Teknillinen korkeakoulu

Fotogrammetrian ja kaukokartoituksen laboratorio

Maa-57.270 Fotogrammetrian, kaukokartoituksen ja kuvatulkinnan seminaari 1999

2.1 Etäisyysmittausmenetelmiä

2.2 Sijainnin määritys

2.3 Orientoinnin määritys

2.4 Ongelmat kohteiden välisissä etäisyysmittauksissa

2.5 Suuren mittaustiheyden tarkoitus

2.6 Erilaisia pyyhkäisytapoja

2.7 Mittausten laatu

5.1 3-D- profilometri

5.2 TopoSys-järjestelmän käyttö metsäsovelluksessa

5.1 TopEye-järjestelmän käyttö Tielaitoksella

1. Johdanto

 

Tämä artikkeli antaa lyhyen yleiskatsauksen LaserScan-tekniikoista. Artikkelissa käsitellään eri ilma-aluksista käytettäviä järjestelmiä ja pyyhkäisytapoja. Laserdatan analyysiesimerkit perustuvat Toposys- ja TopEye-järjestelmiin. Esitetään myös tyypilliset sovelluskohteet ja esimerkkejä mihin järjestelmää on käytetty Suomessa. Lähteinä on käytetty alaan liittyviä artikkeleita sekä Andre Sambergin ja Tauno Suomisen kanssa käytyjä keskusteluja.

 

Laserin käyttö digitaalisen maastomallin tuottamisessa on tullut viime aikoina esille varsinkin nk. LaserScan-järjestelmän vuoksi. Järjestelmän mittausmenetelmä, jossa kohteiden etäisyydet mitataan lähes reaaliaikaisesti, luo uudet mahdollisuudet digitaalisen korkeusmallin tuottamiseen. Suurin ero tavanomaisiin mittauksiin on se, että pisteitä mitataan alueelta paljon, jolloin mitatut pisteet sijaitsevat lähellä toisiaan ja näin ollen tuloksena saadaan nopeasti riittävän tarkka maastomalli. Tavanomaiset mittausmenetelmät joissa mitataan maastosta rajallinen määrä pisteitä tuottaa Laser-Scan-mittauksiin verrattuna suhteellisen yleistetyn maastomallin, jossa kuitenkin mitatuille yksittäisille lähtöpisteille saadaan tarkempi sijainti. LaserScan-menetelmällä mitattujen yksittäisten pisteiden sijainnit ovat tarkkuudeltaan huonompia kuin geodeettisesti mitatuilla pisteillä, mutta maastomallin tarkkuus on parempi suuremman pistemäärän vuoksi. Uuden kaukokartoitustekniikan pyrkimys on kuvata maaston muoto kokonaisuutena paremmin kuin tähän asti käytetyillä menetelmillä.

 

2. Toimintaperiaate

 

1. Etäisyysmittausmenetelmiä

Lasermittaus perustuu sensorin ja kohteen välisen etäisyyden mittaukseen. Kun tunnetaan sensorin tarkka paikka sekä orientointi (kallistukset ja kierto) ja jokaisen lähetetyn laserpulssin suunta, etäisyys kohteeseen ja kohteen koordinaatit saadaan laskettua. (Kuva 1)

KUVA 1 Lasermittauksen periaate (Katzenbeisser 1998)

Eri laserjärjestelmissä käytetään eri mittausmenetelmiä. Pääasiassa laserkeilaimissa on toteutettu jompikumpi periaate:

1. Vaiheen mittaus: Lähetetään matalataajuuksisella signaalilla moduloitu kantoaalto ja mitataan lähetetyn ja vastaanotetun signaalin vaihe-ero. Tätä käytetään ScaLARS nimisessä järjestelmässä.

 

2. Pulssin kulkuajan mittaus: Lähetetään pulssi ja mitataan milloin se saapuu takaisin. Saatu aika kuvastaa kaksinkertaista etäisyyttä kohteeseen koska pulssi on kulkenut valon nopeudella ensin kohteeseen ja sitten takaisin sensoriin. TopoSys-1- ja TopEye-järjestelmät toimivat tällä periaatteella.

2.2 Sijainnin määritys

Mittalaitteen sensorin eli heijastuneiden pulssien vastaanottimen tarkka paikanmääritys tapahtuu differentiaalisen GPS-laitteiston avulla. Toinen DGPS-antenni sijaitsee lentokoneessa/helikopterissa ja toinen on sijoitettu maastoon tunnetulle pisteelle. Maastossa sijaitsevan vastaanottimen tulee sijaita noin 30-50 kilometrin päässä toisesta vastaanottimesta. Usein laserkeilaimen mittauksen aikana käytetään toista DGPS-tukiasemaa siltä varalta, jos syystä tai toisesta ensimmäisen toiminnassa esiintyy häiriö (esim. yhteys GPS-satelliitteihin katkeaa). Mittauksen aikana talletetaan vastaanottimien GPS-tiedot ja vasta jälkiprosessoinnissa suoritetaan vaadittavat laskut sensorin sijainnin määrittämiseksi. Jotta sensorin sijainti tulisi mahdollisimman tarkasti määritettyä, sijaitsee GPS-vastaanotin lähes kiinni mittalaitteistossa. GPS-vastaanotinta voidaan käyttää myös mittauslennolla jotta pysyttäisiin ennaltamääritetyillä lentolinjoilla. Mittauksen jälkiprosessoinnissa käytetään erityisiä laskenta-algoritmejä koska lentokone/helikopteri liikkuu nopeasti mitattavaan kohteeseen nähden. Lentonopeus on jopa 70 m/s ja myös pystysuunnassa voi tapahtua nopeaa liikettä jonka suuruus voi olla suurimmillaan 10 m/s. Jälkiprosessoinnin tulee olla huolellista, koska se vaikuttaa suoraan korkeusmallin lopulliseen tarkkuuteen. / Katzenbeisser 1998 / Uwe et al. 1995/

Jos kohdetta mitataan eri korkeuksilta, lähetetyn laser-valon halkaisija kohteen pinnalla vaihtelee. TopEye-järjestelmässä lentokorkeuden vaihdellessa 60-960 metrissä, kohteen pinnalla lasersäteen halkaisija on 0.1-3.8 metriä. TopoSys-1-järjestelmässä lentokorkeuden ollessa 1000 metriä lasersäteen halkaisija kohteen pinnalla on 0.2 metriä. Vastaanotetun pulssin muoto taasen riippuu siitä minkälaista kohdetta mitataan (kuva 2). Jos pulssi lähetetään kohtisuorasti tasaiseen pintaan niin vastaanotettu kaiku on muodoltaan malkein samanlainen kuin alkuperäinen lähetetty pulssi, ainoastaan intensiteetti on pienempi. Jos lasersäteen optisen akselin ja kohteen muodostava kulma poikkeaa suorasta, silloin rekisteröity pulssi on leveämpi. Pinta on tässä tapauksessa tasaisesti heijastava (Kuva 2). Jos pinta on heijastusoloiltaan vaihteleva myös vastaanotetun pulssin intensiteetti vaihtelee. Mitatun kohteen sijainti ilmoitetaan aina lasersäteen profiilin keskipisteen sijaintina. Tätä epätarkkuutta voidaan pienentää suorittamalla mittaus mahdollisimman matalalta, koska silloin lasersäde ei hajaannu niin paljon kuin korkealta mitattaessa. / Katzenbeisser 1998 /

KUVA 2 Takaisin heijastuvan pulssin muoto (Katzenbeisser 1998)

2.3 Orientoinnin määritys

Orientoinnista puhuttaessa tulee erottaa toisistaan kaksi eri orientointia, sensorin orientointi ja yksittäisen mittauksen orientointi. Sensorin orientoinnilla tarkoitetaan sen kallistuksia ja kiertoa kun taas yksittäisen mittauksen orientoinnilla tarkoitetaan suuntaa johon järjestelmä on laser-pulssin lähettänyt ja josta pulssi on vastaanotettu. Juuri yksittäisen mittauksen orientoinnin tunteminen on tärkeää kohteen tarkan sijainnin määrittämiseksi. Orientoinnin määrittämiseksi käytetään ns. INS- eli inertiaalista navigointijärjestelmää (Inertial Navigation System).

KUVA 3 TopoSys-järjestelmän kuituoptiikkaan perustuva skanneri (Katzenbeisser 1998)

Kuvassa 3 kuvatun järjestelmän avulla saadaan jokaiselle yksittäiselle mittaukselle orientointitiedot, kunhan inertiaalimittalaitteisto on oikein kalibroitu. Kuvassa näkyvällä referenssikuidulla pidetään huoli siitä että mittalaitteisto pysyy stabiilina koko mittauksen ajan.

2.4 Ongelmat kohteiden välisissä etäisyysmittauksissa

Etäisyysmittauksessa on otettava huomioon mittausmenetelmän erotuskyky. Jos lähetetyn pulssin pituus on 5 nanosekuntia niin mitattavien kohteiden välisen etäisyyden on oltava vähintään 1,5 metriä jotta ne erottuisivat toisistaan. Jos kohteet sijaitsevat lähempänä, niin lähetetty pulssi heijastuu molemmista kohteista aiheuttaen nk. "yhdistepulssin", jonka ilmaisin havaitsee yhtenä. Toinen ääritapaus on silloin kun objektit sijaitsevat lähellä toisiaan ja toinen on korkeampi. Jos korkeampi peittää matalampaa kohdetta, silloin "nähdään" ainoastaan korkea kohde. Tämä korkeamman kohteen havaitseminen tulee esille myös silloin kun mitataan aluetta jolla on tiheää kasvustoa (pensaita, yms.). Mutta kun mitataan alueita joilla on harvempaa tai suurempaa kasvustoa kuten esimerkiksi mäntymetsää, ongelmaa ei synny. Lasersäde heijastuu sekä puuston latvastosta että maanpinnasta jotka sijaitsevat toisistaan pitemmän matkan päässä. Näin ollen LaserScan- järjestelmällä saadaan erotettua puiden latvasto tai maaston muoto riippuen siitä mitataanko ensiksi vai viimeiseksi takaisenheijastunutta pulssia. Edellisessä tapauksessa mitataan latvasto, jälkimmäisessä tapauksessa maaston muoto. Yhdistämällä nämä tulokset voidaan arvioida myös puuston korkeus. / Katzenbeisser 1998 /

2.5 Suuren mittaustiheyden tarkoitus

Tavanomaiseen geodeettiseen mittaukseen verrattuna, jossa mitataan suurella tarkkuudella tietty määrä pisteitä, LaserScan-menetelmässä tulosten tarkkuutta pyritään parantamaan mittaamalla mahdollisimman tiheä pisteistö. Tämä tiheä pisteistön mittaus suoritetaan sen takia että saadaan tiettyä pinta-alayksikköä kohti riittävän suuri määrä pisteitä, joiden avulla voidaan suorittaa pisteiden keskinäistä vertailua. Jos neliömetrin alalla esimerkiksi yksi neljästä pisteestä saa huomattavasti suuremman tai pienemmän arvon kuin muut joukon pisteet niin tämä kyseinen piste hylätään lopullisesta pistejoukosta virheellisenä.

2.6 Erilaisia pyyhkäisytapoja

Järjestelmän alueen pyyhkäisy riippuu siitä minkälaista poikkeuttajaa säteen heijastamiseen käytetään.

Sik-Sak:

Tässä menetelmässä lasersäde keilataan siten että säde kulkee edestakaisin poikittain lentosuuntaan nähden. Poikkeutus toteutetaan peilin avulla ja säteen poikittaista kulkunopeutta voidaan muunnella. Tätä menetelmää käytetään Saabin TopEye-järjestelmässä.

Across-track scanning:

Muodostetaan hieman samalla tavalla kuin edellinenkin, mutta tässä lasersäteellä mitataan vain toiseen suuntaan. Mittaustiheys riippuu siitä kuinka nopeasti yksi mittaus tehdään ja kuinka nopeasti kone lentää. Etuna tässä menetelmässä on se, että skannauskuviosta saadaan säännöllinen kun katselukulma ja laserpulssi ovat synkronoitu keskenään. Tätä menetelmää käytetään TopoSys-1-järjestelmässä. / Katzenbeisser 1998 /

"Palmer":

Lasersädettä "pyöritetään" vastapäivään. Tätä menetelmää käytetään ScaLARS-järjestelmässä.

7. Mittausten laatu

LaserScan-mittauksissa, joissa mitattavien pisteiden määrä tiettyä pinta-alayksikköä kohti on määrättävissä, voidaan vaikuttaa myös mittaustarkkuuteen. Mitä enemmän alueelta mitataan pisteitä, sitä enemmän tietoa alueesta saadaan. Mitattavien pisteiden määrällä on suuri merkitys myös kohteiden tunnistamisessa (kuva 5). Jos halutaan tunnistaa esimerkiksi rakennukset tulee mittaustiheyden olla riittävän suuri. / Katzenbeisser 1998 /

Pienellä pistemäärällä kohde havaitaan, hieman suuremmalla pistemäärällä saadaan kohteen muodosta jo jotain tietoa ja kun on tarpeeksi tiheä pisteistö, niin saadaan kohteen muodon lisäksi myös orientointi selville. Mitä tarkemmin kohde halutaan määrittää sitä enemmän pisteitä on mitattava. Mittauksia suoritettaessa on otettava huomioon myös lähetetyn lasersäteen "katselukulma". Mitä pienempi kulma, sitä vähemmän mittausalueelle jää varjoalueita.

Markkinoilla on tällä hetkellä erilaisia LaserScan-järjestelmiä. Tässä keskitytään saksalaisten kehittämään TopoSys-järjestelmään ja ruotsalaisen Saab-yhtiön kehittämään TopEye-järjestelmään. TopoSys-järjestelmää kehitettiin ensiksi lentokoneessa käytettäväksi, kun taas TopEye-järjestelmä kehitettiin helikopteriversiona. Tällä hetkellä molemmat järjestelmät ovat saatavissa sekä lentokone- että helikopterikäyttöisinä. Molemmissa järjestelmissä käytetään DGPS- sekä INS-laitteistoja paikan ja orientointien määrittämiseen. Molemmissa järjestelmissä on mahdollisuus käyttää myös videokameroita, joiden tallentaman kuvan avulla on helppo tulkita mahdollisia epäselviä kohteita maastosta. Videokameran kuvaan liitetään aikaleima, joka annetaan myös mitatulle pisteelle. Näin jälkiprosessoinnissa saadaan helposti etsittyä mitattua aluetta vastaava videokuva. Eri järjestelmien välillä on suuri ero mitattavien pisteiden määrässä. TopoSys-järjestelmässä suoritetaan 83000 mittausta sekunnissa, kun taas TopEye-järjestelmässä suoritetaan 5000-7000 mittausta sekunnissa. Koordinaatit saadaan yleensä ensin WGS-84-järjestelmään koska käytetään GPS-paikanmääritystä. Tästä järjestelmästä koordinaatit muunnetaan haluttuun paikalliseen järjestelmään. / Katzenbeisser 1998 / Uwe et al. 1995/ TopEye-esite/

Esimerkki:

Yksi kuvauskohteista on rakennettu alue josta yritetään saada 3-D-malli aikaiseksi. Paitsi lasersäteen pyyhkäisytavalla, myös käytetyllä algoritmilla on lopputulokseen suuri merkitys. Eräs suurimmista eroista eri järjestelmien välillä tulee siinä, kuinka hyvin rakennettu alue saadaan lopuksi mallinnettua. Jos käytetään Matlabia TopoSys-järjestelmän, jossa skannaus kohteen ylitse tapahtuu yhteen suuntaan, tulosten analysointiin saadaan kohde mallinnettua kohtuullisen hyvin (kuva 6.1). Vastaavalla tavalla TopEye-järjestelmässä kohteen mallinnus ei onnistu läheskään samalla tarkkuudella kuin TopoSys-järjestelmässä (kuva 6.2). Tämä merkitsee sitä, että täytyy huolellisesti valita pyyhkäisytapa ja algoritmi tai ohjelmisto kolmiulotteista mallinnusta varten. /Samberg A 1999/

KUVA 6.1 (Samberg A. 1999) KUVA 6.2 (Samberg A. 1999)

4. Tyypilliset sovellukset

LaserScan-järjestelmälle on monia eri käyttökohteita. Nykyisin niitä ovat tyypillisesti voima- ja puhelinlinjojen mittaaminen sekä maasto- ja korkeusmallin tuottaminen suoraan numeerisessa muodossa. Viime aikoina on lisääntynyt ko. kaukokartoitustekniikan soveltaminen rantaviivojen ja puuston määrittämisessä. Järjestelmän erotuskyky riittää myös pellolla olevien laskuojien kartoittamiseen. Esimerkiksi voimalinjatapauksessa saadaan erotettua sekä itse linja, että lähellä johtoja oleva aluskasvillisuus. Tämän jälkeen on helppo käydä poistamassa puustoa vain niiltä alueilta, joilta se todella on tarpeellista. Mielenkiintoinen käyttökohde järjestelmälle on myös 3-D-kaupunkimallien muodostaminen. Mallin muodostus onnistuu suhteellisen hyvin koska laserin katselukulma on hyvin pieni, jolloin varjoalueita esiintyy vähemmän kuin verrattuna esimerkiksi ilmakuviin (kuvat 7.1 ja 7.2).

Kuva 7.1 Kaupungin korkeusmalli Kuva 7.2 3-D esitys kuvasta 7.1

5. Kokemukset Suomessa

 

5.1 3D-profilometri

 

Projektissa oli tarkoituksena tutkia jääkenttien pinnanmuotoja laserprofilometriä apuna käyttäen. Laitteisto jota käytettiin koostui 10 mW helium-neon laserista, linssistä sekä videokamerasta. Kamera taltioi kuvia 0,04 sekunnin välein tietokoneen muistiin. Laitteisto oli sijoitettu helikopteriin ja laitteiston kalibrointi suoritettiin aina ennen jokaista lentoa. Kuvat prosessoitiin fotogrammetrisin menetelmin, jotta jään profiilit saatiin selville. Lopputuloksena saatiin kuvatun jääalueen muoto selville yhdistämällä yhdensuuntaiset profiilikuvat. Menetelmän etu on siinä ettei helikopterin lentokorkeuden muutoksilla kuvaushetkellä ole vaikutusta yksittäisiin profiileihin. /Haggrén et al 1995/

 

5.2 TopoSys:n käyttö metsäsovelluksessa

 

Syyskuussa 1998 suoritettiin LaserScan-mittaukset Kalkkisissa. Laitteistona käytettiin TopoSys- järjestelmää ja koealue oli kooltaan 0.5 km x 2.0 km. Mittauksissa käytettiin sekä ensimmäisen takaisinheijastuneen pulssin, että viimeisen kaiun havainnointia. Lentokorkeus oli noin 750 metriä. Paikan ja orientoinnin määrittäminen tapahtui DGPS-/INS-laitteistoilla. Mittausten tarkoituksena oli tutkia voidaanko järjestelmällä määrittää puuston korkeutta, puuston määrää ja tiheyttä, sekä voidaanko eri puulajeja tunnistaa. Ensimmäiset tulokset osoittivat että järjestelmän avulla saadaan kartoitettua yksittäiset puut, puiden korkeudet ja saadaan selville latvojen halkaisijat. Myös korkeusmallin muodostaminen , sekä yksittäisten rakennusten havaitseminen metsäalueilta onnistui. /Samberg A., Hyyppä J. 1999/

 

5.3 TopEye-järjestelmän käyttö Tielaitoksella

 

Tielaitoksessa laitteistoa käytettiin E18 hankkeella välillä Lohja – Suomusjärvi peitteisten alueiden mittaamiseen. Hankkeella oli suoritettu normaali ilmakuvaus ja maastomallin fotogrammetrinen mittaus. Paikoitellen jopa 60 % alueesta oli jäänyt mittaamatta peitteisyyden takia, joten laser-keilaimen käyttöön päädyttiin. Mittaus suoritettiin kiinnittämällä laitteisto helikopterin pohjaan. Mittauskorkeus oli noin 200 metriä, jolloin mitattavien pisteiden etäisyys toisistaan oli noin 40 senttimetrin luokkaa. Mitattavan alueen leveys kohtisuorassa lentosuuntaan nähden oli noin 60 metriä ja pisteitä mitattiin 5000/sekunti. Itse mittaus tapahtui yhden päivän aikana ja saatu data talletettiin laitteiston nauha-asemalla. Videokuvaa ei mittausajankohtana otettu. Järjestelmän käyttö vaatii helikopterissa ainoastaan lentäjän mutta mittausten helpottamiseksi helikopterissa oli laitteiston käyttäjä. Helikopterilentäjällä oli ohjaamossa laitteisto, jonka avulla hän pystyi lentämään ennalta määritetyt linjat. Maastossa oli tunnetulla pisteellä GPS-laitteiston kanssa yksi henkilö. Mittausten tuloksena saatin peitteisiltä alueilta maastomalli, jossa suurin yksittäinen alue jolta dataa ei saatu oli halkaisijaltaan noin 10 metriä. Jälkiprosessointi vaatii Tielaitoksella yhden henkilön työpanoksen. /Tauno Suomisen haastattelu/

 

6. Yhteenveto

 

LaserScan järjestelmä on tehokas työkalu silloin kun halutaan mitata nopeasti sellaisia alueita, joista ei ilmakuvilta ole mahdollista mittauksia suorittaa. Haittana voidaan pitää sitä, ettei tulosten tarkkuudesta voida olla varmoja jos alueelta ei ole muuta vertailukelpoista mittausdataa. Joka tapauksessa lasermittaus tullee kiinnostamaan tulevaisuudessa yhä laajempia käyttäjäkuntia ja menetelmien parissa tullaan tekemään tutkimustyötä.

7. Lähdeluettelo