Lézerszkennelés

1. Lézerszkennelés Lézer és tulajdonságai Légi lézeres felmérés alapjai Légi lézerszkennelés alkalmazási területei Összehasonlítás más technológiákkal

2. A fény • Elektromágneses hullám • Jellemzői • Sebesség, frekvencia, hullámhossz • c=fλ • Energia • E=hf • Terjedési jellemzők • Egyenes vonalban terjed, Fermat, visszaverődhet/elnyelődhet, független sugarak

3. Fény • Látható fény: 400-700 nm (ibolyától vörösig)

4. Lézer • LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation; Fénykibocsátás indukált emisszióval • Einstein, 1917: stimulált emisszió • Maiman, 1960: első lézer (rubinkristály)

5. Lézer működése

6. Lézerek fajtáiFényerősítő közeg szerint • Szilárd (pl. rubin, 695 nm) • Hosszú élettartam, de ritka (az anyag), főleg jó minőségben • Gáz, pl. üvegcsőben hélium (632nm) vagy CO2 (infra) • Olcsó, könnyen előállítható, de a hullámhossz és energia korlátozott • Folyadéklézer (festéklézer) • Hangolható (bármilyen hullámhossz), de rövidebb az élettartama és általában mérgező folyadékok • Félvezető lézerek (piros és infra)

7. Lézer tulajdonságai( „normál” fény) • Monokromatikus (egyetlen hullámhosszú összetevőből áll) • Koherens (a fázis minden keresztmetszetben azonos) • Kis divergencia (keskeny és kis széttartású nyaláb) • Polarizáció (lézer által kibocsátott hullámok mágneses mezejének iránya állandó) • Koncentrált energiájú

8. Lézer típusokhullámhossz (szín) szerint • Kék 460nm • Zöld 532nm (vízbe hatoló) • Piros 635nm

9. Visszaverődési táblázat; 900nm

10. Két fontos jellemző:biztonság és terjedés • Koncentrált fény • Különböző lézerosztályok • Vagy alacsony energia vagy olyan hullámhossz, melyre a szem nem érzékeny • Terjedés • Tkp. ahogy az emberi szem lát • Enyhe köd, pára nem akadály • Sötétben is működik

11. Lézer alkalmazási területei • Pointer, CD stb. • Koncentrált fény: jó marker

12. Lézerszkennelés - LiDAR • Időméréses (time of flight measurement) • Fázisméréses (phase m.) • Teljes hullámforma mérése (full waveform m.)

13. Távmérés • D=v*t/2 • D-távolság • v-fény sebessége • t-fény utazási ideje (oda-vissza) • Felbontás: ΔD=v*Δt/2

14. LiDAR működése • Platform • GPS/IMU • Lézer szenzor

15. ODOT rendszer • Cessna • Jena LMK • Optech ALTM • Applanix navigációs rendszer

16. ODOT rendszer

17. Platformok • Ma • Repülőgépek • Helikopterek • Fejlesztések • UAV • Űrhajó • Műhold

18. LiDAR szenzorokműködési rendszerek • Tükrös • Nutáló tükrös • Oszcilláló • Forgó poligonos • Optech, LH systems, Terrapoint stb. • Fix beépítésű • Optikai szálas • Toposys

19. Szkennelési mintanutáló tükrös

20. Szkennelési mintaoszcilláló tükrös

21. Szkennelési mintaFix beépítésű

22. Szkennelési mintákösszehasonlítás

23. LiDAR pontsorok felbontása • Pontok távolsága a repülés irányában • (v/sf)/2 • v: szenzor sebessége • sf: szkennelési frekvencia • Pontok távolsága keresztirányban • (2*sf*sw)/rr • sw: szkennelési sáv szélessége • sw=2*sh*tan(sa/2) • sh: szenzor magassága • sa: szkennelési szög • rr: kibocsátási frekvencia (pulzus gyakorisága)

24. Példafelbontás

25. Lézer-hatótáv • Következő kibocsátás mindig az előző jel visszaérkezése után! • Repülő által megtett út kibocsátás és visszaverődés között • s=2vR/c (pl. v=60m/s, R=750m: s=0.3mm) • 25kHz-es rendszernél a max. hatótáv: 6km • (300000/25000)/2 • A hatótáv tehát inkább a következőktől függ: • Kibocsátási energia, sugár széttartás, atmoszferikus hatások, visszaverődési tulajdonság, vevő érzékenysége stb.

26. Rep rate • Optech ALTM 3100: 100 kHz

27. First/Last pulse • Több visszaverődés • Impulzus hossztól függ • Mai rendszerek: 2-3 m

28. First/Last pulse DSM/DEM

29. First/Last pulse DSM/DEM

30. Intenzitás

31. LiDAR adatok tárigénye

32. Emlékeztető: RADAR

33. LiDAR DSM

34. LiDAR DSM

35. Alkalmazási területek • DEM/DSM • Erdészet (forestry) • Part felmérés (coastal engineering) • Vonalas felmérés (corridor mapping) • Építkezések (construction) • Árvízvédelmi alkalmazások (flood mapping) • Városi alkalmazások (urban modeling) • Katasztrófavédelmi alkalmazások (disaster response and damage assesment) • Vizenyős vagy nehezen elérhető területek (wetlands, restricted access areas)

36. LiDAR hátrányok • Költségek • Vizek határvonalának felmérése • Törésvonalak detektálása • Légköri hatások • Új technológia • Feldolgozás • Szakértelem • szabványok

37. Szűrések

38. Alkalmazások

39. A lézerszkennelés rövid története • 1972: Airborne Profile Recorder (APR) és kombinált blokk-kiegyenlítés • 1980-88: megvalósíthatósági tanulmányok • 1989-90: lézerprofilozás (Ackermann, Stuttgart) • 1993: kereskedelmi termék (TopScan ALTM1020) • 1999: 30-féle lézerszkenner a piacon • 2004: első magyar légi kísérlet

40. LiDAR vs. Fotogrammetria

41. Különbségek I. • Passzív vs. Aktív, nagy teljesítményű, kollimált, monokromatikus érzékelés • Frame vagy soros szenzorok perspektív geometriával vs. Pont-szenzorok poláris geometriával • Teljes területi lefedettség vs. Pont-mintavételezés

42. Különbségek II. • Direkt vs. Indirekt 3D koordináta számítás • Geometriailag és radiometriailag jó minőségű (akár multispektrális) képek vs. képek nélküli vagy gyengébb minőségű monokróm képi információ • LiDAR-nál: footprintnél kisebb objektumok (területek) érzékelése

43. Közös pontok • Szenzorok egyesítése (sensor fusion) • GPS használata. Digitális fotogrammetriánál (különösen soros érzékelőknél) GPS/INS használata • Kép ill. digitális jelfeldolgozás • Adatfeldolgozás módszerei, pl. durva hibák szűrése, objektumok leválogatása, tömörítés, törésvonalak felmérése • Szabályos szerkezetbe interpolált LiDAR adatsor akár képként kezelhető

44. Repülési terv készítése • Fotogrammetria: jól megalapozott technológia • Két irányú átfedések miatt stabilabb • Redundancia segíthet az adatfeldolgozásnál • GPS/INS hibánál illesztőpontok segíthetnek • LiDAR • Rések a sávok között (keskenyebb sávok) • Változatos domborzaton közelítő DTM, esetleg helikopter szükséges • DGPS elengedhetetlen (referencia-állomások)

45. Repülési magasság, lefedettség • Légifotózásnál nagyobb magasság és sebesség • Fotogrammetria: Nagyobb lefedettség (pl. 75° FOV vs. LiDAR 20-30°) • Azonos magasságnál és sebességnél a 75°/30° különbség 2.9-szer nagyobb lefedettséget biztosít

46. Repülés ideje, időjárás-függőség • LiDAR aktív: nap 24 órájában használható • Ahogy a fotogrammetriánál is, DEM-hez jobb levélhullás után repülni, akár vékony hóréteggel (ez hullámhossztól függően még jó is lehet) • Időjárási jellemzők (felhők, köd, szmog, füst, por, pára) ugyanúgy befolyásolják mindkét technológiát • Erős szél nagyobb hátrányt jelent a LiDAR-nak (navigáció, keskeny sávok)

47. Visszaverődés • Lézer keskeny spektrális tartomány (0.1-5 nm) • Néhány tárgyról bizonyos tartományban rendkívül jó visszaverődés (pl. 900nm-nél hó, fa) • Néhány tárgynál gyenge visszaverődés (pl. frissen aszfaltozott út) • Légifényképezés: általában a teljes látható tartományt lefedi

48. Képi információ • LiDAR-nál különböző felbontás két irányban: teljes területről lehetetlen homogén sűrűséget elérni • Interpoláció szabályos rácsba • LiDAR nem érzékeny az árnyékokra • „Lézer képek” már eleve geokódoltak

49. Automatizálhatóság • Ideális esetben egy LiDAR rendszer automatikusan adja a koordinátákat • Szűrésre (pl. növényzet) • Interpolációra • Automatizálhatóság • Fotogrammetriában több manuális munka • Belső tájékozás automatizálható • Légi háromszögelést nehéz automatizálni (image matching nem tökéletes) • DSM-ből DEM: több manuális munka

50. Technológiai megalapozottság • Fotogrammetria: évtizedek tapasztalata • Programcsomagok, eljárások stb. • LiDAR többnyire szolgáltatóktól • Egyre több szoftver • Nincs egységesen elfogadott szabvány kalibrációra, ellenőrző pontokra, pontosság mérésére stb.