Filtracja Chmur Punktów: Definicja i Zasady Działania
- Szczegóły
Produktem skaningu laserowego jest olbrzymi zbiór punktów w przestrzennym układzie współrzędnych (tzw. chmura punktów). Punkty te są punktami laserowymi i stanowią punkty odbicia od powierzchni terenu oraz obiektów "wystających" ponad tę powierzchnię, jak budynki, drzewa, przewody linii energetycznych itp.
Model ten stanowi produkt przydatny dla wielu zastosowań, np. dla budowy przestrzennego modelu miasta (model miasta 3-D), telekomunikacji, planowania przestrzennego, tworzenia wirtualnych krajobrazów, symulacji lotów nad terenem itp. Punkty te są więc quasi-ciągłą reprezentacją Numerycznego Modelu Pokrycia Terenu - NMP (ang.: Digital Surface Model - DSM).
Najczęstszym jednak zastosowaniem skaningu laserowego jest budowa Numerycznego Modelu Rzeźby Terenu - NMT (ang.: Digital Terrain Model - DTM, lub Digital Elevation Model - DEM), tj. reprezentacji fizycznej powierzchni terenu z jej morfologicznymi formami. W takim przypadku odbicia od obiektów "wystających" ponad powierzchnię terenu muszą być usunięte. Dzieje się to na etapie opracowania w procesie edycji danych.
Jeżeli produktem finalnym jest model wysokościowy terenu - Numeryczny Model Terenu (NMT), odniesiony do powierzchni gruntu, to wszystkie odbicia od obiektów nieleżących na powierzchni gruntu (jak budynki, drzewa, samochody, kable linii przesyłowej czy nawet ptaki) muszą być usunięte. Ten proces "czyszczenia" danych pomiarowych realizowany jest po misji (tryb off-line) i wymaga specjalistycznego oprogramowania i dość znacznych mocy obliczeniowych. Obróbka danych pomiarowych prowadzona jest interaktywnie i może być zautomatyzowana tylko do pewnego stopnia.
Zasada działania skaningu laserowego
Ideę skaningu laserowego można sprowadzić do zasady laserowego pomiaru odległości z lecącego samolotu (helikoptera) do punktów powierzchni terenu. W praktyce promień dalmierza laserowego, poprzez zwierciadło skanujące lub układ światłowodów "przeczesuje" teren w płaszczyźnie poprzecznej do kierunku lotu. Laser działa impulsowo i z dużą częstotliwością "próbkuje" teren.
Przeczytaj także: Definicja i pomiar filtracji kłębuszkowej
Energia częściowo odbita od powierzchni terenu jest poprzez układ optyczny skanera odbierana i rejestrowana. Z dalmierzem synchronicznie współpracuje system GPS, który określa pozycję samolotu, z której wysłano impuls, oraz inercjalny system nawigacyjny (INS), który określa aktualne nachylenia kątowe platformy, na której zamontowana jest optyczna głowica skanująca.
Integracja danych z tych trzech systemów pomiarowych wskazuje położenie, z którego wykonano pomiar odległości, samą odległość i jej kierunek w przestrzeni. Pozwala to określić współrzędne punktu terenowego X, Y, Z, w który w danym momencie był wycelowany laser. Nietrudno dostrzec, że lotniczy skaner laserowy działa jak szybki tachimetr elektroniczny, dlatego też system ten nazywany jest również "Lotniczą Total Station".
Z opisanej zasady działania łatwo zauważyć podobieństwo skanera laserowego do radaru, istotna różnica sprowadza się do tego, że radar działa w zakresie mikrofalowym, a skaner w zakresie optycznym. Z tych powodów skaner laserowy często określa się mianem radaru laserowego, lub LIDAR-u (ang.: LIght Detection and Ranging), tj. systemu, na który składa się laser (emiter świata spójnego) i odbiornik światła odbitego.
Ze skanerem laserowym może współpracować kamera wideo skierowana pionowo w dół. Kamera ta rejestruje na taśmie pas terenu szerszy od zasięgu lasera. Oprócz kamery rejestrującej nadirowo, można zainstalować drugą kamerę, skierowaną pod kątem 45° do przodu i dającą perspektywiczny wgląd w obrazowany teren. Obrazy wideo na etapie obróbki danych są przydatne do interpretacji pokrycia terenu i filtrowania danych pomiarowych. Mogą stanowić również tani, samodzielny produkt w budowanym systemie GIS.
Z przedstawionego działania systemu skaningu laserowego wynika, że w wyniku pomiaru otrzymuje się gęstą sieć punktów o współrzędnych X, Y, Z w układzie współrzędnych WGS-84 lub przeliczonych na inny układ, reprezentujących terenowe punkty, od których odbił się promień lasera. Opisany proces jest prawie całkowicie zautomatyzowany. Zwykle nie jest to jednak produkt końcowy.
Przeczytaj także: Webber AP8400 - wymiana filtrów
Wielokrotne odbicia i intensywność sygnału
Impuls laserowy może doznać więcej niż jednego odbicia. Jeżeli impuls trafi na obszar zadrzewiony, to pierwsze częściowe odbicie nastąpi od korony drzewa, reszta energii przejdzie przez koronę drzewa i odbije się od powierzchni gruntu. Między tymi skrajnymi odbiciami mogą mieć miejsce odbicia pośrednie. Systemy laserowe rejestrują tylko pierwsze, tylko ostatnie, lub oba odbicia (tzw. echa). Są systemy rejestrujące odbicia pośrednie - obecnie do 5 odbić.
Ma to kapitalne znaczenie dla stosowania systemu. Na podstawie zarejestrowanych wielokrotnych odbić można określić wysokość drzew, a nawet numeryczny model wysokości pokrywy lasu względem powierzchni terenu (tzw. znormalizowany NMT), czy np. zwis kabli energetycznych. Obiekty naziemne w różnym stopniu odbijają padającą energię. Najmniejsze odbicie w zakresie bliskiej podczerwieni następuje od powierzchni wody, zaś największe dla lodu i śniegu (50-80%); dla roślinności wynosi ono 30-50%; dla piasku 10-20%. Nowsze systemy mogą rejestrować intensywność sygnału powrotnego.
Dokładność i warunki pomiaru
Przy ocenie dokładności produktu końcowego, którym jest NMT, należy uwzględnić dodatkowo rozkład (gęstość) punktów laserowych oraz skuteczność "czyszczenia" danych z punktów odstających od powierzchni terenu. Obrazowanie tą techniką jest możliwe nawet przy pełnym zachmurzeniu, o ile podstawa chmur jest wyższa od wysokości lotu. Tylko silny deszcz i mgła, tj. warunki ograniczające penetrację promienia laserowego, stanowią przeszkodę. Oznacza to, że w naszych warunkach klimatycznych prawie połowa dni w roku to dni "lotne".
Unikalną cechą lotniczego skanera laserowego jest możliwość przenikania przez warstwę roślinności. Przy dużej gęstości próbkowania jest stosunkowo łatwo - na etapie obróbki danych - odróżnić i wyeliminować odbicia od koron drzew od odbić od gruntu.
Koszty i porównanie z fotogrametrią
Technika jest wydajna, ale wiąże się ze znacznymi kosztami. Cena samego sprzętu to kwota rzędu 0,8-2 mln USD. Stałe koszty operacyjne powodują, że jest opłacalna na dużych obszarach, tj. obszarach powierzchniowych większych od 5 km2, lub obiektach "korytarzowych" dłuższych od 15 km.Istnieje i jest rozwijany rynek producentów skanerów. Skaning laserowy wchodzi do zakresu usług firm fotolotniczych. Ukształtował się rynek usług w tym zakresie. Koszt gotowego produktu zależy od kilku czynników: wielkości obszaru, gęstości punktów pomiarowych, charakteru terenu i koniecznej filtracji danych.
Przeczytaj także: Optymalne rozcieńczenie bimbru
Przy porównaniu techniki skaningu laserowego z fotogrametrią bazującą na tradycyjnych zdjęciach lotniczych należy mieć na uwadze, że porównywalne - pod względem dokładności - wyniki mogą być osiągnięte z opracowania zdjęć wielkoskalowych, w skali około 1:8000. Analiza kosztów wykazuje, że jeżeli produktem końcowym ma być wygenerowanie precyzyjnego NMT, to skaning laserowy pod względem kosztów i wydajności ma przewagę nad tradycyjnym opracowaniem fotogrametrycznym. Należy oczekiwać, że w tym zakresie wyprze zdjęcia lotnicze. Przewaga nad zdjęciami jest wyraźnie widoczna, jeśli produktem końcowym ma być tylko NMT.
Przykłady zastosowań
Lotniczy skaning laserowy znajduje zastosowanie wszędzie tam, gdzie potrzebna jest precyzyjna i szybko dostępna informacja o ukształtowaniu terenu.
- budowa przestrzennego modelu aglomeracji miejskich (tzw. model miasta 3-D)
- inwentaryzacja i konserwacja linii energetycznych, dróg, rurociągów, wałów przeciwpowodziowych i innych wydłużonych obiektów infrastruktury.
Perspektywicznym (i już stosowanym) rozwiązaniem jest połączenie lotniczego skanera laserowego z pomiarową kamerą cyfrową.
tags: #filtracja #chmur #punktów #definicja
