MOBILNÍ MAPOVACÍ SYSTÉMY (= mobilní skenovací systémy)

1. MOBILNÍ MAPOVACÍ SYSTÉMY (= mobilní skenovací systémy) Diplomový seminář HE18 Klusoňová Pavla

2. MOBILNÍ MAPOVACÍ SYSTÉMY (MMS) • systémy se objevily po roce 2000 • aplikace pro rychlý a efektivní sběr geoinformačních dat (pro potřeby mapování nebo GIS aplikace) • využíváno především v zastavěných částech území, kde dochází k rychlým změnám infrastruktury budov, silnic atd., a které není možné dostatečně efektivně zachytit tradičními metodami • Základní skladba zařízení pro určování polohy MMS a pro georeferenci dat ze senzorů: • řídící jednotka • GNSS přijímač • IMU • externí odometry připojené ke kolům vozidla • Mezi taková zařízení patří především různé typy digitálních kamer a laserových skenerů. • Významné mapovací společnosti: • Google, Tele Atlas, NAVTEQ

3. Ukázka konfigurace: • GPS • IMU • DMI = snímač otáček kola

4. LASEROVÉ SKENOVÁNÍ • Laserové skenovací systémy umožňují s mimořádnou rychlostí, přesností, komplexností a bezpečností: • bezkontaktní určování prostorových souřadnic • 3D modelování, vizualizaci složitých staveb a konstrukcí, interiérů, podzemních prostor, libovolných terénů atp. • Nasnímaný objekt může být pomocí softwaru zobrazen ve formě mračen bodů, na jejichž základě může být vytvořen model objektu, který lze převést do CAD systému. • Většina skenovacích systémů využívá nejmodernější pulsní laserovou technologii pro měření délek a určuje polohu bodů prostorovou polární metodou.

5. PRINCIP SKENERŮ

6. LASEROVÉ SKENOVÁNÍ • POZEMNÍ(Terrestrial laser scanning – TLS) • fixovaná pozice během skenování • LETECKÝ(Airbone laser scanning – ALS) • nesený letadlem (FixedWing), vrtulníkem (Rotor Wing), UAV (UnmannedAerialVehicle) • MOBILNÍ(Mobile laser scanning – MLS) • nesený automobilem, čtyřkolkou, lodí, drezínou,…

7. MMS IP-S2 TOPCON • FIRMY: • RIEGEL LASER MEASUREMENT SYSTEMS • OPTECH INC • TOPCON • MITSUBISHI ELECTRIC CORPORATION • TOPSCAN • 3D MAPPNG SOLUTIONS

8. PRINCIP MMS Nosič laserového skeneru se pohybuje po nelineární trajektorii, pro správné určení polohy podrobných bodů je třeba znát pro každý okamžik měření přesnou polohu nosiče a směr měření. Tyto informace se zajistí pomocí GNSS a IMU technologie. Zcela zásadně záleží na přesnosti IMU jednotky. Je – li nosičem letadlo nebo automobil je v současné době téměř jedno, ale je jasné, že automobil dělá rychlejší změny pohybu i směru jízdy. IMU IMU = zařízení obsahující pro inerciální navigaci gyroskopy a akcelerometry, které určují nezávisle na prostorové poloze senzoru jeho úhlové prvky vnější orientace vůči přijatému souřadnicovému referenčnímu systému GNSS

9. PROSTOROVĚ NAMĚŘENÁ DATA jsou určena na základě: • PARAMETRY SKENERU • Frekvence vysílaného laserového pulzu (př.: f= 100 kHz → 100.000 bodů za sekundu) • Směr a rozsah vysílaného paprsku (určen vnitřním systémem laseru případně otáčením celého přístroje kolem svislé osy) • ČASOVÉ A PROSTOROVÉ ROZLIŠENÍ (nastaveno pro dané skenování) • RYCHLOST VOZIDLA • V současnosti se používají desítky paralelních skenovacích jednotek, které jsou zacíleny do všech stran – eliminují tak případné nepokryté oblasti, zvyšují počet nasnímaných bodů a přesnost Skener Sick LMS 291, vějířovitý vzor naměřených bodů

10. DIGITÁLNÍ ZOBRAZOVACÍ ZAŘÍZENÍ Pro snadnější interpretaci dat získaných skenery je vhodné mít i odpovídající obrazový záznam. K získání digitálního obrazového záznam je nutné integrovat digitální fotoaparáty či kamery do mobilních systémů a zajistit jejich přesnou synchronizaci se systémy GNSS a IMU. V současných systémech se používají zobrazovací zařízení, která jsou vybavena více objektivy a mohou tak snímat v panoramatickém či sférickém záběru (360°). Díky tomu je každý bod zachycen na více snímcích z různých úhlů. Výrobci: Sony, Hitachi, Toschiba, IMC, Pelco Ladybug3 Dodeca 2360

12. V mobilních mapovacích systémech jsou k dispozici dva observační režimy: • STATICKÝ (“stop-and-go“) • Na vozidle je namontován jeden nebo více skenerů. Během doby skenování se pozice a orientace skeneru nemění. Po skenování se vozidlo přesune a pořídí se další sken. Poloha každého mračna bodů je určena v místním souřadnicovém systému, který má 6 (nebo 7) stupňů volnosti: 3 souřadnice referenčního bodu skeneru (počátek SS), 3 úhly rotace os (popřípadě změnu měřítka). Registrace a georeferencování každého mračna bodů může být založeno například na IPC (interační algoritmus nejbližšího bodu) algoritmu v kombinaci s prostorovou podobností transformací založenou na VL se známými souřadnicemi v globálním SS. • KINEMATICKÝ(“on-the-fly) • Vozidlo se pohybuje po trajektorii bez zastavení a laserový skener skenuje nepřetržitě v rovinném profilu. Každý skenovaný bod je v individuálním SS a proto je nutné sledovat okamžitou polohu referenčního bodu skeneru a orientaci os skeneru v globálním systému s vysokou přesností a časovým rozlišením. • Určení polohy pomocí GPS pro MLS je v městském prostředí omezeno a v případě aplikace interiéru (tunely, rozlehlé haly) nemožné kvůli nedostupným GPS satelitům.

13. POŘIZOVÁNÍ DAT • Pro sběr dat musí být všechny senzory propojeny s operačním systémem pracujícím v reálném čase. PC (notebook) slouží jako hostitelský server pro počítadlo reálného času a pro ukládáni dat. • Proces sběru: • Příprava MMS = inicializace všech použitých senzorů (otočení skeneru na určenou orientaci) • Pořizování dat = naměřená data jsou spolu s informací o čase zaznamenána a uložena na PC do databáze měření • Ukončování = systém musí být zastaven

14. PRŮBĚH ZPRACOVÁNÍ • Matematický algoritmus kombinuje synchronizované informace ze všech senzorů, potřebných pro prostorové referencování k odvození trajektorie skeneru a orientace os ve zvoleném referenčním systému. • K prostorově-časovému referencování se často používá filtrování a vyhlazovaní dat (Kalmanův filtr) tak, aby měření vyhovovalo účelu měření trajektorie. • Vizualizace mračna bodů se využívá pro první rychlou kontrolu naměřených dat a je nezbytná pro další zpracování. Mračna bodů jsou ukládána ve formě dlouhých seznamů souřadnic (X, Y, Z) případně s dalšími atributy jako je intenzita a úhel odrazu. • POST-PROCESSING (následné zpracování/ úprava dat) • Přiřazení dat do požadovaného SS (pouhé převedení do cílového SS) • Eliminace nepotřebných či chybových dat - chyby vznikají v závislosti: • na atmosférických podmínkách • hustý déšť, mlha či sněžení mohou způsobit odraz laserového pulzu dříve než dosáhne měřeného povrchu

15. VIZUALIZACE - RASTROVÉ OBRAZY • Laserová data mohou být převedena do rastrového obrazu. Možné je zobrazit mračno bodů přímo pomocí bodových rendrovacích metod. • VÝŠKOVÉ OBRAZY • Tvorba ve třech krocích: • Definice mřížky obrazu (velikost pixelu) • Určení výšky pro každý pixel • Transformace výšky na hodnotu šedé nebo barevné škály • Výška je definována jako funkce výšky bodů v rámci pixelu (např: průměr, medián). • STÍNOVÉ OBRAZY • Vhodný pro vzualizaci lokálních výškových změn, jako jsou střechy budov. • OBRAZY INTENZITY • K tvorbě obrazu se používá amplituda odraženého laserového pulsu.

16. OBRAZY HUSTOTY BODŮ Určují se prostým sčítáním bodů v rámci pixelu. BODOVÉ RENDROVÁNÍ Bodová mračna lze procházet přímo pomocí prohlížečů mračen – kromě souřadnic X, Y, Z je umožněno zadat i velikost bodu (v pixelech), barvu a normálu bodu. Normály mohou být dodány společně s body jako výstup skenování nebo se odhadnou později v kroku předzpracování.

17. Ukázka výstupu

18. ASPEKTY MOBILNÍHO LASEROVÉHO SKENOVÁNÍ • Podrobné zaměření polohopisu a výškopisu • snadné generování DMT • rychlé a přesné získání podkladů pro projektové práce • možnost kombinace s dalšími mapovými podklady (např. s katastrální mapou) • okamžitá kontrola průběhu vlastnických hranic • Možnost sledování (monitoring) postupu stavebních prací • Zaměření stávajícího stavu staveb • Sledování změn v okolí komunikace (půdní eroze, skalní sesuvy, růst vegetace,…) • Vyhledávání a lokalizace objektů (překážek) v blízkosti komunikací z pohledu bezpečnosti silničního provozu (např. reklamní poutače) • Pasportizace dopravního značení

19. Zjišťování souladu katastrální mapy se skutečností

20. Využití MLS při dokumentaci stavu vozovky – snadné a rychlé využití naměřených dat

21. KLADY A ZÁPORY • Rychlost vyhodnocení 1-2 km za 1 den • + Cena takto získané mapy je poloviční oproti klasicky zaměřené • + Přesnost a detailnost mapy je mnohem větší • Mapování pouze toho „co je vidět z komunikace“ • Případně nutné doměření jinou metodou

22. PROJEKT D11 (Praha – Hradec Králové) Vzhledem k tomu, že se od roku 2009 začalo provádět ALS středního pásu Čech, projekt VaV MD ČR se zaměřil na laserové skenování objektu právě v této předpokládané části naší republiky tak, aby bylo možno data porovnat a případně kombinovat. Firmou Geovap Pardubice (která zajišťuje v kooperaci s belgickou firmou MLS) byla nasnímána dálnice D11. Celkem bylo provedeno více jízd po dálnici (tam a zpět a ještě jednou pro eliminaci zakrytých prostor – např.: automobily a povětrnostních podmínek)

23. PROJEKT D11 • Využit byl špičkový systém LYNX – parametry: • Běžný skenovací den: 3 miliardy bodů • Uliční fronta v zástavbě: • 40-80 km/den • liniové trasy mimo zastavěné oblasti: až 100km/den • dálnice a rychlostní komunikace až 120km/den • za 1 den byl zaměřen celý úsek dálnice D11 – 2x tam a zpět LYNX na terénním voze a vnitřní jednotka

24. PROJEKT D11 • SNÍMACÍ HLAVY SKENERŮ LYNX • pokrytí 360° • rychlost otáčení 9000 otáček/min • výstup: 200 000 pulsů/sec • měření až 4 odrazy/puls • třída 1.bezpečnosti laserového záření • neviditelný svazek paprsků • dosah až 200 m • zaměření pásu o šířce 400 m

25. Ukázka výstupu z MLS v porovnání s ortofotem, dálnice D11.

26. DĚKUJI ZA POZORNOST