Συστήµατα Σάρωσης µε laser LiDAR LiDAR: Τι και Πώς? Η ονοµασία LiDAR προέρχεται από τον όρο Light Detection and Ranging, ενώ αναφέρεται και ως Radar Laser Το LiDAR αποτελεί έναν εναλλακτικό δέκτη, ο οποίος παράγει υψοµετρικά δεδοµένα που δεν ήταν δυνατό να αποκτηθούν µέχρι την εµφάνισή του. εν φιλοδοξεί να αντικαταστήσει τους συµβατικούς δέκτες (π.χ. Μηχανές αεροφωτογραφίσεων), αλλά λειτουργεί συµπληρωµατικά LiDAR (Light Detection And Ranging) 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 η απόσταση καθώς και η θέση και ο προσανατολισµός του αεροσκάφους (που είναι εφοδιασµένο µε INS και GPS) χρησιµοποιούνται για τον προσδιορισµό των συντεταγµένων του στόχου Για κάθε παλµό µπορεί να καταγραφούν πολλαπλές επιστροφές υνατότητα για έως 200.000+ παλµούς/sec. Κάθε τι που φαίνεται από το αεροπλάνο µπορεί να καταγραφεί! LiDAR (Light Detection And Ranging) Σαρωτής Laser (laserscanning) περιοχή προς σάρωση σαρωµένη περιοχή Ιπτάµενο σύστηµα σάρωσης µε laser για τον προσδιορισµό της γήινης επιφάνειας 1
Είδη δεκτών LiDAR Αρχή λειτουργίας LiDAR Αεροµεταφερόµενοι (airborne) ορυφορικοί (satellite) Υδρογραφικοί (hydrographic) Επίγειοι (terrestrial) Μετακινούµενοι (mobile mapping systems) Μέτρηση χρόνου (Time-of-Flight ToF) Μέτρηση διαφοράς φάσης (Phase Shift) Kύρια µέρη συστήµατος LiDAR Αρχή λειτουργίας LiDAR Πλατφόρµα (αεροσκάφος) Κυρίως δέκτης (ποµπός δέκτης) ιαφορικό GPS Αδρανειακό Σύστηµα (IMU) Η/Υ 2
nanosec meters 0 0 Pulse emission 20 6 first return no return second return third return fourth return 0 20 40 60 80 100 120 140 0 6 12 18 24 30 36 42 23/4/2013 Μηχανισµοί Σάρωσης Χαρακτηριστικά δεκτών LiDAR Επίγειο πρότυπο σάρωσης 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) Πολλαπλές επιστροφές παλµού 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. Πολλαπλές επιστροφές παλµού Multiple Return LIDAR EarthData Aeroscan Multiple Ret urn LIDAR Τελευταίος παλµός Για µεγάλες γωνίες σάρωσης οι ακτίνες laser παγιδεύονται στη βλάστηση. Είναι αδύνατο να παραχθεί DEM του εδάφους στις θέσεις αυτές, δεδοµένου ότι δεν υπάρχουν σχετικές µετρήσεις. 3
Πολλαπλές επιστροφές παλµού Πολλαπλές επιστροφές παλµού DSM DTM Σύγκριση δεδοµένων του πρώτου και του τελευταίου παλµού DSM DTM Αποτύπωση ανοιχτών ορυχείων Döbern, Γερµανία Υδρογραφικά LiDAR έκτες 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 ιαδικασία σάρωσης Προγραµµατισµός πτήσης Ίδρυση και µέτρηση σηµείων επίγειου ελέγχου (GCP) Βαθµονόµηση συστήµατος LiDAR Βαθµονόµηση συστήµατος LiDAR Πτήση και Συλλογή δεδοµένων Επεξεργασία πρωτογενών δεδοµένων Επιβεβαίωση και έλεγχος ποιότητας Παραγωγή προϊόντων 4
Βαθµονόµηση συστήµατος LiDAR Προσδιορισµός γραµµικών και GPS Y γωνιακών αποκλίσεων των δεκτών INS και X INS X υποσυστηµάτων (boresight misalignment) L Y L Βαθµονόµηση συστήµατος Z INS Z M Z L r γεωαναφοράς (GPS/IMU) M,INS πριν από r κάθε πτήση Y M (πεδίο ελέγχου) L k Z Y X r k M,k Χαρακτηριστικά δεδοµένων LiDAR Τα πρωτογενή δεδοµένα είναι σηµεία XYZ Μεγάλη χωρική ανάλυση Ίχνος Laser στο έδαφος 0.50 m Τυπική πυκνότητα 0.5-20+ παλµοί/m 2 Έως 6 επιστροφές/παλµό µ (σε δασικές περιοχές) Μεγάλος όγκος δεδοµένων 1µε6+ παλµοί/m 2. 1 µε 10+ επιστροφές/m 2. X M Επεξεργασία δεδοµένων Αρχεία LAS Υψοµετρική πληροφορία Καταγραφή έντασης Προεπεξεργασία GPS/INS για γεωαναφορά Πληροφορίες από βαθµονόµηση Ταξινόµηση (ανάλογα µε ιδιότητες επιστρεφόµενης ακτινοβολίας) Παρεµβολή (αρχεία LAS) Εξαγωγή χαρακτηριστικών Το πρότυπο LAS (2003-2007) Συµβατότητα δεδοµένων οµή 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,Z των σηµείων laser, τιµές έντασης, πλήθος επιστρεφόµενων παλµών. 5
Νέφος σηµείων από LiDAR Πηγές Σφαλµάτων LiDAR Συλλογή πρωτογενών δεδοµένων Θόρυβος στην καταγραφή Αβεβαιότητα µέτρησης απόστασης Σφάλµα καταγραφής γωνίας Επίδραση ατµόσφαιρας Επεξεργασία Συνόρθωση - Γεωαναφορά Επιλογή σηµείων στο έδαφος Φιλτράρισµα Παρεµβολή Ανάλυση/Οπτικοποίηση Acquisition Scan Angle LiDAR data should be acquired within 18º of nadir as above this angle the LiDAR footprint can become highly distorted Complex terrain can exascerbate the problem Ακρίβεια - Αξιοπιστία Θέση (X,Y,Z) για κάθε επιστροφή 0.20-1.00m οριζοντιογραφικά 0.10-0.15m υψοµετρικά Έδαφος (επιφάνεια φ γης) Πώς ορίζεται το έδαφος? Ύψος βλάστησης Υποεκτίµηση κατά 0.5 µε 2 m Το σφάλµα εξαρτάται από το είδος υσµενής επίδραση σκόνης και υγρασίας 6
Leica ALS60 έκτες LiDAR 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) ιαχείριση πτήσης µέσωέ Leica FCMS flight management software Κλασική Φωτογραµµετρία vs. LiDAR LiDAR 24ωρη λειτουργία Άµεση συλλογή 3D πληροφορίας Καλύτερη ακρίβεια ρβ στα υψόµετρα ύσκολη ερµηνεία από τα νέφη σηµείων Όµως οι τιµές της έντασης παράγουν χρήσιµες «εικόνες» Φωτογραµµετρία εδοµένα µόνο την ηµέρα Πολύπλοκες διαδικασίες για προσδιορισµό 3D Καλύτερη ακρίβεια ρβ στην οριζοντιογραφία Πλούσια σε ερµηνευτική πληροφορία Εφαρµογές 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 7
Παράδειγµα Εφαρµογής: 3D µοντέλα πόλεων Τµήµα της πόλης Pavia στην Ιταλία Εφαρµογές 8