Maa-57

Etäisyydenmittaus perustuu kulkuajan mittaamiseen. Näin ollen mittaustarkkuus pulssin kulkusuunnassa riippuu ajanmittauksen tarkkuudesta ja on vakio ja etäisyydstä riippumaton. Koska laserpulssi divergoi eli hajoaa, etäisyysmittauksen epätarkkuus kasvaa poikittaissuunnassa. Sensorin suuntahavainto kohdistuu aina hajontaympyrän keskipisteeseen, kun taas etäisyys havaitaan hajontaympyrän sisällä kohdasta, josta pulssi heijastuu.
Laserkeilauksen havaintotarkkuus riippuu pistehavaintojen tiheydestä maastossa. Havaintotiheyteen vaikuttavat lentokorkeus ja -nopeus sekä keilaimen havaintotaajuus.

Laserskannauksen vertaaminen ilmakuvakartoitukseen

Laserskannaus

läpitunkevuus maanpintaan varsinkin metsäisillä alueilla on parempi kuin ilmakuvaparin,
maastomallin pistetiheys on maaston tarkan rekonstruoimisen kannalta hyvä, mutta skannerin keilauskuvion vaikutusta lopputulokseen ei ole selvitetty,
skannatut 3D pisteet voidaan muuntaa suoraan kartoituksen koordinaatistoon,
tulkinta on työlästä, koska maanpinta, pintakasvusto ja puusto ja kaikki rakenteet näkyvät "sekaisin" samassa aineistossa, eikä valmiita kartoitussovelluksia liialti ole käytettävissä,
tulkinnan automatisoiminen on suoraviivaista.

Ilmakuvakartoitus

ilmakuvan sisäinen geometria on erittäin hyvä, mutta sen hyödyntäminen edellyttää toistaiseksi blokkikolmiointia,
tekstuurin yksityiskohtaisuus pitää ilmakuvan sen tulkinnan ja tulosten esittämisen kannalta ylivertaisena,
stereomallin visuaalinen tulkinta on suoraviivaista ja siihen käytettävissä oleva kokemus on yleistä,
kartoitusorganisaatioissa on ilmakuvaukseen perustuva tekniikka valmiina ja ne hallitsevat sen käytön,
tulkinnan automatisoiminen on vaikeampaa kuin laserskanneridatalla.

Järjestelmiä

TopoSys
Saab TopEye
TopScan
DATIS Digital Airborne Topographical Imaging System (EagleScan)
FLI-MAP Fast Laser Imagining Mobile Airborne Platform (Fugro-Inpark B.V.)

(Uwe Lohr, 1997)

Reconstruction of forest. (Ulla Pyysalo, 2000)

Reconstruction of single trees: Birch. (Ulla Pyysalo, 2001)

Validation of airborne laser scanner data collected from the tree canopies. Laser data and a panoramic image mosaic have been georeferenced and the point cloud kas been superimposed for visual check. The exact 3-D validation would need both stereoscopic registration and stereoscopic viewing facility. (Image processing by Petri Rönnholm, 2001)

Osa 3-D kaupunkimallia Karlsruhesta, Saksasta (Uwe Lohr, 1999). Vaikka laseraineiston pistetiheys on suuri, taiteviivat toistuvat siinä huonommin kuin valokuvalla. Laserkeilaukseen liitetäänkin yhä useammin samalla lennolla tehty valokuvaus. Kun valokuva ja laserdata liitetään yhteen, kyetään nopeasti tuottamaan fotorealistisia kaupunkinäkymiä. Ympäristö- ja kaupunkimallin tuottaminen edellyttää kuitenkin aineiston tulkintaa. Ilmavalokuvilta malli tulkitaan stereokartoituksena. Taiteviivat erottuvat hyvin ja mallin yksityiskohtaisuus viimeistellään valokuvan tekstuurein (oikeanpuoleinen kuva), mutta muu osa ympäristöstä "häviää". (Rapidscene, Rosslyn city scape, SocetSet).

System	ALTM 1020	TopoSys	TopEye	ATM II	ScaLARS
Company	Optech	TOPOSYS	Saab Dynamics	NASA	Institute for the Navigation of Stuttgart
Method of measurement	travel time of a laser impulse	travel time of a laser impulse	travel time of a laser impulse	travel time of a laser impulse	measure multifrequency dephasing
Information provided by the system	points 3D	points 3D	points 3D	points 3D	points 3D and value of réfléctance
Wavelength of the laser	1047 Nm	1535 Nm	1064 Nm	523 Nm	1064 Nm
Maximum distance	1000 m	1000 m	500 m	700 m	750 m
Resolution of the distance	0.03 m	0.10 m	0.10 m	0,10 m	0.06 m
Frequency of measurement	2000 Hz	80 kHz	6000 Hz	2 to 10 kHz	7000 Hz
Cut beam on the ground	0.25 m to 1000 m	0.20 m to 1000 m	0.60 m to 500 m	?	1.50 m &agrave 750 m
Method of scanner	oscillating mirror	mirror in rotation and optical fibre	?	mirror in rotation	mirror in rotation
Frequency of sweeping	50 Hz	600 Hz	?	20 Hz	?
Angle of sweeping	variable Until + - 20	+ - 7	variable until + - 10	+ - 15	+ - 14 / + - 20
Density of points on the ground	1 point for 2.6 m²	5 points per m²	1 points for 4 m²	1 - 4 points for 1 m²	1 point for 4 m²

Table 1.1-1 Principal characteristics of some systems laser scanner

ALACE.

TopoSys

The position of the sensor can be measured by DGPS with an accuracy of about 0.1 m. This accuracy can only be reached with sensitive and noise-suppressing kinematic GPS receivers. Additionally a corresponding reference station must be placed within (or at least very close to) the survey area.
The sensor's orientation can be measured with an accuracy of better than 0.2 mrad when the precise measurement device (often an INS) is fixed closely to the sensor. At a survey altitude of 1,000 m, 0.2 mrad corresponds to a pointing accuracy of about 0.2 m on ground.
The accuracy of the distance measurements

With maximum technical effort, presently for a single runtime (or time of flight) measurement a resolution of about 0.05 m is feasible - at a standard deviation of 0.05 m.
Stationary measurements with the TopoSys sensor have proved that its resolution is 0.06 m at a standard deviation of 0.06 m.
Averaging over 500 measurements produced a confidence level of ± 0.0024 m.

The density of the distance measurements

Airborne laserscanning produces singular, non-repeatable distance measurements. A question always arises is to where a signal reflection comes from (i.e., a tree's branch, a lamp pole or the ground). The question cannot be answered properly if the measurements are distant from each other. In this case the interpretation of the resulting DEM is difficult.
For the TopoSys sensor the distance between neighbouring scans is only about 0.15 m resulting in an average to four measurements per m². The high measurement density allows a context-sensitive plausibility analysis: providing there are three measurements at the same altitude and the fourth is 5 m above, then the latter is supposed to be a branch, a pole etc. and is discarded in the calculation. Additionally the high measurement density allows the extraction of break lines and other surface features.

(Uwe Lohr, 2001)

(Uwe Lohr, 1999)

Lasersäde divergoi eli leviää. Jos divergenssi on 0.25 mrad ja lentokorkeus 1000 m, laserpisteen halkaisija on maanpinnalla 25 cm. Osa valosta heijastuu vastaanottimeen puun lehvästöstä, osa vasta maanpinnasta. Useat laserskannerit kykenevät vastaanottaman useampia kaikuja. "First pulse"-kaiut kuvaavat lähinnä kasvillisuutta, lehvästöä, sähköjohtoja, myös lintuja, kun taas "last pulse"-kaiut kuvaavat rakennuksia, tien pintaa, autoja, paljasta maanpintaa. (Norbert Haala, 1999)

"Last pulse"-havainnot eli pisteet, jotka otetaan vastaan lähetetyn pulssin viimeisenä kaikuna. Puut erottuvat kohdissa, joissa laserpulssi ei ole läpäissyt metsää lainkaan. (Christian Wever and Joachim Lindenberger, 1999)

Laserkeilain läpäisee metsän sitä paremmin, mitä kapeampi keilaimen avauskulma on. (Uwe Lohr, 1997)

piha

talo

piha

tie

talo

piha

puu

talo

piha

paikoitusalue

piha

Laserhavainnot yhdellä keilainrivillä. (Christian Wever and Joachim Lindenberger, 1999)

Linjoittain keilaavan laserskannerin havaintojen pistejakauma on keilainrivin suunnassa tasavälinen ja pisteiden välimatka riippuu lentokorkeudesta. Lentosuunnassa pisteväliin vaikuttaa lentokoneen maanopeus. Kun korkeusmalli lasketaan tasavälisenä ruutumallina paikalliseen koordinaatistoon, mallin korkeuslukemat interpoloidaan laserhavainnoista. (Uwe Lohr, 1997)

Kuvattava alue lennetään jonoina, jotka peittävät toisensa osittain. Kuvaus voidaan toistaa myös jonojen poikkisuunnassa. (Christian Wever and Joachim Lindenberger, 1999)

Laserhavainnot sisältävät kohteesta kaiken, joten ne on luokiteltava. Maastopisteet voidaan erottaa kasvillisuudesta vertaamalla pisteen korkeuksia naapuripisteiden korkeuksiin, joko yksittäisiin tai keskiarvokorkeuksiin. (Christian Wever and Joachim Lindenberger, 1999)

Laserskannerin kuva metsäkohteesta ja kuvasta tulkittu maanpinta. (TopoSys)

Sama kohde maastossa maakuvalla ja ilmakuvalla. (TopoSys)

Tulkittu korkeusmalli. (Christian Wever and Joachim Lindenberger, 1999)

Tulkittu ympäristömalli. (Christian Wever and Joachim Lindenberger, 1999)

Puuston korkeuksien tulkintaa. (Christian Wever and Joachim Lindenberger, 1999)

Esimerkki puiden ja rakennusten tulkinnasta laserhavainnoista. Vasen kuva (b) on ero välillä "summer last" ja maanpinta, oikea kuva (c) on ero välillä "summer first" ja "summer last". (Karl Kraus and Wolfgang Rieger, 1999)

Kuvassa (d) on erotettu alueet, jotka täyttävät ehdot: kuvien (b) ja (c) ero on suurempi kuin 1 m ja arvo kuvalla (c) pienempi kuin 1 m. Näin saadulla maskilla on rajattu korkeusmallista rakennukset (e). (Karl Kraus and Wolfgang Rieger, 1999)

Ortokuva (a) ja (f) rakennukset esitettyinä varjostetulla korkeusmallilla. (Karl Kraus and Wolfgang Rieger, 1999)

3-D kaupunkimalli, Karlsruhe. (Uwe Lohr, 1999)

Voimalinja näkyy laserskannerilla mitatussa korkeusmallissa. (Uwe Lohr, 1999)

Laserskannerilla kuvattu korkeusmalli voidaan liittää samassa koordinatistossa muuhun paikkatietoon ja laserilla mitatut korkeudet voidaan liittää näihin. (Uwe Lohr, 1999)

The upper plot shows a village in the Netherlands. Characteristic for the TopoSys system is the high amount of details visible in the DEM
allowing analyzing even minor differences in elevation. (Uwe Lohr, 2000)

The river Ems in Germany was scanned during low tide. Tideways and other structures of the landscape can easily be analyzed in a 1 m raster DEM. (Uwe Lohr, 2000)

References

Uwe Lohr, 2001. Performance of the TopoSys System, http://www.toposys.com/ 2001
Uwe Lohr, 2000. Performance of the TopoSys System, http://www.toposys.com/, 2000
Norbert Haala, 1999. Combining Multiple Data Sources for Urban Data Acquisition, Photogrammetric Week '99, Wichmann, p. 329-339.
Karl Kraus and Wolfgang Rieger, 1999. Processing of laser scanning data for wooded areas, Photogrammetric Week '99, Wichmann, p. 221-231.
Uwe Lohr, 1999. High Resolution Laserscanning, not only for 3D-City Models, Photogrammetric Week '99, Wichmann, p. 133-138.
Christian Wever and Joachim Lindenberger, 1999. Experiences of 10 years laser scanning, Photogrammetric Week '99, Wichmann, p. 125-132.
Uwe Lohr, 2001. The Principles of Laserscanning, http://www.toposys.com/, 2001.

Syvyyskartoitus

Laser Airborne Depth Sounder (LADS)

LADS MkII

mittaustaajuus 900 Hz
mittaussyvyys 70 m
luotauksen näytteenottoväli 5 m x 5 m

"Merenkulkulaitos kokeilee syksyllä 1999 laserkeilaimen käyttöä merenpohjan syvyyskartoitukseen. Koealueena on Ahvenanmaan Teili, jossa 150 km² aluetta kartoitetaan australialaisella LADS MkII -järjestelmällä 3 - 4 päivän aikana. Mittauslennot tehdään 500 m korkeudelta ja laserilla uskotaan kyettävän kartoittamaan merenpohjaa 10 m syvyydelle. Mittauksista tuotetaan syvyyskartta, jota myöhemmin täydennetään kaikuluotauksella. Ilmakuvista merenpohjaa kyetään kartoittamaan Suomessa korkeintaan 1.5 - 2 m syvyyteen asti." (HS, 5.11.1999).

Laserkeilain LADS MkII kartoittaa merenpohjaa 240 m leveänä kaistana. Havainnot kerätään pisteittäin 900 hertsin taajuudella säännölliseen ruudukkoon. Ruudukon pisteväli on 5 m, kun kuvauskorkeus on 500 m ja koneen lentonopeus 90 m/s.

Tutkakuvaus

Yhdistelmäkuva 28 ERS-1/ERS-2 intensiteettikuvasta. Kuvat kuuluvat tandem-kuvauslentoon eli peräkkäisinä päivinä otetusta kuvaparista on laskettu intensiteettikuvien keskiarvo ja koherenssikuva. Tämä kuva on muunnettu pääkomponenttimuunnoksen avulla kolmeksi kuvaksi 14 intensiteettikeskiarvokuvasta ja 14 koherenssikuvasta. (Törmä, 2001)

SAR:in kuvausgeometria. SAR: Synthetic Aperture Radar. (Richard Bamler, 1999)

SAR-amplitudikuva esittää koherentin tutkasignaalin heijastumaa kohteesta. (Richard Bamler, 1999)

SAR-interferometria perustuu kahden tutkan yhteiskäyttöön ja kohteesta palaavien tutkasignaalien vaiheiden vertaamiseen. (Richard Bamler, 1999)

Vaihe-eron suuruudesta voidaan laskea etäisyyserot interferometritutkan ja kohteen välillä ja johtaa näistä eroista korkeusmalli. (Richard Bamler, 1999)

SRTM-lennon interferometritutkan antenni avattuna täyteen 60 m pituuteen. SRTM: The Shuttle Radar Topography Mission. Interferometrisesti valmistetun korkeusmallin ruutukoko on 30 m x 30 m. Korkeusmallin sisäinen tarkkuus on 10 m. Ruudukon ulkoinen tarkkuus on 16 m korkeus- ja 20 m tasokoordinaateissa. (Richard Bamler, 1999)

Sukkulan SRTM-lennon kuvaus tehtiin talvella 2000, jolloin 11 päivän aikana kuvattiin alue, joka kattoi n. 80 % maapallon maapinta-alasta. Suomen alueelle kuvaus ei ulottunut, koska sukkulalennot rajoittuivat pohjoisessa 60° ja etelässä 56° leveyspiireille. (Richard Bamler, 1999)

Yhdeksästä ERS-1/2-kuvaparista interferometrisesti valmistettu ja koottu korkeusmalli Etelä-Saksasta Baijerista. Alueen koko on n. 300 km x 200 km. (Richard Bamler, 1999)

Julkaisuja

Richard Bamler, 1999. The SRTM Mission: A World-Wide 30 m resolution DEM from SAR Interferometry in 11 Days, Photogrammetric Week '99, Wichmann, p. 145-154.
Rainer Sandau, Peter Fricker, A. Stuart Walker, 1999. Digital photogrammetric cameras: possibilities and problems, Photogrammetric Week '99, Wichmann, p. 71-82.

Maa-57.220 Fotogrammetrinen kartoitus

Luento-ohjelma