Odvětvové informační středisko a Zeměměřická knihovna VÚGTK 250 66 Zdiby 98, tel. +420 284 890 375, fax: +420 284 890 056

[Linking Laser Scanning to Surveying and Vizualization : Integrating Geo-technologies with a New Beaming Method]

By Alexander Wiechert. - In: Geoinform. - ISSN 1387-0858. - Roč.7, č.5 (2004), s.48-51 : 8 obr. - Res. angl.

Přeložila S. Semerádová (zkráceno)
Zdiby : VÚGTK, 2004. - 3 s.

Klíčová slova: letecké laserové skenování, LIDAR

Abstrakt:

Článek stručně popisuje základní principy laserového skenování a zpracování dat z laserových skenerů Je srovnávána zrcadlová technologie lidarů s nově nastupující vláknovou technologií.

Filozofie lidarů a elektronického měření délek

Měření vzdáleností pomocí zařízení na elektronické měření délek (electronic distance measurement - EDM) se dá přirovnat k leteckému laserovému skenování (airborne laser scanning - ALS). Je tu ale několik základních rozdílů. U EDM je možné nastavit délku pozorování podle vlastností cílového objektu (málo měření ke stabilnímu cíli, např. koutovému odražeči, více měření k přírodním objektům). ALS naproti tomu žádné opakování měření neumožňuje, protože pozice senzoru i směr paprsku se plynule mění, takže každé měření musí být považováno za nepřesnou náhodnou veličinu, závislou na tvaru a topologii osvětlené plochy.

Začátky leteckých lidarů (light detection and ranging - LIDAR) vypadaly slibně, ne všechna očekávání však byla splněna. Zapomíná se na fakt, že snímání leteckými lidary je jen jinou formou EDM, u kterých existuje mnoho řešení a zkušeností pro dosažení co nejpřesnějšího výsledku.

U EDM je nepřípustné spokojit se s jednotlivým měřením. S koutovým odražečem je požadovanou doba měření 1s a počet měření mezi 100 a 1000, bez koutového odražeče je potřeba doba měření delší než 1 s a počet měření větší než 1000.

Vzorec skenování

Zaměříme se na vzorce skenování u existujících lidarových systémů a na to, jak tyto vzorce splňují požadavky EDM.

Obr. 1

Na obrázku 1 vidíme dva vzorce - vlevo je to typický vzorec skenování zrcadlového ALS, jehož vlastnosti jsou:

- úzký paprsek,
- vysoká přesnost jednotlivých měření,
- velký rozestup měření,
- žádní přímí sousedé, tedy nemožnost kontextuální analýzy,
- vysoká citlivost vůči chybným měřením.

V pravé části obrázku je znázorněn vzorec typický pro vláknové ALS. Ten se vyznačuje:

- širokým paprskem,
- střední přesností jednotlivých měření,
- úzkými rozestupy,
- širokým překryvem, a tudíž možností přesné kontextuální analýzy,
- nízkou citlivostí vůči náhodným chybným měřením.

Je samozřejmé, že vzorec skenování, stejně jako další charakteristiky, musí být přizpůsobeny druhu požadované aplikace.

Detekce odraženého signálu

Jedním z hlavních rysů laserového paprsku je schopnost prostoupit vegetací až na zemský povrch. Měření elevace zemského povrchu je spojeno s termínem poslední odraz - tedy poslední přijatý odraz z jednoho vyslaného pulsu, ten který se odrazil od nejvzdálenějšího objektu - zemského povrchu.

Vysílaný laserový signál je krátký, ne však nekonečně krátký. Jeho intenzita stoupá na určitou úroveň, chvíli na ní zůstane a opět klesá. To se děje s vyslaným i přijatým signálem a právě rozdíl mezi vrcholem vyslaného a přijatého impulsu vypovídá o vzdálenosti k snímanému objektu. Existuje několik metod k určení vrcholu signálu. Jednou z nich je prahování: pokud je daný práh intenzity odraženým paprskem překročen, je zastaveno počítadlo. Je-li vzestup signálu prudký, jako je tomu na obrázku 2 vlevo, má amplituda odrazu minimální efekt na zastavení počítadla a tedy určení vzdálenosti. Ve skutečnosti však tento vzestup není dostatečně prudký (na obrázku 2 vpravo) a amplituda se na odečtení vzdálenosti projeví - např. odraz od bílých čar na silnicích zastaví následkem jejich vyšší odrazivosti počitadlo dříve než odraz od tmavého asfaltu. Bílé čáry se tedy zobrazují "nad" silnicí.

Obr. 2

Některé systémy proto umožňují tzv. dynamické prahování, kde je použitý práh odvozen z amplitudy odrazu prvku.

Detekce vícenásobného odraženého signálu

Jeden laserový paprsek může být odražen od více objektů. Tato situace nastává za následujících předpokladů: - objekty leží v různé výšce,
- laserový paprsek má příležitost částečně osvětlit jiné objekty,
- objekty jsou dostatečně dlouhé a mají dost velkou odrazivost,
- paprsek je ve svém průměru dostatečně dlouhý, aby různé objekty osvítil.

To tedy znamená, že zemský povrch může být detekován pouze tehdy, není-li v jeho bezprostřední blízkosti jiný odrazivý předmět. Kvalita elevačního modelu odvozeného z ALS velmi záleží na schopnosti systému velmi dobře rozlišit jednotlivé signály.

Detekce hran

Hydraulické simulace jsou klasickým příkladem, kde je ALS považováno za nevhodné kvůli nepřesnosti zlomových linií. Také 3D modely měst jsou velice časově náročné, a tudíž drahé, neboť je nutné ručně vektorizovat budovy z lidarových dat. Obrázek 3 ukazuje s jakou přesností detekují hrany zrcadlový a vláknový lidar. Lidar s vláknovou technologií umožňuje díky hustším měřením s překryvy přesnější určení hran - nejde tedy o nedostatek u lidarů jako takových, ale jen u některých jejich typů.

Obr. 3

Aplikace

Laserové skenování má v současnosti mnoho aplikací:

- 3D modely měst a městské plánování, - sledování pobřeží a eroze,
- ochrana před povodněmi a hydraulické simulace,
- sledování nalezišť a dolů,
- mapování chodeb ,
- sledování lesů,
- ochrana životního prostředí,
- archeologie.

Využitelnost lidarových dat záleží velkou měrou na výběru nástrojů a zpracování

Závěr

Dospěli jsme k závěru, že vláknová technologie lidarů splňuje veškeré technické požadavky EDM a v mnoha ohledech předčí klasickou zrcadlovou konstrukci, takže lze očekávat její další vývoj.