Συστήματα Σάρωσης με laser-lidar Ανδρέας Γεωργόπουλος Καθηγητής Ε.Μ.Π. drag@central.ntua.gr
Άδεια χρήσης Το παρόν υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons και δημιουργήθηκε στο πλαίσιο των Ανοιχτών Ακαδημαϊκών Μαθημάτων από την Μονάδα Υλοποίησης του ΕΜΠ. Για το υλικό που υπόκειται σε άδεια χρήσης άλλου τύπου, αυτή πρέπει να αναφέρεται ρητώς.
LiDAR: Τι και Πώς; Η ονομασία LiDAR προέρχεται από τον όρο Light Detection and Ranging, ενώ αναφέρεται και ως Radar Laser Το LiDARαποτελεί έναν εναλλακτικό δέκτη, ο οποίος παράγει υψομετρικά δεδομένα που δεν ήταν δυνατό να αποκτηθούν μέχρι την εμφάνισή του. Δεν φιλοδοξεί να αντικαταστήσει τους συμβατικούς δέκτες (π.χ. Μηχανές αεροφωτογραφίσεων), αλλά λειτουργεί συμπληρωματικά 3
LiDAR (Light Detection And Ranging)(1/3) Ο ενεργητικός αυτό δέκτης εκπέμπει μερικές χιλιάδες παλμούς laser το δευτερόλεπτο Κάθε παλμός ανακλάται στο αντικείμενο και επιστρέφει στον δέκτη, ενώ ο χρόνος της διαδρομής μετράται με χρονόμετρο ακριβείας και μετατρέπεται σε απόσταση Αυτή ηαπόστασηκαθώς και η θέσηκαι ο προσανατολισμός του αεροσκάφους (που είναι εφοδιασμένο με INS και GPS) χρησιμοποιούνται για τον προσδιορισμό των συντεταγμένων του στόχου 4
LiDAR (Light Detection And Ranging)(2/3) Για κάθε παλμό μπορεί να καταγραφούν πολλαπλές επιστροφές Δυνατότητα για έως 200.000+ παλμούς/sec. Κάθε τι που φαίνεται από το αεροπλάνο μπορεί να καταγραφεί! Εικόνα 1. Laser Scanning 5
LiDAR (Light Detection And Ranging)(3/3) σαρωμένη περιοχή περιοχή προς σάρωση Εικόνα 2. Σαρωτής Laser (laser scanning) Ιπτάμενο σύστημα σάρωσης με laserγια τον προσδιορισμό 6 της γήινης επιφάνειας
Είδη δεκτών LiDAR(1/4) Αερομεταφερόμενοι(airborne) Δορυφορικοί(satellite) Υδρογραφικοί(hydrographic) Επίγειοι(terrestrial) Μετακινούμενοι(mobile mapping systems) Εικόνα 3. Airborne Laser Scanner Εικόνα 4. Δορυφορικός δέκτης 7
Είδη δεκτών LiDAR(2/4) Εικόνα 5. CloudSat radar Εικόνα 6. 3D Laser scanner Εικόνα 7. Υδρογραφικό LiDAR 8
Είδη δεκτών LiDAR(3/4) Εικόνα 7. Επίγειος δέκτης LiDAR Εικόνα 8. TehnicalData 3D Scanner Hardware RIEGEL LMS-Z390i 9
Είδη δεκτών LiDAR(4/4) Εικόνα 9. Επίγειες μετρήσεις με την χρήση MMS 10
Αρχή λειτουργίας LiDAR Εικόνα 10. Αρχή λειτουργίας των LiDAR Μέτρηση χρόνου (Time-of-Flight ToF) Μέτρηση διαφοράς φάσης (Phase Shift) 11
Kύριαμέρη συστήματος LiDAR Πλατφόρμα (αεροσκάφος) Κυρίως δέκτης (πομπός δέκτης) Διαφορικό GPS Αδρανειακό Σύστημα(IMU) Η/Υ Εικόνα 11. Βασικά μέρη του LiDAR 12
Αρχή λειτουργίας LiDAR Εικόνα 12. Σχηματική απόδοση της λειτουργίας των LiDAR 13
Χαρακτηριστικά δεκτών LiDAR Ρυθμός επανάληψης (παλμοί/sec) Συχνότητα σάρωσης(ταχύτητα ταλάντωσης) Γωνία σάρωσης (IFOV) Ύψος πτήσης Απόσταση γραμμών πτήσης Πυκνότητα σημείων Εύρος κάλυψης Μήκος κύματος (λ=532 1550 nm) 14
Πρώτος παλμός Η καταγραφή του πρώτου παλμού επιτρέπει την αποτύπωση των ψηλότερων αντικειμένων, ενώ η καταγραφή του τελευταίου παλμού χρησιμοποιείται για την αποτύπωση του εδάφους. Τελευταίος παλμός Για μεγάλες γωνίες σάρωσης οι ακτίνες laserπαγιδεύονται στη βλάστηση. Είναι αδύνατο να παραχθεί DEM του εδάφους στις θέσεις αυτές, δεδομένου ότι δεν υπάρχουν σχετικές μετρήσεις. Εικόνα 13α. Πολλαπλές επιστροφές παλμού 15
Πολλαπλές επιστροφές παλμού Multiple Return LIDAR EarthData Aeroscan Multiple Return LIDAR Pulse emission nanosec 0 meters 0 20 50% 100% 6 0 0 first return 50% 100% 20 6 no return 40 12 50% 100% second return 60 18 80 50% 100% 24 third return 100 50% 100% 30 120 36 fourth return 140 50% 100% 42 Εικόνα 13β. Πολλαπλές επιστροφές παλμού Εικόνα 13γ. Πολλαπλές επιστροφές παλμού 16
Πολλαπλές επιστροφές παλμού Εικόνα 13δ. Πολλαπλές επιστροφές παλμού 17
Πολλαπλές επιστροφές παλμού DSM DTM Εικόνα 14α. Σύγκριση δεδομένων του πρώτου και του τελευταίου παλμού 18
Πολλαπλές επιστροφές παλμού DSM DTM Εικόνα 14β. Σύγκριση δεδομένων του πρώτου και του τελευταίου παλμού 19
Υδρογραφικά LiDAR Δέκτες με κατάλληλο μήκος κύματος Πράσινο για διείσδυση στο νερό Συνδυασμός με δέκτη NIR για προσδιορισμό επιφάνειας νερού Μέγιστο βάθος 15-20 m Μέγιστο ύψος πτήσης 400 m Εικόνα 15. Airborne LiDAR Bathymetry 20
Διαδικασία σάρωσης Προγραμματισμός πτήσης Ίδρυση και μέτρηση σημείων επίγειου ελέγχου (GCP) Βαθμονόμηση συστήματος LiDAR Πτήση και Συλλογή δεδομένων Επεξεργασία πρωτογενών δεδομένων Επιβεβαίωση και έλεγχος ποιότητας Παραγωγή προϊόντων 21
Βαθμονόμηση συστήματος LiDAR Προσδιορισμός γραμμικών και γωνιακών αποκλίσεων των δεκτών και υποσυστημάτων (boresight misalignment) Βαθμονόμηση συστήματος γεωαναφοράς (GPS/IMU) πριν από κάθε πτήση (πεδίο ελέγχου) GPS Y INS X INS X L Y L Z M Z INS Z L r M,INS Y M r L r M,k k ΔZ ΔY ΔX k X M Εικόνα 16α. Διαδικασία βαθμονόμησης του LiDAR 22
Βαθμονόμηση συστήματος LiDAR Εικόνα 16β. Διαδικασία βαθμονόμησης του LiDAR 23
Χαρακτηριστικά δεδομένων LiDAR Τα πρωτογενή δεδομένα είναι σημείαxyz Μεγάλη χωρική ανάλυση Ίχνος Laserστο έδαφος 0.50 m Τυπική πυκνότητα0.5-20+ παλμοί/m 2 Έως 6 επιστροφές/παλμό (σε δασικές περιοχές) Μεγάλος όγκος δεδομένων 1με6+ παλμοί/m 2 1 με 10+ επιστροφές/m 2 Εικόνα 17. Διαδικασία σάρωσης 24
Επεξεργασία δεδομένων Εικόνα 18. Υψομετρική πληροφορία Εικόνα 19. Καταγραφή έντασης Προεπεξεργασία GPS/INS για γεωαναφορά Πληροφορίες από βαθμονόμηση Ταξινόμηση (ανάλογα με ιδιότητες επιστρεφόμενης ακτινοβολίας) Παρεμβολή (αρχεία LAS) Εξαγωγή χαρακτηριστικών 25
Αρχεία LAS Το πρότυπο LAS(2003-2007) Συμβατότητα δεδομένων Δομή Public Header Block Γενικές πληροφορίες (πηγή παραγωγής δεδομένων -κατασκευαστής, λογισμικό επεξεργασίας, πλήθος των σημείων, στατιστικά στοιχεία) Variable Length Records Μεταβλητές όπως η γεωγραφική προβολή και τα μεταδεδομένα (metadata). Point Data Block Τιμές συντεταγμένων X,Y,Zτων σημείων laser, τιμές έντασης, πλήθος επιστρεφόμενων παλμών. 26
Νέφος σημείωναπό LiDAR Εικόνα 20. α. Digital Surface Model β. Digital Terrain Model 27
Ακρίβεια -Αξιοπιστία Θέση (X,Y,Z) για κάθε επιστροφή 0.15-1.00m οριζοντιογραφικά 0.10-0.15m υψομετρικά Έδαφος(επιφάνεια γης) Πώς ορίζεται το έδαφος? Ύψος βλάστησης Υποεκτίμηση κατά 0.5 με2 m Το σφάλμα εξαρτάται από το είδος Δυσμενής επίδραση σκόνης και υγρασίας 28
Leica ALS60 Προδιαγραφές Επιχειρησιακό υψόμετρο πτήσης 200 m 5000 m από ΜΣΘ Επιστροφές 4 Ψηφιοποίηση έντασης παλμού 8 bit Μέγιστο FOV 75 μοίρες Αποθηκευτικό μέσο 500 GB HDD (~18 ώρες σε μέγιστο ρυθμό) Διαχείριση πτήσης μέσω Leica FCMS flight management software 29
Leica ALS60 Εικόνα 21α. Leica ALS60 Εικόνα 21β. Leica ALS60 30
Δέκτες LiDAR Εικόνα 22α. Δέκτης LiDAR Εικόνα 22β. Δέκτης LiDAR Εικόνα 23α. ALTM Pegasus Εικόνα 23β. ALTM Pegasus 31
Κλασική Φωτογραμμετρία vs. LiDAR LiDAR 24ωρη λειτουργία Άμεση συλλογή 3D πληροφορίας Καλύτερη ακρίβεια στα υψόμετρα Δύσκολη ερμηνεία από τα νέφη σημείων Όμως οι τιμές της έντασης παράγουν χρήσιμες «εικόνες» Φωτογραμμετρία Δεδομένα μόνο την ημέρα Πολύπλοκες διαδικασίες για προσδιορισμό 3D Καλύτερη ακρίβεια στην οριζοντιογραφία Πλούσια σε ερμηνευτική πληροφορία 32
Εφαρμογές (1/4) 3D Μοντέλα πόλεων για αστικό σχεδιασμό Παρακολούθηση και προστασία παράκτιων ζωνών Χαρτογράφηση έργων οδοποιίας, αγωγών, έργων μεταφοράς ενέργειας κλπ. Καταγραφή και διαχείριση Πλημμυρική προστασία και υδρογραφικές προσομοιώσεις 33
Παράδειγμα Εφαρμογής: 3D μοντέλα πόλεων Εικόνα 24. Τμήμα της πόλης Pavia στην Ιταλία 34
Εφαρμογές (2/4) Εικόνα 25. Ψηφιακό Μοντέλο Επιφάνειας (DSM) 35
Εφαρμογές (3/4) Εικόνα 26. Ψηφιακό Μοντέλο Εδάφους (DΤM) 36
Εφαρμογές (4/4) Εικόνα 27α. DSM Εικόνα 27β. DSM Εικόνα 28. Δημιουργία DSM 37
Παράρτημα(1/5) Εικόνα 1. Laser Scanning:«Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.» Εικόνα 3. Airborne Laser Scanner: http://www.leicageosystems.com-cc:by-nd Εικόνα 4. Δορυφορικός δέκτης: http://www.eohandbook.com/eohb05/ceos/part3_1_pop3.html-cc:by-nd Εικόνα 5. CloudSatradar: http://www.eohandbook.com/eohb05/images/cloud_profil e_02.jpg-cc:by-nc-sa Εικόνα 6. 3D Laser scanner: https://images.yumpu.com/yumpu.com/000/037/616/890/ 1420006744_0484/small/FARO_Focus_3D_Laser_Scann000 001.jpg-CC:BY-ND 38
Παράρτημα(2/5) Εικόνα 7. Υδρογραφικό LiDAR: http://www.ocean361.com/product/common/upload/2013 /05/19/1717416C.jpg-CC:BY-ND Εικόνα 8. Technical Data 3D Scanner Hardware RIEGEL LMS- Z390i: http://www.geographica.hr/english/instruments/scanners/ riegl-cc:by-nd Εικόνα 9. Επίγειες μετρήσεις με την χρήση MMS:«Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.» Εικόνα 10. Αρχή λειτουργίας των LiDAR: SarbornCompany, http://www.sanborn.com/-cc:by-nc-sa 39
Παράρτημα(3/5) Εικόνα 11. Βασικά μέρη του LiDAR, Εικόνα 12. Σχηματική απόδοση της λειτουργίας των LiDAR:«Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.» Εικόνα 12. Σχηματική απόδοση της λειτουργίας των LiDAR:«Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.» Εικόνα 13β. Πολλαπλές επιστροφές παλμού: https://www.e-education.psu.edu/geog481/sites/www.e- education.psu.edu.geog481/files/figure_1_06.jpg-cc:by- NC-SA 40
Παράρτημα(4/5) Εικόνα 14α,β. Σύγκριση δεδομένων του πρώτου και του τελευταίου παλμού:«υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.» Εικόνα 15α. Airborne LiDAR Bathymetry:http://aeromapss.com/airborne-lidarbathymetry/-CC:BY-ND Εικόνα 16α,β. Διαδικασία βαθμονόμησης του LiDAR:«Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.» Εικόνα 17. Διαδικασία σάρωσης:«υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.» 41
Παράρτημα(5/5) Εικόνα 21α,β. Leica ALS60: http://www.leica- geosystems.com/en/leica-als60-airborne-laser- Scanner_57629.htm-CC:BY-ND Εικόνα 22α,β. Δέκτης LiDAR: http://www.giminternational.com/wosimages/1727_88.jpg-cc:by-nd Εικόνα 23α. ALTM Pegasus: http://www.teledyneoptech.com/index.php/product/pegas us-altm/-cc:by-nd Εικόνα 23β. ALTM Pegasus: http://aerialsurveysintl.com/images/orion_pic_xsm.png- CC:BY-ND Εικόνα 25. Ψηφιακό Μοντέλο Επιφάνειας (DSM) & Εικόνα 26 Ψηφιακό Μοντέλο Εδάφους (DΤM) : Geological Survey of Norway (http://www.ngu.no/) -CC:BY-NC-SA 42
Χρηματοδότηση Το παρόν υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του επιχειρησιακού προγράμματος «Εκπαίδευσης και δια βίου μάθησης» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκό Κοινοτικό Ταμείο και από εθνικούς πόρους.