Szczegółowe zasady opracowania skaningu laserowego (który w najbliższych latach będzie standardem geodezji i innych branż) udostępniamy wszystkim zainteresowanym za zgodą studenta I roku Politechniki Warszawskiej Mateusza Bieleckiego (jako zwycięzca Ogólnopolskiej Olimpiady wiedzy Geodezyjnej i Kartograficznej w 2013 roku otrzymał indeks na dowolną uczelnię techniczną w kraju) absolwenta naszego technikum geodezyjnego. Szczegółowe zasady opracowania skaningu laserowego (który w najbliższych latach będzie standardem geodezji i innych branż) udostępniamy wszystkim zainteresowanym za zgodą studenta I roku Politechniki Warszawskiej Mateusza Bieleckiego (jako zwycięzca Ogólnopolskiej Olimpiady wiedzy Geodezyjnej i Kartograficznej w 2013 roku otrzymał indeks na dowolną uczelnię techniczną w kraju) absolwenta naszego technikum geodezyjnego.
W dobie szybkiego rozwoju techniki, metod pomiaru, ogromnego zapotrzebowania na informacje geoprzestrzenne, technologia skanowania laserowego przeżywa gwałtowny rozwój i staje się przyszłością w świecie fotogrametrii. Rozwój skaningu laserowego został zapoczątkowany wraz z wyprodukowaniem pierwszego skanera laserowego Cyrax w 1995r. Skanery laserowe, do swej pracy, wykorzystują promień dalmierza laserowego przechodzącego przez zwierciadło skanujące oraz układ światłowodów. Laser dalmierczy działając impulsowo i z dużą częstotliwością, rejestruje energie odbitą od powierzchni terenu lub obiektu poprzez odbiorczy układ optyczny skanera. Na podstawie pomiaru czasu powrotu odbitego sygnału, czyli każdego z impulsów, określana jest precyzyjnie odległość od skanera do punktu terenowego. Ponadto skaner mierzy kąty poziome i pionowe, nadając każdemu mierzonemu punktowi położenie w przestrzeni. Wynikiem zastosowania do pomiaru skanera laserowego, są współrzędne przestrzenne (x,y,z) każdego punktu terenowego, od którego został “odbity” impuls elektromagnetyczny.
“CHMURA PUNKTÓW” – NADMIAR INFORMACJI, czy ZNACZĄCE DETALE ?
Dzięki dużej gęstości skanowania, uzyskuje się zbiór gęsto ułożonych punktów terenowych, tworzących tzw. ” chmurę punktów”. Warto wspomnieć iż laser dalmierczy (impulsowy), często zostaje zintegrowany z kamerą cyfrową i komputerem, co pozwala nadać kolor, szarzyźnie punktów. Dane tworzące “chmurę punktów” mogą być w prosty sposób wykorzystywane do tworzenia różnego rodzaju modeli 3D oraz ich rzutów 2D.
Przykłady modeli 3D opartych na technologii skaningu laserowego i zastosowaniu „chmury punktów” [źródło: http://wpg.com.pl, http://3deling.pl, http://geovertex.pl]
LOTNICZY, a NAZIEMNY SKANING LASEROWY…
Z uwagi na to, iż osobno rozpatrywana jest fotogrametria naziemna i lotnicza, więc, należy również rozróżnić lotniczy i naziemny skaning laserowy, a nawet satelitarny skaning laserowy. We wszystkich wymienionych przypadkach zastosowanie skanerów, ich budowa oraz wykorzystywanie, jest różne. Jednak koncepcja działania samego skanera jest taka sama. Obecnie w ofercie wielu firm zawiera się skanowanie laserowe, które z dnia na dzień znajduje nowe rozwiązania. Wraz z rozwojem skanerów, zostaje ono wykorzystywane nie tylko w geodezji i kartografii, ale również w dziedzinach podobnych.
LIDAR , czyli LOTNICZY SKANING LASEROWY – PRAWIE SAME ZALETY i SZEREG ZASTOSOWAŃ
W ramach lotniczego skaningu laserowego, ważne jest, aby nie postrzegać tej technologii pomiaru jako jedynego źródła danych dla tworzenia modeli map 3D. Łatwiejsze w opracowaniu są tradycyjne zdjęcia lotnicze o dużej rozdzielczości. Największym atutem lotniczego skaningu jest tworzenie precyzyjnego Numerycznego Modelu Terenu (w skrócie NMT lub DTM). W porównaniu z tradycyjnymi zdjęciami technologia ta ma szereg istotnych zalet: – niezależność od warunków oświetleniowych; – niezależność od warunków pogodowych; – penetracja poprzez pokrywę roślinną; – bardzo wysoka dokładność wysokościowa pozyskanych danych; – krótki czas uzyskania produktu finalnego i niskie koszty; Szereg powyższych zalet sprawia że lotniczy skaning laserowy znajduje zastosowanie tam, gdzie liczy sie precyzja i szybkość zdobywania danych pomiarowych o ukształtowaniu terenu. Jako przykład zastosowań można wyróżnić: – budowa przestrzennego modelu aglomeracji miejskich, czyli modeli 3D miast, dla potrzeb urbanistów oraz planistów; – budowa precyzyjnego DTM dla różnego rodzaju potrzeb; – obrazowanie obszarów kopalń odkrywkowych dla oceny wielkości urobku, kontroli zwałowisk, rekultywacji itp. – inwentaryzacja i konserwacja linii energetycznych, dróg, rurociągów, wałów przeciwpowodziowych i innych wydłużonych obiektów infrastruktury; – projektowanie przebiegu tras drogowych, kolejowych, rurociągów; – pomiar powierzchni zaśnieżonych i pokrytych lodem, monitorowanie lodowców; – pomiar terenów podmokłych; – pomiary hydrograficzne do głębokości 70m, modele dna zbiorników wodnych; – generowanie numerycznego modelu pokrycia terenu dla terenów leśnych; – pozyskiwanie parametrów roślinności: wysokości drzew, średnica koron, gęstość zalesienia, określenia biomasy, granic lasów; – wykrywanie pozostałości obiektów archeologicznych.
CAŁA EUROPA SKANUJE z POWIETRZA…
Technika lotniczego skaningu laserowego, pomimo i jest znana od kilku lat, to już znajduje zastosowanie przy realizacji dużych przedsięwzięć. Można tutaj wymienić wiele projektów Europejskich w których technologia ta jest wykorzystywana, m.in. budowa precyzyjnego NMT w Holandii, Belgii, Niemczech, Francji. Efekt finalny pozwoli na korzystniejsze planowanie w gospodarce zasobami wodnymi, budowę systemów przeciwpowodziowych, projektowanie i zarządzanie drogami oraz liniami kolejowymi, planowanie rozwoju miast, ocenę wpływu inwestycji na środowisko, czy nawet zagrożenie hałasem itp. Zaskakujące jest również zastosowanie skaningu w Holandii, gdzie prowadzi się badania strefy brzegowej, które pozwalają ocenić proces abrazji, poprzez porównanie corocznie budowanych NMT linii brzegowej. Znalazł on również zastosowanie w badaniach archeologicznych. Największym tego typu projektem było badanie bawarskiego Limes-u w Niemczech, czyli fragmentu rzymskiego systemu umocnień granicznych. Badania LIDAR-em pozwoliły odsłonić obiekty archeologiczne takie jak np. miejsca pozyskiwania surowca, trakty komunikacyjne, a nawet starożytny podział pól uprawnych. Efekt badań archeologicznych można zastąpić wykonując pomiary sytuacyjno-wysokościowe za pomocą GPS RTK, Total Station, czy digitalizując dane kartograficzne. Są to jednak sposoby o wiele wolniejsze i trudne do realizacji w terenie zalesionym. Polska również nie zostaje w tyle za krajami znacznie lepiej rozwiniętymi technologicznie. Realizowanych jest coraz więcej małych projektów związanych głównie ze sporządzaniem Numerycznego Modelu Terenu, lecz prowadzone są liczne badania nad zastosowaniem lotniczego skaningu laserowego w leśnictwie oraz inwentaryzacji linii kolejowych, czy linii energetycznych, a także realizowany jest projekt ISOK, który wielkością obejmuje znaczną część Polski.
NAZIEMNY SKANING LASEROWY.
Naziemne skanery laserowe bardzo szybko zostały postrzegane jako instrumenty pomiarowe o bardzo szerokim zastosowaniu. Ich produkcja niemal dorównuje ilocią produkcji Total Station, czy nawet odbiornikom GNSS. W geodezji naziemnej skanery wykorzystuje się w szczególnoci do: – kontroli produktów, np. prefabrykatów; – inspekcji obiektów inżynierskich; – monitoringu robót budowlanych; – pomiaru rzeźby terenu i mas ziemnych; – inwentaryzacji obiektów przemysłowych i infrastruktury technicznej; – monitoringu obiektów podziemnych, np. tuneli, jaskiń; – inwentaryzacji zabytków. Można wymieniać nieskończenie wiele zalet naziemnego skaningu laserowego. Przede wszystkim umożliwia on zdobycie znacznej ilości danych w krótkim czasie. Pomiary charakteryzują się dużą dokładnością oraz pozwalają bezkontaktowo zdobyć niezbędne dane pomiarowe na obszarach niedostępnych i często niebezpiecznych. Głównym celem i założeniem pomiarów wykonywanych z zastosowaniem skaningu naziemnego jest wykonanie pełnego lub częściowego modelu 3D mierzonych elementów.
MODEL PRZESTRZENNY 3D, czyli OGROMNE ŻRÓDŁO INFORMACJI o KAŻDYM MIERZONYM ELEMENCIE.
Wiele firm jest zainteresowanych możliwościami wykorzystania skaningu laserowego. Dotyczy to wykonania modeli 3D różnego rodzaju instalacji i obiektów, a także wsparcie przy projektowaniu nowych elementów instalacji, np. modele przestrzenne rur w rafineriach, czy platformach wiertniczych. Podobne modele wykonuje się w obiektach przemysłowych takich jak: huty żelaza, stalownie czy elektrownie wodne lub atomowe. Technologia skaningu zapewnia szerokie możliwości przy dokumentowaniu stanu rzeczywistego budynku. W tym przypadku tworzone modele wizualizuji stan rzeczywisty obiektów, planowanych inwestycji oraz kontroli obiektów już zrealizowanych, w tym podczas różnorakich inspekcji. Stanowi także źródło przydatnych informacji w zakresie zarządzania inwestycji. Naziemny skaning laserowy jest również wykorzystywany podczas budowy lub przebudowy infrastruktury transportowej, a w szczególności dróg, linii kolejowych, wiaduktów, mostów, estakad itp. Skanera laserowego nie może zabraknąć tam, gdzie w przypadku złożonych form terenu metody klasyczne są zdecydowanie nieefektowne. Pomiary skanerem pozwalają na tworzenie numerycznych modeli terenów obszarów górskich, składowisk materiałów, różnego rodzaju nasypów zimnych, np. hałdy węgla, żwiru, siarki, soli itp. Technologia skaningu laserowego znajdując zastosowanie podczas prac podziemnych koncentruje się na wykonywaniu przekrojów podczas prac mających na celu drążenie tuneli, dokładnego określenia objętości materiału wykopanego lub nasypanego, przygotowaniu dokumentacji z przebiegu robót oraz określeniu kształtu drążonych tuneli. Wiele powyższych prac pozwala stwierdzić, iż skaning laserowy zastępuje tradycyjne metody fotogrametryczne, które były stosowane do tej pory. Podobna sytuacja jest w dziedzinie inwentaryzacji zabytków naziemnych. Czas pozyskania danych do stworzenia modelu 3D jest znacznie krótszy od metod fotogrametrycznych, “chmura punktów” dostarcza wierniejszych i dokładniejszych informacji oraz jest łatwiejsza w opracowaniu. W ramach przygotowania dokumentacji architektonicznej, skaning dostarcza widoków, rzutów, przekrojów, modeli przestrzennych oraz wizualizacji historycznych obiektów budowlanych, wykopalisk archeologicznych, a nawet pojedynczych eksponatów. Dokładność oraz wierność uzyskanego modelu przestrzennego przez skaner laserowy, stanową dla konserwatorów zabytków podstawowe dane do realizacji prac konserwatorskich.
Porównanie model 3D ze stanem rzeczywistym obiektów skanowanych [źródło: http///rudi.net,
Porównanie model 3D ze stanem rzeczywistym obiektów skanowanych [źródło: http///rudi.net,
Porównanie model 3D ze stanem rzeczywistym obiektów skanowanych [źródło: http///rudi.net,
SATELITARNY SKANING LASEROWY.
Jak sama nazwa wskazuje w satelitarnym skaningu laserowym nośnikiem skanera są sztuczne satelity Ziemi. Skaning satelitarny nie stanowi tak dokładnego źródła informacji, jak skaning lotniczy, czy naziemny, ale pozwala na uzyskanie informacji na stosunkowo dużym obszarze, w krótkim czasie. Jego zastosowanie ogranicza się do monitorowania szaty roślinnej oraz infrastruktury terenów leśnych i chronionych w tym do monitorowania zadrzewień. Skaning satelitarny pozwala również na określenie rzeźby terenów wysokogórskich oraz na określeniu rzeźby lodowców.
PODSUMOWANIE NAZIEMNEGO i LOTNICZEGO SKANINGU LASEROWEGO.
Jak widać, skaning laserowy posiada cały wachlarz zastosowań, a wraz z coraz większa dokładnością i gęstością skanowania, “wypycha” tradycyjne metody fotogrametryczne, zwłaszcza, że “chmura punktów” jest łatwym produktem do opracowania. Śmiało można stwierdzić, iż on przyszłością pomiarów w geodezji i kartografii oraz idealnym rozwiązaniem w dobie szybkiego rozwoju baz danych systemu informacji przestrzennej. O tym jak bardzo technologia ta “brnie” do przodu świadczy m.in. próba zastosowania dronów, czyli bezzałogowych małych samolotów, jako nośnika skanerów. Ze względu na umiejscowienie skanera i rodzaj skaningu zostało wymienione zastosowanie skanerów w geodezji i kartografii jako lotniczy, naziemny i satelitarny skaning laserowy.
Autor: Mateusz Bielecki, uczeń technikum geodezyjnego nr 12 przy ZSKU w Rzeszowie (obecnie student geodezji 1-go roku Politechniki Warszawskiej)
Źródło:
– Zdzisław Kurczyński, Ryszard Preuss, Warszawa 2003r. “Podstawy fotogrametrii”,Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej;
– Andrzej Wróbel “Fotogrametria”;
– Jerzy Bernasik, Kraków 2008r. “Wykłady z fotogrametrii i teledetekcji”;
-Małgorzata Pawleta i Agnieszka Igielska, Kraków 2009r. “Analiza dokładności wybranych modeli naziemnych skanerów laserowych firmy Zoller+Frohlich GmbH”, Praca dyplomowa;
– Łukasz Uchański, “Technologia naziemnego skaningu laserowego w zagadnieniach inżynierii odwrotnej oraz analiz procesów dynamicznych” Archiwum Fotogrametrii, Kartografii i Teledetekcji;
– Ireneusz Borowiecki “Zastosowanie lotniczego skaningu laserowego dla celów opracowania NMT”;
– www.isok.ingw.pl “Informatyczny System Osłony Kraju”;
– www.geoforum.pl “Krótki wykład: Teledetekcja”;
– www.wikipedia.pl “Lotniczy skaning laserowy”, “LIDAR (Light Detection and Ranging”;
– www.pgi.gov.pl Państwowy Instytut Geologiczny “Metody monitorowania osuwisk”.
