Ugrás a tartalomhoz

Geodézia 15., Automatizáció a terepi adatgyűjtésben

Tarsoly Péter (2010)

Nyugat-magyarországi Egyetem

15.5 Földi lézerszkennerek

15.5 Földi lézerszkennerek

15.5.1 Működésük alapelve, felosztása

A lézerszkennelés a távérzékelési eljárások egyik legújabb, legdinamikusabban fejlődő területe. Az 1970-es években indult kísérleti fejlesztések után, a gyakorlati alkalmazásokban a 1990-es évek elején jelent meg. Mint minden távérzékelési eljárásnál, a lézerszkenneléssel végzett adatgyűjtésnél is közvetlen fizikai kapcsolat létesítése nélkül szerzünk információt a vizsgált tárgyról. A hagyományos felosztás szerint a lézerszkennelés az aktív távérzékelési eljárások közé tartozik. A szkenner lézerfénysugarat bocsájt ki, mely a vizsgált tárgyról visszaverődik a műszerbe. A legelterjedtebb műszertípusok mérési elve szerint a műszer meghatározza a lézerfény „irányát” a saját test koordinátarendszerében, valamint valamilyen módszerrel - pl. a futási idő mérésével- a visszaverődési pont távolságát. Ez a három adat (két szögérték, és egy távolság) elegendő egy térbeli pont pozíciójának egyértelmű meghatározásához.

Megkülönböztetünk:

  • földi, illetve

  • légi lézerszkennelést. Ez utóbbira a következő kifejezésekkel találkozhatunk:

    • ALS - Airborne Laser Scanning

    • ALM - Airborne Laser Mapping

Itt jegyezzük meg, hogy amerikai szakirodalomban elterjedten használatos a LiDAR (Light Detection and Ranging) kifejezés is.

A földi lézerszkennelés területe további két nagy csoportba osztható, aszerint, hogy a szkenner a mérés során mozdulatlan, vagy mozog. Mozdulatlan szkenner esetén statikus mérésről beszélünk, míg mozgó esetében dinamikus felmérésről.

A dinamikus felmérések kiértékelésének alapvető feltétele, hogy a felmérés során a szkenner(ek) folytonosan változó külső tájékozási adatait is ismerjük. Ezért további helymeghatározó szenzorokra (GPS, INS, blokkolásgátlóba épített kerék-fordulatszámmérő) van szükség. A következő ábrán egy ilyen mobil térképező rendszert mutatunk be, a gépjármű platójára szerelt szkennerekkel.

15-9 ábra Mobil térképező rendszer lézerszkennerekkel (www.topcon.com)

Az előbbi felosztást folytatva, a következő felsorolásban a földi lézerszkennelés lehetséges alkalmazási területeit soroljuk fel. (Külön felhívjuk a figyelmet a közeli tartományban megjelenő alkalmazási területekre, melyek véleményünk szerint valós alternatívát jelentenek a hagyományos geodéziai, fotogrammetriai módszerekkel szemben.)

  • Dinamikus szkennelés:

    • Mobil térképező rendszerek

    • Utak állapotfelmérése, vasúti űrszelvény-felmérés

  • Statikus szkennelés (a műszerek hatótávolságának függvényében):

    • Nagy távolságú felmérések (>200m)

      • Városfelmérések

      • Külszíni bányamérési munkák

    • Közepes távolságú felmérések (1-200m)

      • Építészeti felmérések

      • Iparcsarnokok belső felmérése

      • Építőmérnöki alkalmazások

    • Közeli tartomány (<1m)

      • Orvosi célú felmérések

      • „Fordított mérnöki tervezés” (Reverse Engineering) támogatása: azaz egy fizikailag már létező tárgy mérnöki modellezése érdekében végzett felmérés.

15.5.2 Szkennertípusok

Időmérés módszerén alapuló szkennerek:

Az adó egy rövid, nagy energiájú lézerimpulzust, vagy rövid impulzussorozatot bocsájt ki, mely a tárgy felszínén visszaverődve visszajut az adóval egybeépített vevőegységbe. A jel futási idejének megmérésével, a terjedési sebesség ismeretében a mérendő távolság számítható.

Az egyszerű elv mellett, a gyakorlati megvalósítás során néhány problémával kell szembesülnünk [Bjorn Van Genechten et. al]:

  • A távolságméréstől elvárt pontossági igényből számíthatjuk, hogy milyen pontossággal kell az időmérés végeznünk. Pl. 1mm esetében 300.000km/s terjedési sebességgel számolva ez 0.003ns-ot jelent.

  • A futási idő pontos meghatározásához a kibocsájtott, és a vevőegységbe visszaérkezett lézerimpulzusnak ki kell tudnunk választani ugyanazt a referenciapontját. A gyakorlati nehézséget az okozza, hogy az energiaveszteség miatt az impulzus alakváltozáson megy keresztül. Egyik lehetséges megoldásként a műszer előállítja a kimenő és a beérkező jel deriváltfüggvényét (zero crossing timing method). A jelmaximumnál a deriváltfüggvénynek értéke zérus. Ez indítja és állítja le az időmérést.

  • A mérések időbeli felbontását korlátozza az a tény, hogy az egyértelmű jelazonosítás érdekében az adó nem bocsájt ki új mérőjelet, az előző visszaérkezéséig.

A módszer előnyei:

  • A távolságmérés megbízhatósága szinte független a mérendő távolságtól.

  • A koncentrált energiájú lézerimpulzusnak köszönhetően nagy az elérhető hatótávolság (több száz méter).

Fázismérés módszén alapuló szkennerek:

Az időmérésen alapuló távméréssel ellentétben, ennél a megoldásnál a mérőjel folyamatos. A mérőjel az ún. vivőjel amplitúdó modulációjával jön létre, a vevőegységbe visszaérkezett mérőjelet pedig a vivőjelről ún. demodulációval választják le a feldolgozáshoz. A vivőjel feladata - a nevének megfelelően- a mérés során csupán annyi, hogy az adótól a vevőig eljuttassa a mérőjelet.

Az ismeretlen távolságon a N darab egész mérőjel ciklus és egy „maradék” ciklus fér el. Ezt a maradéktávolságot tudjuk a visszaérkezett mérőjel fázishelyzetének mérésével számítani.

Továbbra sem ismert azonban, a N egész szám, azaz hogy hány egész ciklus zajlott le a távmérés során. Ezt a következő egyszerű módszerrel tudjuk meghatározni. A vivőjelre a modulációval nem egy, hanem több eltérő hullámhosszúságú mérőjelet ültetünk. A rövid hullámhosszúságú mérőjellel az előbb ismertetett módon a maradéktávolságot határozzuk meg, míg a nagyobb hullámhosszúságú mérőjellel az egész ciklusok számát (ezáltal biztosítjuk a mérés egyértelműségét). Felmerülhet a kérdés, miért nem csak egy darab nagyobb hullámhosszúságú mérőjelet használnak az ilyen műszerek? Ennek az oka, hogy a fázisméréssel elérhető pontosság, a mérőjel hullámhosszával arányos. A mai szkennerek jellemzően 2-3 eltérő frekvenciájú mérőjelet használnak.

A fázismérésen alapuló szkennerek általában kisebb hatótávolságú, de nagyobb pontosságú és felbontású mérést tesznek lehetővé.

A következő ábra bal oldalán két, a gyakorlatban elterjedten alkalmazott, időmérés elvén-, jobb oldalán pedig két fázismérés elvén működő szkennert mutatjuk be.

15-10 ábra Földi lézerszkennerek (Bjorn Van Genechten et. al)

Háromszögelés módszerén alapuló tárgyszkennerek:

Tekintsük a következő ábrán látható berendezést, amely egy lézerfényforrásból és egy kamerarendszerből áll. A kamera és a fényforrás bázistávolsága (D) ismert érték. A kibocsájtott lézersugárnak (pl. az ábrán zölddel jelzett) a bázisvonallal bezárt szöge szintén ismert (mért) érték. A kamera szenzorán leképződött jel pozíciójából számítható a beesési szög . Adott tehát egy háromszög egy ismert oldallal (bázis), valamint a rajta fekvő két szöggel. A háromszög egyértelműen megoldható, számítható pl. a lézerfénysugár visszaverődési pontja a tárgyon.

15-11 ábra Háromszögelés elvén alapuló szkenner (Bjorn Van Genechten et. al)

A műszer működése elvét áttekintve szembetűnhet a megoldás korlátai: a bázis hosszát fizikai korlátok miatt nem választhatjuk tetszőlegesen nagyra. Ugyanakkor a fotogrammetriából is ismert bázisviszony jelentősen meghatározza az elérhető pontosságot. Éppen ezért nem meglepő módon kis tárgytávolságú (jellemzően néhány dm), nagy felbontású, és nagy pontossági igényű feladatok megoldásánál találkozhatunk ilyen elven működő műszerekkel. A következő ábra egy ilyen eszközt mutat be egy szobor szkennelése közben.

15-12 ábra Tárgyszkenner működés közben (Bjorn Van Genechten et. al)