Fotogrammetrian yleiskurssi, luento 13

Maa-57.301 Fotogrammetrian yleiskurssi

Luento-ohjelma

(P. Rönnholm / H. Haggrén, 28.10.2003)

Luento 13: Optinen 3-D mittaus ja laserkeilaus

AIHEITA

Optinen 3-D digitointi

Etäisyydenmittaus laserkeilauksella

Kuvan ja etäisyysmittauksen yhdistäminen (tulevaisuuden konsepti)

Optinen 3-D digitointi

Kohde: 3-D kappaleet ja 3-D tila

Tulos: Digitaalinen 3-D malli

Mekanismi: Digitaalinen fotogrammetria

Optinen 3-D digitointi kaaviokuvana.

Fotogrammetrinen näkymän rekonstruointi (3-D digitointi). Tuloksena saadaan parhaimmillaan 3-D fotorealistinen virtuaalimalli.

Yleiskaavio fotogrammetrisesta näkymän rekonstruoinnista.

Tuki-ja kontollipisteiden mittaus

Digitaalisten kuvien hankinta

Kuvauksen suunnittelu

kuvaus (analoginen tai digitaalinen)

tarvittaessa kuvien muuntaminen digitaalisiksi

3-D geometrinen mallinnus

Kamerakoordinaattien mittaus

Sisäinen orientointi: kuva- ja koordinaatistovirheiden poisto (kalibroitu kamera)

Vastinpisteiden mittaus keskinäistä orientointia varten

Kohdemallimittaukset

Kuvien keskinäinen orientointi

Kuvien oikaisu stereokuvauksen normaalitapaukseen

Kuvien ulkoinen orientointi

3-D mallien stereokartoitus

Kohteen primitiivien mallinnus

3-D kohteen pinnan digitointi

Kuvakorrelaatio (kuvien yhteensovitus)

Profilointi

Proiifin keilaus

Pinnan mallinnus

3-D fotorealistinen mallinnus

Tekstuurin liittäminen 3-D malliin

Etäisyydenmittaus laserkeilauksella

LIDAR (Light Detection and Ranging) on optinen tutka, joka toimii näkyvän valon, lähi-infran tai ultravioletin alueella. Laserkeilain tuottaa kohteesta kolmiulotteista informaatiota tekemällä etäisyyshavaintoja. Kohteen ja laserin välinen etäisyys mitataan laserpulssin kulkuajan perusteella ja tuloksena saadaan valtava joukko kolmiulotteisia pisteitä. Useat laserskannerit kykenevät vastaanottaman yhdelle havainnolle useampia kaikuja. "First pulse"-kaiut palaavat kasvillisuudesta, lehvästöstä ja sähköjohdista (myös linnuista). "Last pulse"-kaiut heijastuvat rakennuksista, tien pinnasta, autoista ja paljaasta maanpinnasta. Pisteet muodostavat digitaalisen korkeusmallin (DEM=digital elevation model) tai pintamallin (DSM=digital surface model=DEM+rakennukset ja puiden lehvästöt).

Laserkeila läpäisee puiden latvukset.

maasta tehtävät laserkeilaukset -> yleensä paikallaan pysyvä mittalaite

laitteiston sijainti on mitattavissa

ilmasta tehtävät laserkeilaukset -> yleensä liikkuva mittalaite

GPS (Global Positioning System) -havainnoilla mitataan lentokoneen sijainti

IMU (Inertial Measurement Unit) -järjestelmällä mitataan lentokoneen asento

etäisyysmittaus kiinteään suuntaan (altimetri, korkeusmittari)

etäisyysmittaus mittaussuuntaa muuttaen

kartiomaisesti keilaava

linjoittain keilaava

etäisyysmittaus kuvaamalla (profilometri)

Laserkeilauksen tarkkuus on monien tekijöiden summa. Tarkkuuteen vaikuttavat::

lentokorkeus (mittausetäisyys)

laserkeilan leviäminen (divergence)
lentonopeus
keilaimen taajuus eli keilaustiheys

GPS/IMU-järjestelmän tarkkuus tai muilla menetelmillä hankitun orientoinnin tarkkuus

laitteiston etäisyysmittauksen tarkkuus

ilmakehän vaikutus

keilauskulma

kohteen ominaisuudet

Palaavasta kaiusta voidaan tallentaa myös voimakkuus eli intensiteetti. Kohteen intensiteettiarvoon vaikuttavat esimerkiksi:

kohteen muoto

kohteen väri

kohteen sijainti ja asento

kohteen tekstuuri

kohteen valaistusolosuhteet (suora vai epäsuora valo)

kohteen erityisominaisuudet (esim. retrotähykset)

Laserkeilaus on tehokas menetelmä korkeusmallien hankintaan. Sen sijaan tarkkojen taiteviivojen löytäminen pistepilvestä on vaikeaa. Taiteviivat löytyvät sitä luotettavammin mitä tiheämpää laseraineisto on.

Laserkeilaus soveltuu hyvin:

Maastomallin (onnistuu myös peitteisillä alueilla) sekä pintamallin mittaamiseen

Pinnanmuotojen massalaskentaa varten

Linjamaisten kohteiden kuten teiden, rautateiden mittaamiseen ja muuhun johto- ja linjasuunnitteluun

televerkkosuunnitteluun

lentoestekarttojen tuotantoon

Joki- ja rannikkoalueiden tulvakartoitukseen

Metsien inventointiin

Kaupunkimallien mittaukseen

Lisää aiheesta: www.foto.hut.fi/opetus/220/luennot/13/13.html

Kuvan ja etäisyysmittauksen yhdistäminen (tulevaisuuden konsepti)

Tulevaisuudessa voidaan tuottaa kertamittauksella etäisyyskuva keilauksen sijaan. Lasersäde hajautetaan linssien avulla siten, että koko kohde valaistaan kerralla (hyvin lyhyeksi aikaa). 3D FPA (focal plane array) rekisteröi kohteesta palaavien signaalien kulkuajat pikseleittäin. Näin saadaan laskettua jokaiselle pikselille etäisyys (etäisyyskuva). Jos optinen kuva saadaan otettua samaan aikaan tai jälkikäteen rekisteröityä tarkasti etäisyyskuvan kanssa, saadaan jokaiselle pikselille sekä etäisyys että sävyarvo.

Etäisyyskuva antaa kollineaarisuusyhtälöön yleensä puuttuvan mittakaavatermin -> 3-D malli saadaan yhdeltä kuvalta

Mahdollistaa lähes reaaliaikaisen 3-D fotorealistisen mallin hankinnan -> malli on heti valmis

Nopeuttaa kartoittamista oleellisesti

Kohteen automaattinen tulkinta helpottuu

Tiedonsiirron määrä aihettaa ongelmia

Jotta kohde saadaan valaistua, laserin on oltava kohtuullisen voimakas. Tämä on ongelma, koska silmät vahingoittuvat, jos laser on liian voimakas

systeemin kalibrointi on ongelmallista

Konsepti tulevaisuuden mittausjärjestelmälle. Pikselipohjainen etäisyyskuva ja optinen tai multispektraalinen kuva otetaan yhtäaikaa.

Maa-57.301 Fotogrammetrian yleiskurssi