione od długości fali wiązki lasera dla przykładowych skanerów. Do tego celu przyjęto prostopadły kierunek padania wiązki lasera do skanowanej powierzchni (θ = 0 g, cos(0 g ) = 1), uzyskując przy tym wyniki: dla skanera Leica ScanStation C10: dla skanera Faro Focus 3D: 532nm 8 = 66,5 nm 1550nm = 193,8 nm 8 Należy zaznaczyć, że ze wzrostem kąta padania, również kryterium chropowatości będzie rosnąć. Wiązka lasera jest rozpraszana w sposób zależny od właściwości skanowanej powierzchni, a przede wszystkim od jej koloru i chropowatości. Wpływ tych czynników na odbicie i absorpcję wiązki lasera zaprezentowano na rys. 5.6.

14 11. Ocena stopnia trudności przedmiotów nauczania... Rys. 5.6. Odbicie i absorpcja wyemitowanej wiązki lasera w kierunku skanowanej powierzchni [3] Im ciemniejszy kolor tym wiązka ulega większej absorpcji, im powierzchnia bardziej chropowata tym wiązka lasera ulega większemu rozproszeniu. W badaniach prowadzonych przez Pesci & Teza [12] wykazano spadek wartości intensity dla powierzchni nieregularnych w stosunku do powierzchni płaskich. 5.3.4. Wpływ odległości skanera od skanowanej powierzchni na wartość intensity Dokonując analizy literatury dotyczącej skaningu laserowego można odnaleźć wiele przykładów, które potwierdzają znaczący wpływ na wartość intensity odległości skanera od skanowanej powierzchni. Przykładem mogą być badania przeprowadzone w warunkach laboratoryjnych przez Blaskow & Schneider [1]. Badania polegały na wykonaniu serii pomiarów z różnej odległości skanerem impulsowym Riegl LMS-Z429i oraz skanerem fazowym Z+F Imager 5006i do specjalnie trzech przygotowanych tarcz. Jedna tarcza była pomalowana na biało (standard target), pozostałe dwie charakteryzowały się odmienną chropowatością (Spectralon 99 i Spectralon 50). Podczas pomiaru tarcze były orientowane prostopadle do wiązki lasera w celu wyeliminowania wpływu kąta padania (cos 90 =1). Na rys. 5.7 i 5.8 zaprezentowano wyniki tych badań.

11. Ocena stopnia trudności przedmiotów nauczania... 15 Rys. 5.7. Rozkład średniej wartości intensity dla skanera Riegel LMS-Z420i [1] Rys. 5.8. Rozkład średniej wartości intensity dla skanera Z+FImager 5006i [1] Wpływ zmiany odległości na wartość intensity w naziemnym skaningu laserowym można również odnaleźć w innych pracach np. [7, 9,13]. 1.3.3. Wpływ kąt padania wiązki lasera na wartość intensity Ilość energii wyemitowanej przez skaner, następnie odbitej od powierzchni i powracająca do skanera zależy również od kąta padania wiązki lasera do danej powierzchni. Zależność tą zaprezentowano na rys. 5.9 i można ją opisać tzw. Prawem Lamberta. Jest to prawo wyrażające zależność światłości I powierzchni promieniującej lub rozpraszającej światło od kierunku, w którym przeprowadza się obserwacje. I(Θ) = I 0 cos Θ (5.4) gdzie: I 0 światłość w kierunku normalnym (Θ = 0 o ), Θ kąt między normalną do powierzchni świecącej i kierunkiem obserwacji (kąt padania).

16 11. Ocena stopnia trudności przedmiotów nauczania... Rys. 5.9. Wpływ kąta padania na silę odbicia promienia światła od powierzchni lambertowskiej [18] Badania nad wpływem kąta padania wiązki lasera na skanowaną powierzchnię przeprowadził Tan & Cheng [9] dla skanera Faro Focus 120. Pomiary wykonano do czterech specjalnych tarcz, które charakteryzowały się różnymi własnościami odbicia wynoszącymi odpowiednio 20%, 40%, 60% i 80%). Pomiary wykonano dla różnego kąta padania wiązki lasera w stosunku do tarczy. Dodatkowo przeprowadzono obserwacje dla różnych odległości. Wyniki tych badań zestawiono na rys. 5.10. Rys. 5.10. Zależność intensity od kąta padania wiązki lasera (a) i zmiany odległości (b) dla skanera Faro Focus 120 [10] Z zaprezentowanego wykresu (rys. 5.10a) wynika, że ze wzrostem kąta padania wiązki światła lasera zmniejsza się ilość energii powracającej do skanera, co potwierdza teoretyczne założenia wynikające z Prawa Lamberta. Poza tym, z analizy wykresu rys.5.10b potwierdzają się badania, że zmiana odległość pomiędzy skanerem, a obserwowanym obiektem również ma istotny wpływ na wartość intensity. Podobne badania, które potwierdzają wpływ kąta padania wiązki lasera można odszukać w wielu innych pracach np. [10,18]

11. Ocena stopnia trudności przedmiotów nauczania... 17 1.3.5. Wpływ wilgotności materiału na wartość intensity Zmiana wilgotności materiału może mieć również wpływ na siłę odbicia wiązki lasera, ponieważ w naziemnym skaningu laserowym woda absorbuje (pochłania) wiązkę lasera. W związku z tym, wzrost wilgotności skanowanej powierzchni teoretycznie powinien powodować zmniejszenie siły odbicia wiązki lasera od skanowanej powierzchni. Na podstawie przeglądu dostępnej literatury można stwierdzić, że zależność ta nie była podawana szczegółowym analizom przez środowiska naukowe. Autorzy niniejszej pracy aktualnie prowadzą badania nad weryfikacją tego założenia. W przypadku potwierdzenia tej tezy, podczas pomiarów naziemnym skanerem laserowym będzie istniała możliwość poza wyznaczeniem geometrii obiektu, również określenie występujących na nim różnic wilgotności. Mogłoby to znaleźć zastosowanie w inwentaryzacji obiektów zabytkowych, tam gdzie z upływem lat izolacja fundamentów nie spełnia swojej roli. Pierwsze wyniki badań dotyczące wpływu wilgotności materiałów budowlanych na wartość siły pdbicia wiązki lasera zaprezentowano w pracy Suchocki & Katzer [17]. Prace badawcze przeprowadzono w warunkach laboratoryjnych, dzięki temu można przyjąć, że czynniki atmosferyczne były stałe i niezmienne przez cały okres pomiaru. Pomiary były przeprowadzone do trzech uprzednio przygotowanych próbek jednorodnych pod względem ich własności fizyko-chemicznych. Próbki te różniły się jedynie zawartością wody tzn. próbka całkowicie sucha, próbka o maksymalnej wilgotności i próbka w stanie powietrzno-suchym. Podczas pomiaru próbki były zlokalizowane w tej samej odległości tj. 27 metrów od skanera oraz zorientowane w taki sposób, aby kąt padania wiązki lasera wynosił około 0. Dzięki temu wyeliminowano wpływ odległości i kąta padania wiązki lasera na zmianę wartości intensity. Jedynym czynnikiem, który był zmienny podczas pomiaru to własności refleksyjne materiału, które były zależne od zmian wilgotności skanowanej próbki. Ostatecznie można przyjąć, że zmiana siły odbicia wiązki lasera (intensity) od poszczególnych próbek była ściśle uzależniona od zmian wilgotności badanych próbek. W badaniach tych zastosowano impulsowy skaner VZ-400 firmy Riegel. Pomiary przeprowadzono do trzech typów materiałów często stosowanych w budownictwie tj. bloczek gazobetonowy, silikatowy i ceramiczny. Pozyskane dane z pomiaru poddano opracowaniu w celu usunięciu obserwacji nieistotnych, szumów i tzw. edge effects. Następnie wyeksportowano dane do pliku *.pts i dokonano standaryzacji wielkości intensity, po to aby wyrazić je w przedziale od 0 do 1. Tak przygotowane dane poddano dalszej analizie obliczając dla każdego zbioru podstawowe wielkości statystyczne tj. średnią arytmetyczną wielkości intensity, wartość minimalną i maksymalną oraz rozstęp.

18 11. Ocena stopnia trudności przedmiotów nauczania... Tabela 5.3. Podstawowe wielkości statystyczne wartości intensity dla badanych próbek n Próbka maksymalnie nasączona wodą Próbka w stanie powietrzno-suchym gazobeton Próbka całkowicie sucha Intensity Intensity Intensity n n min. max. śr. R min. max. śr. R min. max. śr. R 6291 0.542 0.639 0.607 0.097 5975 0.663 0.811 0.748 0.148 6105 0.751 0.846 0.796 0.095 silikat 2761 0.578 0.684 0.630 0.106 2845 0.731 0.826 0.783 0.095 2872 0.787 0.845 0.801 0.058 czerwona ceramika 3845 0.686 0.789 0.745 0.103 3460 0.765 0.859 0.816 0.094 3575 0.777 0.880 0.827 0.103 Dodatkowo na rys. 5.11 zestawiono rozkład wartości intensity dla trzech badanych próbek uzależnionych od stopnia zawilgocenia.

11. Ocena stopnia trudności przedmiotów nauczania... 19 Rys. 5.11. Histogram rozkładu wielkości intensity dla próbki gazobetonowej, silikatowej i ceramicznej o różnym poziomie wilgotności [18] Na podstawie przeprowadzonych badań wykazano, że istnieje znaczna różnica w wartości intensity chmury punktów zarejestrowanych do próbek gazobetonowych o trzech poziomach nasycenia wodą. W przypadku pozostałych dwóch próbek tj. próbki slikatowej i ceramicznej również występuje znaczna różnic pomiędzy próbką całkowicie suchą i o maksymalnym nasyceniu wodą. Natomiast nie ma istotnej różnicy w zarejestrowanej wielkości intensity dla próbek całkowicie suchych i powietrzno-suchych. Należy

20 11. Ocena stopnia trudności przedmiotów nauczania... przeprowadzić dodatkowe badania powiększając różnorodność materiałów budowlanych oraz wykonać obserwacje dla różnych typów skanera (fazowy, impulsowy) i różnych producentów. Dalsze badania nad wpływem zmian wilgotności skanowanych materiałów na zmianę wartości siły odbicia wiązki lasera są w trakcie realizacji. 5.4. Wnioski W pracy dokonano analizy czynników, które mają wpływ na silę odbicia wiązki lasera od skanowanej powierzchni. Szczegółowa wiedza na temat wpływu poszczególnych czynników na wartość intensity pozwala na odpowiednie zaplanowanie i przeprowadzenie pomiarów, w taki sposób aby uzyskać relatywne duże wartości tej wielkości. Na podstawie badań zawartych w [18 za 4] wskazano, że zmiana wartości intensity jest ściśle skorelowana ze zmianą dokładności pomiaru. Silniejszy sygnał powracający do skanera daje wyższą wartość intensity i zarówno wyższą dokładność pomiaru. Na podstawie dostępnej literatury i własnych badań wykazano, że poza czynnikami atmosferycznymi i systemowymi na wartość siły odbicia wiązki lasera ma wpływ: kolor skanowanej powierzchni, chropowatość skanowanej powierzchni, wilgotność powierzchniowa skanowanego materiału, kąt padania wiązki lasera, odległość skanera od obserwowanego obiektu. Należy zaznaczyć, że wpływ ww. czynników dla każdego skanera może być inna. Jest to podyktowane odmienną budową poszczególnych instrumentów, zastosowaniem różnego typu dalmierza wykorzystującego różną długość fali, zastosowaniem odmiennych filtrów i użycie indywidualnego przez daną firmę oprogramowania wykorzystywanego do obsługi skanera.

11. Ocena stopnia trudności przedmiotów nauczania... 21 Literatura [1] Blaskow R., Schneider D. Analysis and correction of the dependency between laser scanner intensity values and range. The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, Volume XL-5, 2014.ISPRS Technical Commission V Symposium, 23 25 June 2014, Riva del Garda, Italy. [2] Boehler, W. Marbs A., Investigating Laser Scanner Accuracy, The XIXth Cipa Symposium at Antalya, Turkey, 30 SEP 4 OCT 2003. CIPA Symposium, Antalya, Turkey. [3] Bucksch, A. Lindenbergh, R.C. Van Ree, J. Error budget of terrestrial laserscanning : Influence of the intensity remission on the scan, III International Scientific Congress Geo-Siberia, 23-27 April, Novosibirsk 2007. [4] Claassen, E.P., Personal comment, 12th of January 2006. [5] Engström T., Johansson M. The use of terrestrial laser scanning in archaeology Evaluation of a Swedish project, with two examples. Jurnal of Nordic Archaeological Science 16, 2009, s. 3-13. [6] Jelalian A., Laser Radar Systems. Artech House 1992. [7] Kaasalainen S., Jaakkola A., Kaasalainen M., Krooks A., Kukko A., Analysis of Incidence Angle and Distance Effects on Terrestrial Laser Scanner Intensity: Search for Correction Methods. Remote Sens. 3, 2011. [8] Kamiński W., Bojarowski K., Dumalski A., Mroczkowski K., Trystuła J. Ocena Możliwości wykorzystania skanera laserowego scanstation firmy Leica w badaniach deformacji obiektów budowlanych. Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej. 2008. [9] Tan K., Cheng X. Correction of incidence Angle and distance effect on TLS intensity data based on reference targets. Remote Sens,8,251, 2016 [10] Kukko A., Kaasalainen S., Litkey P. Effect of incidence angle on laser scanner intensity and surface data. 2008. [11] Park H.S., Lee H.M. A New Approach for Health Monitoring of Structures: Terrestrial Laser Scanning, Computer-Aided Civil and Infrastructure Engineering, 22 (2007), 19 30. [12] Pesci A. Teza G. Effects of surface irregularities intensity data from laser scanning:an experimental approach. Annals of Geophysics, Vol. 51, N. 5/6, October/December 2008. [13] Pfeifer N., Briese C., Höfle B., Rutzinger M., Haring A. Analysis of the backscattered energy in terrestrial laser scanning data. The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences. Vol. XXXVII. Part B5. Beijing 2008.

22 11. Ocena stopnia trudności przedmiotów nauczania... [14] Rees W. G. Physical Principles of Remote Sensing. Cambridge: Cambridge University. Press. 2013. [15] Suchocki, Cz. Zastosowanie skanera naziemnego w monitorowaniu brzegów klifowych. Rocznik Ochrona Środowiska 2009 Tom 11 715-725. [16] Sabatini R, Richardson M A. RTO-AG-300-V26 Airborne Laser Systems Testing and Analysis. NATO Research and Technology Organization, Vol. 26, 2010. [17] Suchocki Cz. Katzer J. An example of harnessing Terrestrial Laser Scanner for remote sensing of saturation of chosen building materials. Construction & Building Materials, Volume 122, 30 September 2016, 400 405. [18] Van Ree J.M. Determination of the precision and reliability parameters of terrestrial laser scanners by creating a practical experiment set-up. Master thesis. 2006. [19] Voegtle T., Schwab I., Landes T. Influences of different materials on the measurements of a terrestrial laser scanner. The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences. Vol. XXXVII. Part B5. Beijing 2008. [20] Zaczek-Peplinska J., Osińska-Skotak K., Gergont K. Możliwość wykorzystania zmian intensywności dobicia promienia laserowego do oceny stanu konstrukcji betonowej. Inżynieryjne zastosowania geodezji, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, 2012. [21] Zygmunt M., Biłka P. Analiza możliwości zastosowania naziemnego skaningu laserowego w kontroli i ocenie stanu technicznego budowli piętrzących wodę. Acta Sci. Pol., Formatio Circumiectus 13 (3) 2014.