Laserkeilausteoriaa

Laserkeilaus yhdistää lasersäteiden ohjauksen ja laseretäisyysmittauksen skannatakseen 3D-objekteja. Ottamalla etäisyysmittauksen joka suunnasta skanneri tallentaa nopeasti esineiden, rakennusten ja maisemien pinnan muodot.

Vaihe-ero (eng. Phase-shift) on etäisyysmittausmenetelmä, jossa lähetetään kohdetta kohti jatkuva lasersäde, jolla on useampia aallonpituuksia ja jonka amplitudia on mahdollista moduloida. Etäisyys saadaan, mittaamalla vaihe-ero, lähetetyn ja havaitun paluusignaalin välillä. Kun valo kulkee etäisyyden d, pinnan heijastuma viivästyy vaiheella φ. Siirtymä signaalien välillä on verrannollinen kuljettuun matkaan. Kun lasersignaalin moduloitu taajuus f tunnetaan, signaalin maksimietäisyys voidaan saada suoraan vaiheen φ ja f suhteen.

missä c (3*108 m/s) on valon nopeus. Yhtälön mukaan etäisyysresoluutio riippuu laserin modulointitaajuudesta.

Useita modulaatiotaajuuksia käytetään kahdesta syystä. Pidempien aaltopituuksien avulla voidaan pidemmät etäisyydet ratkaista yksiselitteisesti. Lyhyempiä aaltopituuksia käytetään taas tarkentamaan mittauksia jopa millimetritarkkuuteen, johon ei yhdellä pidemmällä aaltopituudella pääsisi.

Valon kulkuaika (eng. Time-of-flight, TOF) menetelmä mittaa etäisyyttä laskemalla aikaa, jonka laserin valopulssi kulkee kohteeseen ja takaisin. Tällöin voidaan laskea etäisyys d keilattuun pisteeseen seuraavasti,

missä c on valon nopeus ja t on laserin kulku aika.

Mikäli laserkeilatusta objektista heijastuu riittävän määrä energiaa, rekisteröi valotunnistin pisteen ja mittaa sen. Pisteen mittaamiseksi valotunnistimeen on kohdistuttava riittävästi energiaa, jotta se ylittää ennalta asetetun rajan. Raja asetetaan harhahavaintojen vähentämiseksi. Mahdollisia virheitä, jotka aiheutuvat valon kulkuaika menetelmän käytöstä johtuvat siitä, miten lyhyt lähetetty pulssi on, kuinka tarkasti aikaa on mahdollista mitata ja mikä aloittaa ajanlaskun, kun pulssi havaitaan.

Mobiililaserkeilaus (MLS)

Mobiililaserkeilaus ajoneuvosta soveltuu hyvin esimerkiksi tieverkkojen, junaratojen ja sähköjohtojen mittaukseen. Menetelmiä ja asetelmia on erilaisia. Ajoneuvoon voidaan asentaa yksi tai useampi laserkeilain. MLS on houkutteleva projekteissa, jossa laserkeilataan kaupunkialueita tai tiettyjä kohteita teiden läheisyydessä. Mobiililaserkeilauksen avulla voidaan nopeammin laserkeilata alueita verrattuna maastolaserkeilaukseen. Mobiililaserkeilaus toteutetaan kiinnittämällä laserkeilain ajoneuvoon, minkä jälkeen mittaus suoritetaan ajamalla ajoneuvolla ympäri mitattavaa aluetta. Ajoneuvoa seurataan ja paikannetaan GNSS:n ja IMU:n avulla.

Mobiililaserkeilauksessa sijaintivirheet pistepilvessä aiheutuvat pääosin IMU-asentovirheistä, laserkeilainvirheistä, sensoreiden välisistä siirtymävektoreista ja paikannusvirheistä. Pienemmät virheet, eli kohinapisteet, johtuvat mittausetäisyyden virheistä. Hitaampi vauhti vaikuttaa myös tarkkuuteen, koska IMU ei ole yhtä tarkka hitaissa tasaisissa nopeuksissa. Ajoneuvon nopeus vaikutta myös mobiililaserkeilaus aineiston pistetiheyteen. Mitä hitaammin ajaa, sitä tiheimmäksi pistepilvi muuttuu. Tosin liian tiheä pistepilvi johtaa turhaan prosessointiin, koska muodostuu tuplapisteitä. Pisteitten jakaumaan vaikuttaa laserkeilaimen asettelu (vaaka, pysty vai kallistettu), ajonopeus ja keilaus taajuus. Laserkeilaimen näkökenttä on huomioitava mobiililaserkeilausta tehdessä. Mikäli keilaimen näkökenttä ei ole tarpeeksi suuri voi pistepilveen jäädä aukkoja.

Autojen lisäksi voidaan hyödyntää MLS-teknologiaa seuraavilla tavoilla:

• Mönkijä
  • Sisäpihojen ja muiden hankalien kohteiden keilaus mihin ei autolla pääse.
  • On huomioitava, että laserkeilain on kiinnitettävä tukevasti paikalleen, jotta se pysyisi samassa asennossa mönkijään verrattuna.
• Juna
  • Junaraiteiden keilaukseen ja niiden ympärille.
• Reppu
  • Metsäalueiden ja sisäpihojen keilaus missä halutaan alhaaltapäin keilattu pistepilvi.

Dronelaserkeilaus (UAV)

Miehittämätön lentokone (eng. Unmanned aerial vehicle, UAV) tai drone on erittäin hyödyllinen työkalu laserkeilauksessa. Droneja on monenlaisia, ja ne soveltuvat eri käyttötarkoituksiin, mutta laserkeilauksessa niiden perusperiaate on sama. Droneissa hyödynnetään kykyä lentää matalalla talojen ja puiden yläpuolella samalla, kun ne kartoittavat ja laserkeilaavat aluetta. Dronelaserkeilauksessa laserkeilain kiinnitetään droneen siten, että se pysyy vakaana gyroskoopin avulla. Lisäksi droneissa on yleensä GNSS-paikannin ja IMU, jotka mahdollistavat dronen lentoradan seurannan. Näiden lisäksi droneen voi myös kiinnittää RGB kameran, joka ottaa kuvia ja värjää pistepilven. GNSS-antennin ja IMU:n avulla saadaan koordinaatit pisteille, jotka laserkeilain havaitse sekä dronen lentoradalle.

• UAV keilausta tehdessä on huomioitava lentoluvat, oma lentopätevyys ja dronen CE-luokittelu ja sen vaatimat ominaisuudet.

Ilmalaserkeilaus (ALS)

Ilmalaserkeilaus tapahtuu kuten dronella ilmasta, mutta dronen sijaan käytössä on lentokone tai helikopteri, johon laserkeilain kiinnitetään. Tällä tavalla pystytään kattamaan suurempi pinta-ala lyhyemmässä ajassa. Laserkeilain on myös suurempi ja tehokkaampi kuin ne, jotka esiintyvät droneissa. Tämä sen takia koska laserin on kuljettava pidempi matka. Kuten dronessa, lentokoneessa tai helikopterissa on GNSS-paikannin ja IMU, jolla saadaan lentoradat talteen.

• ALS keilauksia tehdessä on huomioitava lentoluvat.

SLAM (Simultaneous location and mapping)

Rakentaakseen ympäristökartan SLAM-algoritmi prosessoi asteittain lidar-skannaukset ja rakentaa asentokaavion, joka yhdistää nämä skannaukset. Robotti tunnistaa aiemmin vieraillun paikan skannaussovituksen avulla ja voi muodostaa yhden tai useamman silmukan sulkemisen liikkumispolullaan. SLAM-algoritmi hyödyntää silmukan sulkemistietoja kartan päivittämiseen ja arvioidun robotin liikeradan säätämiseen.

• SLAM-teknologiaa voidaan käyttää parantaakseen sijaintitarkkuutta, jotta tarvitaan vähemmän tarkistustähyksiä.

Mallikuvat

• Tuottajat voisivat linkittää omiin tuotteisiin.

Miten eroaa tavallisista mittauksista?

• Enemmän pisteitä
• 3D-malleja
• Enemmän osaamista
• Yhdellä kertaa saa enemmän dataa

Samanaikaisten mittauksien mahdollisuudet ja kompromissit

• Kuvat ja laserkeilaus

Mikäli otetaan kuvia samaanikaan, kun kerätään laserkeilausainestoa on huomioitava, että kuvaat näyttävät aina paremmalta päivällä valoisassa mutta tällöin laserkeilaus ei ole välttämättä optimaalisinta.

On myös huomioitava, että kuvat tarvitsevat enemmän sivupeittoa mikä hidastaa keräysnopeutta ja voi vaikuttaa sijainti tarkkuuteen etenkin mobiilikeilauskissa.