Departement Toegepaste Ingenieurswetenschappen Campus Schoonmeersen Departement Industrieel Ingenieur Campus Gent PLATO WERKPAKKET 6.1 LASERSCANNING: HOE BEGIN IK ERAAN? Handleiding voor beginners Auteurs: Greet Deruyter Hogeschool Gent Sara De Clerck Hogeschool Gent
Inhoudsopgave Inhoudsopgave... i 1. Inleiding...3 2. Waarom (niet) kiezen voor laserscanning?...4 2.1 Samenvatting van de voor- en nadelen per meettechniek...4 2.1.1 Totaalstation...4 2.1.2 GNSS...5 2.1.3 Laserscanning...6 2.1.4 Fotogrammetrie...8 2.2 Hoe kies ik de meest geschikte techniek voor mijn project?... 10 2.2.1 Beslissingstabel... 10 2.2.2 Voorbeeld 1... 12 2.2.3 Voorbeeld 2... 14 3. Ik heb gekozen voor laserscanning: hoe begin ik eraan?... 17 3.1 Keuze van de scanner... 17 3.1.1 Type scanner... 17 3.1.1.1 Triangulatie scanner... 17 3.1.1.2 Pulsscanner... 17 3.1.1.3 Fasescanner... 18 3.1.2 Meetbereik... 18 3.1.3 Meetsnelheid... 19 3.1.4 Nauwkeurigheid... 19 3.1.5 Field of view... 20 3.1.6 Beeldvormende camera s... 20 3.1.7 Gebruiksvriendelijkheid apparatuur... 21 3.1.7.1 Transport... 21 3.1.7.2 Batterijen... 21 3.1.7.3 Scanning software... 21 Inhoudsopgave i
3.2 Het veldwerk... 22 3.2.1 Voorbereiding van het veldwerk... 22 3.2.1.1 De keuze van de opstelpunten... 22 3.2.1.2 De plaats van de targets... 24 3.2.1.3 Soort target in combinatie met de registratietechniek,... 26 3.2.2 Het Veldwerk... 26 3.2.2.1 Opstellen van de scanner... 26 3.2.2.2 Instellen van de scanparameters... 27 3.2.2.3 Het scannen... 28 3.2.2.4 Het scannen van de targets... 28 3.2.2.5 Het opmeten van de targets met een totaalstation... 29 3.2.2.6 Controle op volledigheid... 29 3.3 Verwerking van de gegevens... 29 3.3.1 Voorbereiden van de gegevens... 29 3.3.2 Registratie & Geo-referentie... 30 3.3.2.1 Indirecte Registratie & Geo-Referentie... 30 3.3.2.2 Directe Registratie & Geo-Referentie... 30 3.3.2.3 Enkele aandachtspunten bij registratie en geo-referentie... 31 3.3.3 Verwerken van 3D puntenwolken... 31 3.3.3.1 Mogelijke visualisaties van de puntenwolken... 32 3.3.3.2 Voorbereiden van de gegevens voor verdere verwerking... 32 3.3.3.3 Rechtstreekse 2D modellering van puntenwolken... 33 3.3.3.4 Rechtstreeks 3D modelleren vanuit puntenwolken... 34 3.3.3.5 3D modelleren van complexe oppervlakken... 34 3.3.3.6 Onrechtstreekse 2D modellering van puntenwolken... 34 3.3.3.7 Aanbrengen van textuur... 34 3.4 Kwaliteitscontrole & Aflevering... 35 4. Referentielijst... 37 Inhoudsopgave ii
1. Inleiding In de loop van het PLATO project kwamen heel wat aspecten met betrekking tot laserscanning aan bod. Eén van de doelstellingen van het project is enerzijds om kleinere landmeetkantoren over de streep te trekken voor wat betreft het integreren van laserscanning in hun activiteitenpakket door objectieve informatie beschikbaar te maken. Anderzijds beseffen de projectmedewerkers dat laserscanning niet die enig zaligmakende techniek is die alle andere zal vervangen en dat er voldoende andere activiteiten zijn waarin men zich kan specialiseren. Het belangrijkste is dat de kleinere bedrijven die niet altijd toegang hebben tot research of geavanceerde informatie gebruik kunnen maken van de projectresultaten om een gefundeerde keuze te maken voor (of tegen) het opnemen van laserscanning in hun bedrijfsprocessen. Inleiding 3
2. Waarom (niet) kiezen voor laserscanning? In werkpakket 1.2 werden de gangbare technieken tegenover elkaar gezet. Hier worden de voor- en nadelen van de besproken technieken nog eens opgelijst. 2.1 Samenvatting van de voor- en nadelen per meettechniek 2.1.1 Totaalstation Voordelen De operator bepaalt zelf welke punten opgenomen worden Geen overbodige data Verwerking neemt minder tijd in beslag Nadelen Enkel inmeten van zelf bepaalde punten Slechts beperkt aantal meetpunten Geen informatie van tussenliggende punten Lange duurtijd veldwerk Hoge nauwkeurigheid en precisie Eenvoudige en snelle be- en verwerking van data Mogelijkheid om code toe te voegen aan meetpunt plannen en tekeningen grotendeels automatisch gegenereerd Lage verwerkingstijd Het is mogelijk om punten uit te zetten Nodig voor opmeten controlepunten bij fotogrammetrie en laserscanning Niet nodig om site te betreden bij reflectorloos meten In vergelijking met luchtfotogrammetrie en - LIDAR niet zo geschikt voor opmeten van zeer uitgestrekte oppervlakken Waarom (niet) kiezen voor laserscanning? 4
2.1.2 GNSS Voordelen De operator bepaalt zelf welke punten opgenomen worden Geen overbodige data Verwerking neemt minder tijd in beslag Nadelen Enkel inmeten van zelf bepaalde punten Slechts beperkt aantal meetpunten Geen informatie van tussenliggende punten Lange duurtijd veldwerk Hoge nauwkeurigheid en precisie in het horizontaal vlak Lage nauwkeurigheid en precisie in de hoogte bepaling Eenvoudige en snelle be- en verwerking van data Mogelijkheid om code toe te voegen aan meetpunt plannen en tekeningen grotendeels automatisch gegenereerd Lage verwerkingstijd Het is mogelijk om punten uit te zetten Nodig voor opmeten controlepunten bij fotogrammetrie en laserscanning Onderlinge zichtbaarheid is niet vereist Metingen niet beïnvloed door weersomstandigheden Er kan in principe altijd gemeten worden (ook s nachts) GNSS is universeel toepasbaar systeem Overal ter wereld werken met zelfde apparatuur Zowel op land, in de lucht als op zee In vergelijking met luchtfotogrammetrie en - LIDAR niet zo geschikt voor opmeten van zeer uitgestrekte oppervlakken. Meten in gebouwen en onder de grond is onmogelijk. Gevelmetingen zijn onmogelijk. Afscherming van het signaal door gebouwen en natuurlijke obstakels maakt metingen in verstedelijkte en bergachtige omgevingen vaak moeilijk tot zelfs onmogelijk. Waarom (niet) kiezen voor laserscanning? 5
2.1.3 Laserscanning Voordelen Inmeten toevallige punten registratie van extra informatie die niet met het blote oog kan waargenomen worden extra informatie kan achteraf uit de data bekomen worden (zelfs al was dit niet te voorzien) Hoge metrische nauwkeurigheid na modellering Enkele set up geometrie geen inherent zwakke dimensie Nadelen Inmeten 'toevallige' punten ruis het is onmogelijk karakteristieke punten exact in te meten Individuele punten hebben lage nauwkeurigheid Nauwkeurigheid bij Mobile Mapping en nietoptimale GNSS-ontvangst lager dan bij totaalstation lager dan bij statische metingen Zeer snelle opnametijd Min of meer automatisch meetproces Tijdrovende verwerking: Registratie van de verschillende scans Modelleringsproces Geen codering van punten mogelijk 3D metingen met hoge puntdichtheid Enorme hoeveelheid data zeer hoge graad van detail De georeferentie van het eindresultaat vereist controlepunten die dienen opgemeten te worden met een totaalstation of via GNSS. Bij dynamische scanning wordt dit opgelost door het gebruik van INS en GNSS gedurende de meting. Enorme hoeveelheid data Performante computer nodig (cpu, RAM, opslagcapaciteit) veel tijd nodig om tot gewenst product te komen Waarom (niet) kiezen voor laserscanning? 6
Niet altijd noodzakelijk om de site betreden (contactloze meettechniek) De resolutie kan ingesteld worden, maar blijft afhankelijk van de afstand tussen de scanner en het object. Triangulatiescanner: < 10-2 mm De kwaliteit van RGB-textuurinformatie is eerder laag Basiskosten laserscanning vanuit de lucht zijn vrij hoog Minder geschikt voor opmeten van kleine gebieden (< 50km²) TLS: < 1 cm Mobile mapping (terrestrisch): 1 waarneming per cm² (ook afhankelijk van de voortbewegingssnelheid) Airborn LIDAR (laseraltimetrie): 1 waarneming per 2 m² (ook afhankelijk van de voortbewegingssnelheid) Airborn LIDAR is ongeveer 40 dagen per jaar mogelijk (tegenover 20 dagen voor fotogrammetrie) Weergave van volledig oppervlak efficiënt voor de berekening van vormveranderingen (deformatie) efficiënt voor de berekening van volumes Waarom (niet) kiezen voor laserscanning? 7
2.1.4 Fotogrammetrie Voordelen Inmeten 'toevallige' punten extra informatie kan achteraf uit de data bekomen worden (zelfs al was dit niet te voorzien) De nauwkeurigheid evenaart deze van topografische methoden. Hoge precisie Digitale foto's kunnen gebruikt worden voor metingen Nadelen Inmeten 'toevallige' punten het is onmogelijk karakteristieke punten exact in te meten Nauwkeurigheid in de diepte eerder zwak. De georeferentie van het eindresultaat vereist controlepunten die dienen opgemeten te worden met een totaalstation of via GNSS. Bij dynamische fotogrammetrie (mobile mapping, luchtfotogrammetrie) wordt dit opgelost door het gebruik van INS en GNSS gedurende de meting. Meetmogelijkheden na verwerking is beperkt, omdat puntidentificatie enkel mogelijk is in gebieden met structuur Nauwkeurigheid bij Mobile Mapping en nietoptimale GNSS-ontvangst lager dan bij totaalstation lager dan bij statische metingen Zeer snelle opnametijd Hoge verwerkingstijd Modelleringsproces Enorme hoeveelheid data Op relatief eenvoudige manier kan een gedetailleerde 3D-registratie van grote en kleine structuren gebeuren. Geen codering van punten mogelijk Enorme hoeveelheid data Inmeten toevallige punten (ruis) die schaduw werpen op het te karteren object Waarom (niet) kiezen voor laserscanning? 8
Niet altijd noodzakelijk om de site betreden (contactloze meettechniek) Betrekkelijk lage kostprijs Textuurinformatie is beschikbaar Weergave van volledig oppervlak efficiënt voor de berekening van vormveranderingen (deformatie) efficiënt voor volumeberekeningen Geen hoge mate van automatisering mogelijk op complexe oppervlakker Fotogrammetrie is slechts 20 dagen per jaar mogelijk tegenover 40 dagen waarop LIDAR mogelijk is. Basiskosten luchtfotogrammetrie zijn vrij hoog Minder geschikt voor opmeten van kleine gebieden (< 50km²) Waarom (niet) kiezen voor laserscanning? 9
2.2 Hoe kies ik de meest geschikte techniek voor mijn project? Het is belangrijk om een project juist in te schatten. Eén van de mogelijkheden is te werken via een checklist en zo een mogelijks vastgeroest denkpatroon te doorbreken. Het is immers niet omdat men bijvoorbeeld jaren aan een stuk bulkvoorraden opneemt mits gebruik van een totaalstation en daarmee zeer goede resultaten bekomt, dat dezelfde opdracht misschien niet efficiënter kan verlopen door gebruik te maken van GNSS, fotogrammetrie of laserscanning. Alle hard- en software verandert in een razendsnel tempo zodat het best mogelijk is dat de meest geschikte techniek van gisteren dit vandaag niet meer is. Eigenlijk zou elk bedrijfsproces periodiek aan zo n efficiëntie- of geschiktheidstest moeten onderworpen worden. 2.2.1 Beslissingstabel In Tabel 1 wordt voor een aantal parameters aangegeven in welke mate een bepaalde techniek geschikt is voor een gegeven project. +++ : betekent zeer geschikt : betekent totaal ongeschikt De tabel kan een hulpmiddel zijn voor het kiezen voor de juiste techniek. In bepaalde gevallen zal een combinatie van meerdere technieken aangewezen zijn, in andere gevallen zullen meerdere technieken in aanmerking komen. Er wordt een onderscheid gemaakt tussen parameters met betrekking tot de eisen van de opdrachtgever (vereisten) en de parameters die te maken hebben met de omstandigheden (omgevingsparameters). Niet alle mogelijke parameters zijn opgenomen in de tabel. Zo zal het al dan niet reeds aanwezig zijn van hard- en software een zeer bepalende factor zijn gezien de grote invloed op de kostprijs van zowel investering in materiaal als in opleiding van personeel. Figuur 1 geeft een indicatie van het toepassingsgebied van 3D data acquisitie technieken in functie van de objectgrootte of afstand tot het op te meten object en de te verwachten nauwkeurigheid en moet meegenomen worden in de beslissingsboom. Waarom (niet) kiezen voor laserscanning? 10
Tabel 1: Beslissingstabel met betrekking tot de keuze voor een bepaalde techniek randvoorwaarden Job en output vereisten veldwerk moet snel gebeuren en hoge graad van detail nodig met reflector fotogrammetrie reflectorloos RTK post processing (zonder RTK) totaalstation GNSS laserscanning +/ ++ ++ +++ +++ veldwerk moet snel gebeuren en weinig detail nodig +++ +++ +++ +++ informatie karakteristieke punten noodzakelijk +++ +++ + + opmeten van complexe vormen +++ ++ 3D informatie nodig +++ +++ ++ ++ +++ +++ hoge nauwkeurigheid (hoogte) +++ +++ ++ / ( ) +++/ ( ) ++ +++ hoge precisie (hoogte) +++ ++ ++ / ( ) +++/ ( ) ++ +++ realistische beeldvorming ++ +++ beeld van volledig oppervlak +++ ++ lage verwerkingstijd is belangrijk +++ +++ +++ ++ opleiding van personeel is een probleem +++ +++ +++ punten uitzetten is nodig +++ + +++ omgevingsparameters De site is slechts beperkt (in de tijd) toegankelijk, en slechts zichtbaar vanuit een beperkt aantal posities binnen middellange afstand De site (object) is niet of moeilijk toegankelijk, maar wel zichtbaar op middellange afstand en dit vanuit voldoende mogelijk opstelposities De meetcampagne verloopt grotendeels binnen (in gebouw, tunnel, grot, ) + +++ + + + +++ +++ +++ +++ +++ +++ +++ +++ Waarom (niet) kiezen voor laserscanning? 11
Figuur 1: Te verwachten nauwkeurigheid in functie van objectgrootte/afstand en de gebruikte techniek (Deruyter, 2010 - gebaseerd op Luhmann et al., 2006) 2.2.2 Voorbeeld 1 Stel het project betreft het documenteren van een historische gevel in het centrum van een stad. De gevel moet zo volledig mogelijk in beeld gebracht worden en de exacte positie (x, y en z) van een vijftal punten die gebruikt worden voor monitoring van een mogelijke verzakking in de tijd moeten nauwkeurig opgemeten worden. Op basis van Figuur 1 komen volgende technieken in aanmerking: terrestrische laserscanning, totaalstation, landmeetkundige fotogrammetrie, DGPS (GNSS). GNSS kan echter niet gebruikt worden voor gevelmetingen (zie voor- en nadelen van GNSS). Vervolgens wordt de tabel ingevuld. Een techniek die mogelijks geschikt is, wordt in blauw aangeduid Een criterium dat niet van toepassing is, wordt in grijs aangeduid Waarom (niet) kiezen voor laserscanning? 12
randvoorwaarden Job en output vereisten veldwerk moet snel gebeuren en hoge graad van detail nodig Tabel 2: Beslissingstabel voor het voorbeeld van de gevelmeting met reflector fotogrammetrie reflectorloos RTK post processing (zonder RTK) totaalstation GNSS laserscanning +/ ++ ++ +++ +++ veldwerk moet snel gebeuren en weinig detail nodig +++ +++ +++ +++ informatie karakteristieke punten noodzakelijk +++ +++ + + opmeten van complexe vormen +++ ++ 3D informatie nodig +++ +++ ++ ++ +++ +++ hoge nauwkeurigheid (hoogte) +++ +++ ++ /( ) +++/( ) ++ +++ hoge precisie (hoogte) +++ ++ ++ /( ) +++/( ) ++ +++ realistische beeldvorming +++ +++ beeld van volledig oppervlak +++ ++ lage verwerkingstijd is belangrijk +++ +++ +++ ++ opleiding van personeel is een probleem +++ +++ +++ punten uitzetten is nodig +++ + +++ omgevingsparameters De site is slechts beperkt (in de tijd) toegankelijk, en slechts zichtbaar vanuit een beperkt aantal posities binnen middellange afstand De site (object) is niet of moeilijk toegankelijk, maar wel zichtbaar op middellange afstand en dit vanuit voldoende mogelijk opstelposities De meetcampagne verloopt grotendeels binnen (in gebouw, tunnel, grot, ) Bespreking van de tabel: + +++ + + + +++ +++ +++ +++ +++ +++ +++ +++ Laserscanning en fotogrammetrie scoren het best op basis van onderstaande criteria: veldwerk moet snel gebeuren en hoge graad van detail nodig (heel veel punten in zeer weinig tijd) Waarom (niet) kiezen voor laserscanning? 13
opmeten van complexe vormen nauwkeurige 3D informatie nodig (ook Z-waarde) hoge nauwkeurigheid (ook voor Z-waarde) realistische beeldvorming beeld van volledig oppervlak Wegens de hoge graad van detail die gevraagd wordt, is een totaalstation ongeschikt voor het opmeten van de gevel. Bovendien is de gevel zelf ontoegankelijk, waardoor enkel reflectorloos zou kunnen gemeten worden. Voor de punten gebruikt voor monitoring zal een totaalstation gebruikt worden, reflectorloos of met gebruik van vaste targets. Besluit: Voor de gevel wordt laserscanning of fotogrammetrie gebruikt, met een voorkeur voor laserscanning omdat hiermee reeds onmiddellijk een 3D puntenwolk bekomen wordt, zonder enige vorm van naverwerking (behalve de registratie). Via eenvoudige visualisatiemethoden kan zo reeds een visueel 3D model bekomen worden. In deze puntenwolk kunnen ook metingen uitgevoerd worden wat niet het geval is bij fotogrammetrie. Als verdere modellering noodzakelijk is (vb. bij restauratiewerkzaamheden) of als afgeleide plannen moeten gegenereerd worden zijn zowel bij laserscanning als bij fotogrammetrie nog verdere bewerkingen nodig die afhankelijk van het gevraagde eindproduct tijdrovend kunnen zijn. De deformatie metingen zullen in dit geval normaliter met een totaalstation gebeuren omdat het slechts enkele punten betreft. Als het ook zou nodig zijn om de ligging van de gevel in een extern of absoluut coördinatensysteem (vb. LB72) te situeren, zullen de coördinaten van de targets ook met behulp van een totaalstation opgemeten worden. 2.2.3 Voorbeeld 2 Stel er doet zich onverwachts een mogelijks instabiele situatie voor in een constructie zodat het noodzakelijk is om elke zes uur de verplaatsing van enkel karakteristieke punten van de constructie te op te meten. Als een bepaalde vervorming overschreden wordt, moet de omgeving van de constructie ontruimt worden. Op basis van Figuur 1 komen volgende technieken in aanmerking: terrestrische laserscanning, totaalstation, landmeetkundige fotogrammetrie, DGPS (GNSS). Vervolgens wordt de tabel ingevuld. Een techniek die mogelijks geschikt is, wordt in blauw aangeduid Een criterium dat niet van toepassing is, wordt in grijs aangeduid Waarom (niet) kiezen voor laserscanning? 14
randvoorwaarden Job en output vereisten veldwerk moet snel gebeuren en hoge graad van detail nodig Tabel 3: Beslissingstabel voor het voorbeeld van de gevelmeting met reflector fotogrammetrie reflectorloos RTK post processing (zonder RTK) totaalstation GNSS laserscanning +/ ++ ++ +++ +++ veldwerk moet snel gebeuren en weinig detail nodig +++ +++ +++ +++ informatie karakteristieke punten noodzakelijk +++ +++ + + opmeten van complexe vormen +++ ++ 3D informatie nodig +++ +++ ++ ++ +++ +++ hoge nauwkeurigheid (hoogte) +++ +++ ++ /( ) +++/( ) ++ +++ hoge precisie (hoogte) +++ + ++ /( ) +++/( ) ++ +++ realistische beeldvorming +++ +++ beeld van volledig oppervlak +++ ++ lage verwerkingstijd is belangrijk +++ +++ +++ ++ opleiding van personeel is een probleem +++ +++ +++ punten uitzetten is nodig +++ + +++ Omgevingsparameters De site is slechts beperkt (in de tijd) toegankelijk, en slechts zichtbaar vanuit een beperkt aantal posities binnen middellange afstand De site (object) is niet of moeilijk toegankelijk, maar wel zichtbaar op middellange afstand en dit vanuit voldoende mogelijk opstelposities De meetcampagne verloopt grotendeels binnen (in gebouw, tunnel, grot, ) Bespreking van de tabel en besluit: Het totaalstation scoort het best wegens: + +++ + + + +++ +++ +++ +++ +++ +++ +++ +++ de noodzaak om karakteristieke punten op te meten de snelheid waarmee een klein aantal punten kan opgemeten worden Waarom (niet) kiezen voor laserscanning? 15
de nauwkeurigheid in 3D de verwerkingssnelheid Laserscanning en fotogrammetrie zijn niet geschikt wegens de te lange verwerkingstijd in de gegeven situatie de noodzaak aan informatie over karakteristieke punten op in een beperkt tijdsinterval Afhankelijk van de situatie zal al dan niet gekozen worden voor reflectorloze metingen. Waarom (niet) kiezen voor laserscanning? 16
3. Ik heb gekozen voor laserscanning: hoe begin ik eraan? Meer nog dan bij metingen met een totaalstation of met GNSS is een degelijke terrein verkenning en projectplanning van essentieel belang. Bepaalde beslissingen tijdens het meetproces kunnen een grote invloed hebben op de efficiëntie en de nauwkeurigheid. Door bijvoorbeeld een groter gebied te scannen dan nodig kan er veel tijd verloren gaan. Ook over de keuze van de opstelpunten, de plaats van de targets, de soort targets in combinatie met de registratietechniek, de keuze van het type scanner enz. wordt het best op voorhand nagedacht, opdat het hele productieproces op de meest efficiënte manier gescand kan worden. 3.1 Keuze van de scanner 3.1.1 Type scanner 3.1.1.1 Triangulatie scanner De triangulatiescanners bevatten een basis. Ze analyseren de plaats van een geprojecteerde laserspot gebruik makend van één of twee CCD (Charge Coupled Device) camera s. Deze verschillende principes bezitten dezelfde nauwkeurigheidskenmerken bij de metingen. 1 Uit onderzoeken is gebleken dat de nauwkeurigheid op de afstand tussen het instrument en het voorwerp daalt met het kwadraat van deze afstand. Om praktische redenen kan de basislengte niet verhoogd worden, waardoor ook het bereik beperkt is. Deze instrumenten worden gebruikt voor korte afstanden en kleine voorwerpen omdat ze nauwkeuriger zijn dan de ranging scanners. Eigenschappen: klein bereik (minder dan 10 meter) zeer hoge nauwkeurigheid (grootte orde van enkele micron) 3.1.1.2 Pulsscanner Bij de time of flight methode wordt een laserpuls uitgezonden naar het voorwerp. De afstand tussen de zender en het reflecterend oppervlak van het voorwerp wordt berekend met behulp van de tijd tussen het uitzenden en het ontvangen van de laserpuls. De typische standaardafwijkingen op de afstandsmeting bij de time of flight laserscanners (= pulsscanners) hebben een grootteorde van enkele millimeters. Doordat de gemeten afstanden meestal vrij kort zijn, is de nauwkeurigheid bijna overal hetzelfde voor de hele objectenruimte. 1 1 Boehler, W., Marbs, A., 2002. Ik heb gekozen voor laserscanning: hoe begin ik eraan? 17
Eigenschappen: snelheid 50,000 punten per seconde (een tweede puls kan pas verzonder worden als de echo van de vorige terug is ontvangen) meestal nauwkeurigheid van ongeveer 6 tot 10 mm (nauwkeurigheid is afhankelijk van het klokmechanisme de fout is onafhankelijk van de afstand) het voordeel van het gebruik van pulsen bij laser afstandsmetingen is het grotere vermogen bij het zenden van de laser straal waardoor het mogelijk is om de vereiste SNR (signal to noise ratio) vereist bij het maken van nauwkeurige afstandsmetingen bij grote afstanden (tot verschillende honderden meter) te behalen. Het nadeel is het probleem voor het detecteren van het exacte tijdsinterval van de weerkaatste laser puls omwille van de veranderlijke natuur van de optische detectie en atmosferische invloeden. 3.1.1.3 Fasescanner Bij het fase gebaseerd meetprincipe wordt op de laserstraal een harmonische golf met een bepaalde golflengte gemoduleerd en wordt de afstand berekend met behulp van het faseverschil tussen de uitgezonden en de ontvangen golf. Voor de gebruiker verschilt deze methode niet veel met de time of flight methode, maar de nauwkeurigheid van de resultaten is afhankelijk van externe omstandigheden. Bij korte afstanden en afgeschermd van zonlicht (vb. metingen in tunnels), waardoor fouten door interferentie worden vermeden, kan de nauwkeurigheid merkelijk hoger zijn dan bij de time of flight methode. Eigenschappen: Bereik: tot 180 m afhankelijk van de belichtingsomstandigheden (kleiner bereik bij fel zonlicht) snelheid: tot 1.000.000 punten per seconde positienauwkeurigheid voor korte afstanden (tot 20 à 30 m) beter dan bij pulsscanner, maar bij grotere afstanden neemt de nauwkeurigheid snel af 3.1.2 Meetbereik Kies bij voorkeur een toestel met een groter meetbereik dan de maximale afstand tot het te scannen voorwerp. Immers, wanneer de scanner moet opereren in de buurt van zijn maximaal bereik, zal de puntenwolk meer ruis bevatten en minder precieze resultaten opleveren. Het meetbereik van fasescanners is veel kleiner dan dat van pulsscanners, waardoor vanaf een bepaalde afstand een pulsscanner dient gekozen te worden. De meest recente technische evoluties gaan in de richting van toestellen waarin fase en puls met elkaar gecombineerd worden, waardoor de voordelen van beide types samengebracht worden in één toestel. Ik heb gekozen voor laserscanning: hoe begin ik eraan? 18
De verschillende soorten scanners (de triangulatiescanner, de time of flight scanner en de fase gebaseerde scanner) hebben elk een verschillend bereik. Zo hebben triangulatiescanners een bereik van enkele centimeters tot enkele meters. De time of flight scanner (=pulsscanner) heeft een veel groter bereik, gaande van enkele honderden meters tot meer dan een 1 km. Bij de fase gebaseerde scanners is er een maximum bereik in de orde van minder dan tweehonderd meter mogelijk. Deze nauwkeurigheden kunnen sterk variëren naargelang de uitwendige omstandigheden, het merk en type toestel. In de datasheets van de verschillende laserscanners zijn het bereik en de nauwkeurigheid terug te vinden. Dit betekent dat 3.1.3 Meetsnelheid Wanneer een hoge puntendichtheid en hoge resolutie vereist wordt, kan het scannen als een tijdrovend proces aanzien worden. Tegenwoordig zijn terrestrische laserscanners op de markt met snelheden van rond de 50.000 punten/sec. voor pulsscanners, zoals de Leica ScanStation C10 en zelfs tot 1.000.000 punten/sec. voor fasescanners, zoals de Leica HDS6200. Als het beschikbaar tijdsvenster zeer klein is, bijvoorbeeld bij deformatiemetingen in een tunnel, zal een fasescanner dus de meest voor de hand liggende keuze zijn. Uiteraard moet steeds met alle factoren rekening gehouden worden. 3.1.4 Nauwkeurigheid Triangulatiescanners zijn het nauwkeurigst: grootte orde van enkele tientallen µm. Voor korte afstanden (20 à 30 m) zijn fasescanners nauwkeuriger dan pulsscanners. Voor grotere afstanden zijn pulsscanners nauwkeuriger dan fasescanners omdat de nauwkeurigheid hier bijna niet afhankelijk is van de afstand. Er zijn verschillende manieren om uitdrukking te geven aan (meestal de relatieve) nauwkeurigheid. Gangbare aanduidingen zijn: de positienauwkeurigheid van één punt uit een puntenwolk op een bepaalde afstand van de scanner de nauwkeurigheid op de afstand de hoeknauwkeurigheid de standaard afwijking van een geometrie (vlak, cilinder, ) geïnterpoleerd op de puntenwolk straaldivergentie van de laser en spotgrootte op een bepaalde afstand van de scanner Ik heb gekozen voor laserscanning: hoe begin ik eraan? 19
De meeste constructeurs drukken deze eigenschappen net iets anders uit of gebruiken niet dezelfde basiswaarden/eenheden, wat het vergelijken van verschillende toestellen bemoeilijkt. De cijfermatige gegevens kunnen teruggevonden worden op de datasheets die verstrekt worden door de constructeurs. Tijdens de registratie van de puntenwolken wordt de absolute nauwkeurigheid in een lokaal of een landelijk (geodetisch) assenstelsel berekend. De absolute nauwkeurigheid is dus afhankelijk van berekende waarden en dus van software algoritmes, die niet noodzakelijk dezelfde zijn bij de verschillende constructeurs. Het succes van de registratie is ook afhankelijk van de mate waarin de puntenwolken elkaar overlappen, van de soort targets die gebruikt werden (kunstmatige of natuurlijke) en van hun onderlinge ligging. Dit laatste is te vergelijken de nauwkeurigheid van een achterwaartse of voorwaartse insnijding met een totaalstation, waarbij de nauwkeurigheid afhankelijk is van de afstand tussen de referentiepunten en het stationspunt en van de insnijdingshoek. Voor de absolute nauwkeurigheid van de punten in de puntenwolk heeft uiteraard de absolute nauwkeurigheid van de referentiepunten (gematerialiseerd door de targets) de grootste invloed. 3.1.5 Field of view Het gezichtsveld van scanners is afhankelijk van toestel tot toestel. Deze kan gaan van 40 op 40 (Leica HDS2500) tot horizontaal 360 en verticaal 270 (Leica C10). Een grote field of view is nuttig in gesloten ruimten waar de scanner gegevens kan verzamelen vanuit één opstelplaats. Bij scanners met een kleine field of view zal men meer opstelpunten nodig hebben om bijvoorbeeld een bepaald gebouw te scannen dan wanneer men datzelfde gebouw zou scannen met een scanner met een grote field of view. Dit heeft ook gevolgen voor de registratie. Bij de scanner met een kleine field of view zullen er meer scans bekomen worden en zal de registratie dus ook meer tijd in beslag nemen en bijkomende onnauwkeurigheden veroorzaken. 3.1.6 Beeldvormende camera s Door gebruik te maken van beeldvormende camera s, geïntegreerd in het scantoestel, verloopt de oriëntatie in de puntenwolk bij de registratie vlotter. Een bijkomend voordeel is dat door deze foto s over de puntenwolk te draperen een zeer realistisch uitziende visualisatie kan gebeuren. Ik heb gekozen voor laserscanning: hoe begin ik eraan? 20
3.1.7 Gebruiksvriendelijkheid apparatuur 3.1.7.1 Transport Het gemak van transport van de laserscanner wordt beïnvloed door de omvang en het gewicht van het materiaal. De meeste scanners zijn vrij omvangrijk en zwaar waardoor ze bijvoorbeeld niet als handbagage kunnen meegenomen worden op commerciële vluchten. Transport via ladders of in moeilijk begaanbaar terrein wordt hierdoor ook sterk gehinderd. 3.1.7.2 Batterijen Scanners die op batterijen werken, worden meer toegepast dan scanners die een voedingsnet nodig hebben. Sommige scanners kunnen zowel op batterijen als op een voedingsnet aangesloten. Bij de scanners die enkel op voedingsnet werken, kan gebruik gemaakt worden van draagbare generatoren. 3.1.7.3 Scanning software De scanning software moet toelaten om snel en eenvoudig de scanparameters (resolutie, scanvenster, ) aan te passen. Voor grote projecten met veel opstelpunten is het handig als de scansoftware al een ruwe registratie toelaat, zodat hiaten in de puntenwolken kunnen ontdekt worden voor men het terrein verlaat en eventueel nog bijkomende scans kan uitvoeren met alle targets nog op dezelfde plaats. De mogelijkheid tot het gebruik van scripts, die toelaten het scanproces gedeeltelijk automatisch te laten verlopen, is een pluspunt bij bijvoorbeeld monitoring waarbij telkens hetzelfde gebied op dezelfde wijze moet gescand worden. Ik heb gekozen voor laserscanning: hoe begin ik eraan? 21
3.2 Het veldwerk De wijze waarop het meetproces wordt uitgevoerd heeft een grote impact op de efficiëntie van zowel het meetproces als de verwerking van de meetgegevens en op de bruikbaarheid en de nauwkeurigheid van het eindresultaat. Vooraleer aan het veldwerk te beginnen, is het bijgevolg belangrijk om een goed inzicht te verwerven in de objectieven van de opdrachtgever aangezien het gewenste eindresultaat bepalend zal zijn voor onder andere het vastleggen van de gewenste resolutie, het aantal opstelposities, het aantal en de positie van de targets, enz. 3.2.1 Voorbereiding van het veldwerk 3.2.1.1 De keuze van de opstelpunten De afstand van de scanner t.o.v. het object zal mede bepalend zijn voor de keuze van het type scanner. Het moet immers mogelijk zijn om binnen het bereik van de scanner te opereren, zonder daarbij de grenzen af te tasten. Daarnaast zijn nog een aantal punten waar men best voldoende rekening mee houdt en die voor elk type scanner gelden (zie ook rapporten over nauwkeurigheid): Gebruik zo weinig mogelijk opstelposities, maar zorg er tegelijkertijd voor dat er voldoende overlapping is en dat voldoende gemeenschappelijke ofwel in absolute coördinaten bepaalde targets zichtbaar zijn in een goede configuratie (zie verder) Zorg ervoor dat het zicht niet of zo weinig mogelijk belemmerd wordt door hindernissen (stellingen, werfmateriaal, auto s, ) en dat elk onderdeel van het object zo uit minstens één opstelpunt zichtbaar is (zie ook bij vermijden van schaduwzones). Let erop dat er zo weinig mogelijk schaduwzones voorkomen. Met schaduwzone wordt bedoeld het gedeelte van het object dat afgeschermd wordt door andere delen van het object of door hindernissen. In een schaduwzone kan geen bruikbare data bekomen worden. Controleer of de minimale en maximale limieten op het bereik van de laser gerespecteerd worden om een zekere nauwkeurigheid te behalen. Hoe groter de afstand tot het voorwerp, hoe lager de nauwkeurigheid en resolutie van de scan. Vermijd kleine invalshoeken van de laserstraal. (de nauwkeurigheid en het bereik dalen met de invalshoek) Andere belangrijke zaken waarmee rekening gehouden dient te worden: o Veiligheid en gezondheid Ik heb gekozen voor laserscanning: hoe begin ik eraan? 22
o Temperatuur o Trillingen (zware machines, wind, ) o Hoogte van de scanner boven het grondniveau Figuur 2: Invloed van opstelpositie op schaduwwerking en de hoek van de invallende laserstraal (Deruyter, 2010) Figuur 3: (links) Slechte positie van de scanner die zeer hoge inclinatiehoeken geeft en dus kleine hoeken voor de invallende laserstraal, (rechts) goede positie voor het plaatsen van de scanner (Van Genechten, 2008b) Ik heb gekozen voor laserscanning: hoe begin ik eraan? 23
3.2.1.2 De plaats van de targets Targets worden gebruikt om de verschillende puntenwolken die bij meerdere opstelposities horen aan elkaar te koppelen tot één grote puntenwolk (= registratie). In tweede instantie worden de targets ook gebruikt om het geheel van 3D punten een absolute positie te geven in de ruimte. scan van verschillende scanposities te registreren. Kunstmatige targets zijn beschikbaar onder verschillende vormen (ook afhankelijk van de producent) vlakke targets, sferische targets, tilt & turn targets, retroreflectieve targets, papieren targets,.... Retroreflectieve targets zijn ontwikkeld om het grootste aandeel van de laserstraal terug naar de scanner te reflecteren. De scanner kan deze daardoor automatisch detecteren en door een fijne scan te maken het exacte centrum ervan bepalen door het inpassen van een primitieve vorm binnen de ingemeten puntenwolk. Richt de kunstmatige targets zo goed mogelijk naar de scanner. Als de laserstraal te schuin invalt op de targets, levert de automatische herkenning vaak slechte resultaten. Een oplossing is te vinden in het gebruik van sferische targets. Papieren targets kosten slechts een fractie van de retroreflectieve en sferische targets, maar zijn niet richtbaar, waardoor ze niet altijd kunnen ingezet worden. Plaats geen kunstmatige targets op plaatsen waar zij belangrijke details van het onderwerp bedekken. Maak targets niet te groot Er kan ook gebruik gemaakt worden van natuurlijke targets. Dit zijn goed herkenbare, scherp afgelijnde punten die deel uit maken van het te scannen object of de omgeving. Probeer echter het gebruik van natuurlijke targets te vermijden omdat zij minder nauwkeurig zijn dan kunstmatige targets. Een goede configuratie van de targets heeft echter prioriteit. Zorg ervoor dat kleefmiddelen het voorwerp niet beschadigen bij het aanbrengen van de targets. Het is belangrijk dat de targets goed verspreid zijn, in zowel de X-, de Y- en de Z-richting, rond de scanner en t.o.v. het te scannen object omdat zij de basis vormen van een 3D coördinatentransformatie. Sommige configuraties van targets leveren geen unieke oplossing bij het registratieproces, omdat ze bijvoorbeeld op één lijn gelegen zijn, waardoor een vrijheidsgraad openblijft, namelijk de rotatie om deze lijn. Afhankelijk van de gebruikte registratietechniek zijn minimaal 4 evenredig verdeelde XYZ controlepunten/targets per scan nodig voor de georeferentie (bepalen van de absolute coördinaten). Om twee puntenwolken aan elkaar te koppelen zijn ook minstens vier evenredig verdeelde gemeenschappelijke targets nodig. Ga nooit voor het minimaal aantal targets. Immers als om de een of andere reden een target niet kan gebruikt worden tijdens de registratie, komt heel het registratieproces in gevaar. Ik heb gekozen voor laserscanning: hoe begin ik eraan? 24
Bij grote projecten worden zo al vlug enkele tientallen targets gebruikt. Er zal dus een nauwkeurige administratie moeten bijgehouden worden met betrekking tot de targets die bij een bepaalde opstelpositie behoren. Figuur 4: (links) Slechte configuratie van targets; (rechts) Goed geplaatste targets (op basis van Van Genechten, 2008b) Figuur 5: Scanposities (rood) en targets (blauw) gebruikt tijdens het scanproject Belfort in het kader van het tetra project PLATO Ik heb gekozen voor laserscanning: hoe begin ik eraan? 25
3.2.1.3 Soort target in combinatie met de registratietechniek, Met kan de registratiemethoden in 2 grote groepen indelen: Bij de eerste groep worden de verschillende puntenwolken aan elkaar gekoppeld via gemeenschappelijke targets. Nadien kan dan nog gekozen worden om het geheel al dan niet in een absoluut referentiestelsel (vb. LB72 of een lokaal assenstelsel verbonden aan de site) te georefereren. Hiervoor moeten de absolute coördinaten gekend zijn van minstens 4 targets (liefst meer), verspreid (in X, Y en Z) over het gehele project In het geval van vb. een standbeeld dat geen vaste locatie heeft is dit zinloos. Een tweede manier van registreren is om de verschillende puntenwolken op te hangen aan een netwerk. Hierbij wordt elke target met behulp van een totaalstation opgemeten en gebeurt de georeferentie voor elke puntenwolk afzonderlijk. Gemeenschappelijke targets tussen twee puntenwolken zijn dan in principe niet meer nodig De keuze van de soort en het aantal targets zal dus ook bepaald worden door de registratietechniek die zal gebruikt worden bij de verwerking van de meetdata. 3.2.2 Het Veldwerk 3.2.2.1 Opstellen van de scanner Het opstellen gebeurt op dezelfde manier als het opstellen van een totaalstation. Sommige scanners (vb. C10 van Leica) laten toe om boven een punt te positioneren met behulp van een optisch of een laserlood. Met de C10 kan men zich ook positioneren binnen een vooraf bepaald referentiesysteem door de scanner boven een gekend punt op te stellen en te richten op een target dat opgesteld staat boven een tweede gekend (back sight) punt. Op die manier hoeft achteraf geen georeferentie meer te gebeuren. Bij de meeste scanners bestaat deze mogelijkheid echter (voorlopig nog) niet. Als ook de grond moet gescand worden, wordt de scanner best zo hoog mogelijk geplaatst omdat de invalshoek van de laserstraal op de grond dan iets groter is. In veel gevallen kan gekozen worden om de scanner aan te sluiten op een PC. Dit is vooral handig omdat het beeldscherm groter is dan dit van de scanner zelf en de controles op de verkregen data en ingeven van de scanparameters zo makkelijker kunnen gebeuren. Het opstarten van de scanners gebeurt uiteraard volgens de specificaties van de producent. Ik heb gekozen voor laserscanning: hoe begin ik eraan? 26
3.2.2.2 Instellen van de scanparameters Het is niet de bedoeling om in deze paragraaf een handleiding te schrijven voor het instellen van de parameters. Deze is voor elke fabrikant en toesteltype anders en we verwijzen hiervoor naar de handleidingen van de fabrikant. Instellen van het scanvenster: o Het scanvenster moet voldoende groot zijn om zeker te zijn dat er geen blinde vlekken ontstaan in de data en om voldoende overlapping tussen de verschillende puntenwolken te verzekeren o Het scanvenster mag niet te groot zijn. Dit is vooral belangrijk bij pulsscanner omdat die in vergelijking met fasescanners nogal traag zijn, waardoor veel tijd kan verloren gaan als een te groot gebied gescand wordt. Instellen van de scanresolutie. o De resolutie bepaalt de dichtheid van de puntenwolk of de 3D afstand tussen twee opeenvolgende punten van een puntenwolk. o De in te stellen resolutie is afhankelijk van de beoogde graad van detail en/ of de grootte van het op te meten voorwerp. o Het instellen van de resolutie gebeurt voor een bepaalde afstand tot de scanner. De ingestelde afstand tussen twee opeenvolgende punten wordt dan omgerekend naar een hoekverschil tussen twee opeenvolgende punten. Dit betekent dat punten op een kleinere afstand dichter bij elkaar zullen liggen en dat punten die verder gelegen zijn dan de afstand waarvoor de resolutie werd ingesteld, verder van elkaar zullen liggen. Bij sommige scanners (GX van Trimble) kan de resolutie dynamisch worden ingesteld, waardoor de afhankelijk van de afstand de hoek tussen twee opeenvolgende punten wordt gewijzigd. o Het heeft geen zin om de resolutie op een bepaalde afstand fijner in te stellen dan de hoogst bereikbare positienauwkeurigheid op die afstand de spotgrootte op die afstand Het kleinste hoekverschil dat de scanner kan generen o Als de resolutie te fijn wordt ingesteld, kunnen de bestanden enorm groot worden (vele GigaBytes). Een oppervlak van 1 m² bevat 2.500 punten bij een resolutie van 2 cm op 2 cm en 10.000 punten bij een resolutie 1 cm om 1 cm. Door de afstand tussen 2 punten te halveren, wordt de puntenwolk dus 4 keer zo groot en zal de tijd om te scannen ook ongeveer 4 keer groter zijn. In de praktijk gaat het om miljoenen punten. Aan een snelheid van 50.000 punten per seconde betekent de overgang van 1 naar 4 miljoen punten dus de overgang van 20 minuten naar 1 uur en 20 minuten. Dit is vooral belangrijk bij pulsscanners. o In Tabel 4 wordt een indicatie gegeven van het verband tussen resolutie, gebruikschaal van de resultaten, precisie en grootte van het op te meten object. Ik heb gekozen voor laserscanning: hoe begin ik eraan? 27
Tabel 4: Richtlijnen voor de samenhang tussen resolutie, gebruikschaal en precisie bij erfgoedmetingen (English Heritage, 2006) SCALE EFFECTIVE POINT PRECISION OF TYPICAL USE DENSITY MEASUREMENT 1:10 2.0 mm +/- 2.0 mm Small details/objects (up to 5 m x 5 m) 1:20 4.0 mm +/- 4.0 mm Larger details/objects (up to 10 m x 10 m) 1:50 15.0 mm +/- 15.0 mm Small structures (up to 20 m x 30 m) 1:100 25.0 mm +/- 25.0 mm Large structures (up to 40 m x 60 m) 3.2.2.3 Het scannen Eens de scanparameters ingesteld, kan het eigenlijke scannen beginnen. Dit is een volledig geautomatiseerd proces dat geen tussenkomst meer vereist van de operator. De opgemeten punten worden opgeslagen in de scanner of op de aangesloten PC. Het is aangeraden om de opgeslagen puntenwolk te controleren op data voids (gaten in de data) door hindernissen of schaduwwerking. De tijd nodig om te scannen kan gaan van enkele minuten tot een aantal uren, afhankelijk van de grootte van het scanvenster, de ingestelde resolutie en het type scanner. Deze tijd kan nuttig gebruikt worden voor het aanvullen van de schetsen met scanposities, targetposities en targetlabels. Sommige scansoftware laat ook toe om reeds een gedeelte van de verwerking te doen of om voorlopige registraties uit te voeren. 3.2.2.4 Het scannen van de targets Wanneer kunstmatige en/of natuurlijke targets worden gebruikt om de scans te registreren tijdens de registratiefase dienen deze targets te worden benoemd en heel nauwkeurig te worden opgemeten. Het scannen van de targets gebeurt in een afzonderlijke stap en met een veel hogere resolutie om zo nauwkeurig de positie van hun middelpunt te kunnen bepalen. Op openbare plaatsen is het aangewezen eerst de targets te scannen en daarna het voorwerp voor het geval de targets door voorbijgangers worden verplaatst gedurende het scannen van het voorwerp. De meeste scansoftware voorziet in algoritmes voor het herkennen van targets en het automatisch berekenen van hun middelpunt. Het is echter aangewezen om steeds te controleren of dit correct is gebeurd. Indien gewerkt wordt met natuurlijke targets, moeten deze ook met een zeer hoge resolutie (1mm) gescand worden. Aan deze natuurlijke targets moeten achteraf manueel de coördinaten toegevoegd worden. Ik heb gekozen voor laserscanning: hoe begin ik eraan? 28
Er dient opgemerkt te worden dat de nieuwste generatie fasescanners op zulke hoge snelheid scannen dat een 360 graden omgevingsscan op zeer hoge resolutie slechts 5 tot 10 minuten in beslag neemt. De targets worden zo automatisch in hoge resolutie gescand zodat ze achteraf niet opnieuw hoeven te worden ingescand in hogere resolutie. De benoeming van de targets dient dan achteraf op kantoor te gebeuren en vereist zeer goede veldnota s en schetsen van de site. 3.2.2.5 Het opmeten van de targets met een totaalstation Om de georeferentie te kunnen uitvoeren, moeten de targets nog opgemeten worden met een totaalstation. Het is een goede praktijk om voor dat doel veelhoek aan te leggen die nauwkeurig opgemeten en vereffend wordt. 3.2.2.6 Controle op volledigheid Vooraleer het terrein te verlaten, controleert men best de volledigheid van de opmeting, zodat men niet op kantoor moet vaststellen dat een deel niet werd gescand of dat niet alle targets werden opgemeten, zodat de registratie niet kan gebeuren. 3.3 Verwerking van de gegevens De verwerking van de gegevens bestaat uit verschillende stappen afhankelijk van het gewenste eindresultaat. Het is aan te raden om vóór elke volgende stap een back-up te nemen van de gegevens, zo is men zeker dat er niets verloren gaat en kan men bij een vergissing steeds terugkeren naar het origineel. 3.3.1 Voorbereiden van de gegevens Vooraleer te beginnen met de eigenlijke verwerking, worden de gegevens nog eens gecontroleerd op volledigheid en op conformiteit met het veldwerk. Op die manier kan vb. nog een verkeerde labeling van de targets aangepast worden. Naar de toekomst toe is het ook belangrijk om de gegevens op te slaan in hun meest rudimentair formaat. Zo is men er zeker van dat ze leesbaar blijven bij nieuwe releases van de software of wanneer men wenst over te schakelen naar software van een andere producent. Met het ook op de toekomst is het eveneens wenselijk om voldoende metadata (beschrijving van de gegevens) te archiveren samen met de originele data. Tijdens de voorbereiding van de gegevens kunnen ook reeds de meeste ruis en overtollige gegevens verwijderd worden al kan dit ook nog na de registratie gebeuren. Ik heb gekozen voor laserscanning: hoe begin ik eraan? 29
3.3.2 Registratie & Geo-referentie Als aan de scanner geen positie en oriëntatie in een extern assenstelsel werd toegekend vóór het scannen, dan worden de coördinaten van de punten gegeven in datzelfde assenstelsel. Als er meerdere puntenwolken aan elkaar moeten geplakt worden (registratie of alignering) zullen dus de coördinaten moeten omgezet worden naar eenzelfde referentiesysteem, dat ofwel verbonden is aan 1 scanpositie ofwel aan een lokaal of globaal coördinatensysteem dat gematerialiseerd is onafhankelijk van de scanposities. In dit laatste geval spreekt men van georeferentie. De meeste software voorziet in verschillende soorten registraties: indirecte en directe registratie. 3.3.2.1 Indirecte Registratie & Geo-Referentie Bij indirecte registratie gebeurt de alignering op basis van de targets (kunstmatig of natuurlijk). Indien men van de resulterende puntenwolken ook de coördinaten wenst te kennen in een absoluut referentiesysteem, moeten de coördinaten van de targets in dit systeem worden opgemeten met vb. een totaalstation. Om twee puntenwolken te aligneren zijn minimum 3 gemeenschappelijke targets nodig. In de praktijk krijgt men betere resultaten indien men over meer gemeenschappelijke targets beschikt die gespreid zijn in zowel de X-, de Y- als de Z- richting. Target-to-target registratie Bij target-to-target registratie wordt doorgaans gebruik gemaakt van de kunstmatige targets die voorzien worden door de fabrikant. Hoewel het ook mogelijk is om te improviseren met voorwerpen waar later een ideale geometrische vorm op gefit kan worden, is dit laatste niet aangeraden voor beginnende gebruikers. Voor moeilijk bereikbare plaatsen (vb. hoge constructies) kunnen natuurlijk targets gebruikt worden (zie vroeger). De resultaten bij gebruik van natuurlijke targets kunnen minder goed zijn dan bij gebruik van kunstmatige targets omdat de identificatie van deze targets subjectief is (de operator duidt ze aan in de scan) en omdat bijna nooit identiek dezelfde punten opgemeten worden in de verschillende scans. Cloud-to-cloud registratie Voor de registratie is het ook mogelijk om gebruik te maken van overlappingen tussen puntenwolken. Deze overlappingen moeten voldoende groot zijn (30 à 40 %) De operator kiest dan minimum 3 maar liefst meer overeenstemmende punten in de beide puntenwolken die dan via de ICP of Iterative Closest Point Processing techniek worden gealigneerd (Van Genechten, 2008b). 3.3.2.2 Directe Registratie & Geo-Referentie Bij directe registratie krijgt de scanner een positie en oriëntatie in een lokaal of globaal referentiesysteem waardoor de opgemeten punten in dit zelfde systeem gelokaliseerd worden. Ik heb gekozen voor laserscanning: hoe begin ik eraan? 30
De meest eenvoudige manier is gebruik te maken van een scanner die over dezelfde mogelijkheden beschikt als een totaalstation om zich te positioneren in een assenstelsel (vb. Leica C10 scanstation). Een andere manier is om een reflector te bevestigen langs de verticale rotatie as van de scanner. Mits de positie van de reflector gekend is t.o.v. de laserstraal, kan door de reflector op te meten met een totaalstation de positie van de scanner opgemeten worden, waardoor minder targets moeten gebruikt worden en geen overlappingen meer nodig zijn. 3.3.2.3 Enkele aandachtspunten bij registratie en geo-referentie Deze paragraaf werd grotendeels overgenomen uit Theorie en praktijk bij terrestriële Laser Scanning: Traning gebaseerd op praktische toepassingen (Van Genechten, 2008b). Zorg er bij het uitvoeren van een registratie voor dat de resultaten van het registratieproces gelijk of beter zijn dan de geometrische nauwkeurigheid die wordt verwacht voor het eindresultaat. Gebruik steeds meer dan het minimum vereiste aantal targets of controlepunten (bij cloud-tocloud) en zorg ervoor dat de spreiding zowel in x, y als z goed is. Vermeld altijd de resultaten van het registratieproces en de geometrische nauwkeurigheid van de geschatte parameters in het opmetingsrapport. Tracht het gebruik van natuurlijke targets te vermijden omdat zij minder nauwkeurig zijn dan kunstmatige targets. De scan software moet aangepast zijn aan het soort targets dat gebruikt wordt. Wanneer kunstmatige targets gescand worden onder zeer scherpe hoeken, leveren de automatisch tools voor identificatie van targets vaak slechte resultaten op. 3.3.3 Verwerken van 3D puntenwolken Het eindresultaat van de verwerking kan gaan van een simpelweg een opgekuiste geregistreerde puntenwolk over standaard 2D tekeningen (bvb doorsneden, aanzichten, niveaukaarten, ) tot ingekleurde 3D modellen en animatie. Het omvormen van de ruwe puntenwolken tot het gewenste eindresultaat is meestal zeer arbeidsintensief, hoewel er meer en meer software op de markt komt die (delen van) dit proces automatisch of semiautomatisch laat verlopen. De verwerking kan onderverdeeld worden in twee grote groepen: resultaten die rechtstreeks afgeleid worden uit de puntenwolken resultaten die bekomen worden op basis van een 3D vlakkenmodel dat gecreëerd werd uit de puntenwolk Afhankelijk van de gewenste eindproducten zal voor methoden uit de eerste of de tweede groep gekozen worden. Ik heb gekozen voor laserscanning: hoe begin ik eraan? 31
3.3.3.1 Mogelijke visualisaties van de puntenwolken De punten van de puntenwolk kunnen gewoon als punt worden voorgesteld. Dit is visueel weinig aantrekkelijk. Omdat men dwars door de wolk heen kijkt is het moeilijk om delen van een structuur te herkennen. Men kan aan de punten ook een kleur toekennen. Dit kan ofwel de werkelijke kleur zijn of een reflectiewaarde. Hierdoor wordt de structuur veel beter herkenbaar. Een andere mogelijkheid is om de puntenwolk af te beelden als een dieptemap. Een dieptemap is een op een 2D matrix gelijkende structuur waarbij elk pixel in de vorm van een grijswaarde de afstand voorstelt (Van Genechten, 2008b). In alle hierboven vermelde voorstellingswijzen bestaat de puntenwolk uit afzonderlijke punten. Men kan dus door de puntenwolk kijken. Via triangulatietechnieken kunnen aangrenzende punten verbonden worden. Zo ontstaat een aaneengesloten structuur van kleine vlakjes die een voorstelling geven die dichter aan de realiteit grenst doordat de structuur niet meer doorzichtig is. Door het berekenen van lokale loodlijnen op het oppervlak kan kunstmatig schaduw worden toegepast om details van het oppervlak te benadrukken. 3.3.3.2 Voorbereiden van de gegevens voor verdere verwerking Om de verwerking van de data vlotter te laten verlopen kan het aangewezen zijn om eerst nog enkele ingrepen te doen op de data. Filteren van ruis Als gevolg van ruis kunnen slechte vlakjes ontstaan in het vlakkenmodel, daarom kan men best eerst de puntenwolk controleren en manueel alle onnodige punten verwijderen. Figuur 6: foute vlakjes in het 3D vlakkenmodel als gevolg van ruis Ik heb gekozen voor laserscanning: hoe begin ik eraan? 32
Sommige software bevat ook reeds algoritmes om automatisch ruis te verwijderen door: verwijderen van punten die niet in de onmiddellijke nabijheid liggen van andere punten ( nabijheid wordt bepaald door in te geven parameters). Deze punten kunnen vb. afkomstig zijn van voorbijrijdend verkeer, vogels, punten lichtjes te verplaatsen om zo een optimale gladheid van het oppervlak te bekomen. Deze algoritmes trachten lokaal allerlei vormen van vlakken in te passen op punten uit de puntenwolk. Wanneer een punt ver van het toegepaste vlak ligt, wordt het verschoven naar het vlak toe. Zowel met het manueel als met het automatisch verwijderen van ruis moet men omzichtig omspringen. De kans bestaat immers altijd dat punten onterecht verwijderd worden waardoor gaten in de data ontstaan en/ of details verloren gaan. Uitdunning (Resampling) Het aantal driehoeken in een vlakkenmodel is meer dan dubbel zo hoog als het aantal punten. Bij heel dichte puntenwolken, kan de verwerking tot een vlakkenmodel problemen geven. Daarom wordt het aantal punten vooraf gereduceerd. Dit kan op volgende manieren: Om de x aantal punten wordt een punt verwijderd. Het nadeel van deze methode is dat men geen controle heeft over welke punten verwijderd worden en dus details kunnen verdwijnen of vervagen terwijl vb. bij overlappende delen de dichtheid nog altijd zeer groot blijft t.o.v. niet overlappende delen waardoor veel punten overblijven in soms weinig interessante gebieden voor de modellering. Een andere manier is om te werken met de resolutie. Men geeft dan aan wat de gewenste resolutie is en alle overbodige punten worden verwijderd. Zo krijgt men een uniforme dichtheid in de resulterende puntenwolk. Door de wolk op te splitsen in delen met veel en delen met weinig detail en voor die verschillende delen een andere resolutie in te geven bekomt men een intelligentere vorm van uitdunning. Tenslotte bestaat ook software die gebruik maakt van de kromming van een deeloppervlak om punten te verwijderen. Op die manier worden veel punten behouden in delen met veel vormveranderingen en weinig punten in vlakke delen. 3.3.3.3 Rechtstreekse 2D modellering van puntenwolken Verschillende soorten software (Leica Cyclone, Trimble Realworks, of plugins voor bestaande CAD software zoals Leica CloudWorx, Kubit Pointcloud, ) voorzien in het nemen van dunne sneden uit de puntenwolk volgens een bepaald vlak. Door deze punten dan manueel te overtekenen kan men doorsneden, hoogtelijnen, enz. tekenen. Het eindresultaat is afhankelijk van de kundigheid (en interpretatie) van de operator. Ik heb gekozen voor laserscanning: hoe begin ik eraan? 33
3.3.3.4 Rechtstreeks 3D modelleren vanuit puntenwolken Wanneer de vorm van een 3D voorwerp op voorhand gekend is en het kan beschreven worden door geometrische figuren kan het automatisch gedetecteerd worden vanuit een puntenwolk. Er wordt dan bijvoorbeeld een best passende cilinder gegenereerd door de puntenwolk van een tunnel. De meeste software (Trimble Realworks, Leica Cyclone, ) voorziet reeds in speciale modules voor de petrochemie waarmee de puntenwolken (semi-)automatisch omgezet worden naar pijpen, verbindingsstukken enz. 3.3.3.5 3D modelleren van complexe oppervlakken Voor complexe structuren is het niet mogelijk om rechtstreeks op de puntenwolk te modelleren omdat eenvoudige geometrische figuren dan niet meer volstaan om de structuur te beschrijven. Daarom gaat men via interpolatietechnieken over naar een vlakkenmodel dat doorgaans bestaat uit een aaneenschakeling van driehoekige vlakjes. Om een vlakkenmodel van goede kwaliteit te bekomen moeten doorgaan volgende stappen doorlopen worden: verwijderen van overbodige punten (niet relevante delen van de puntenwolk, ruis, uitdunnen) Triangulatie (creatie van het vlakkenmodel) Opvullen van gaten (overbruggen, samenvoegen,...). Let hierbij op, want er worden gegevens toegevoegd die niet opgemeten zijn. Die zijn bijvoorbeeld ontstaan door schaduwwerking. Optimaliseren van het vlakkenmodel (uitdunnen). Meestal gebeurt dit omdat de capaciteit van de PC niet voldoende groot is. 3.3.3.6 Onrechtstreekse 2D modellering van puntenwolken Eens het 3D model aangemaakt (rechtstreeks of onrechtstreeks) kunnen makkelijk doorsneden gemaakt worden volgens een vlak of evenwijdig aan een vlak om zo alle gangbare 2D voorstellingswijzen te genereren. 3.3.3.7 Aanbrengen van textuur Om textuurinformatie aan te brengen op het 3D vlakkenmodel kan gebruik gemaakt worden van UVmapping (zie Van genechten, 2008b) Er bestaan ook 3D softwarepakketten die toelaten om textuurinformatie aan te brengen op het oppervlak. Meestal gebeurt dit door gebruik te maken van orthografische projecties. Ontwikkelen geniet echter de voorkeur op projecteren omwille van minimaal uitrekken van de textuur. Sommige scanners zijn uitgerust met een camera. Bepaalde software laat toe om de beeldinformatie bekomen uit de foto s te draperen of te mappen op het model. Ik heb gekozen voor laserscanning: hoe begin ik eraan? 34
Bij draping wordt de foto als het ware uitgerekt over het model. Hierdoor komt de beeldinformatie vaak terecht op de verkeerde plaats (vooral bij delen met veel reliëf). Mapping lost dit probleem grotendeels op. 3.4 Kwaliteitscontrole & Aflevering Kwaliteitscontrole moet gedurende heel het project van af de planning tot en met het afleveren van de eindproducten de gepaste aandacht krijgen. Na elke stap dient men na te gaan of de beoogde resultaten werden bereikt. Indien dit niet het geval zou zijn, is het belangrijk na te gaan wat de oorzaak is en hoe daaraan kan geremedieerd worden. Besteed voldoende aandacht aan de voorbereiding en de planning Het schema in Figuur 7 geeft een overzicht van kwaliteitsverzekering voor opmetingen met laser scanning. Ik heb gekozen voor laserscanning: hoe begin ik eraan? 35
Figuur 7: Organigram van de kwaliteitscontrole (overgenomen uit Theorie en praktijk bij Terrestriële Laser Scanning - Training gebaseerd op praktische toepassingen, Van Genechten, 2008b) Ik heb gekozen voor laserscanning: hoe begin ik eraan? 36
4. Referentielijst Boehler, W., Marbs, A., 2002, 3D Scanning instruments, Proc. of the CIPA WG6 Int. Workshop on scanning for cultural heritage recording, http://www.isprs.org/commission5/workshop Briese, Ch., Pfiefer, N. en Haring, A., 2003, Laserscanning and photogrammetry for the modelling of the statue Marc Anton, in Proceedings XIXth International CIPA Symposium 2003 New Perspectives To Save Cultural Heritage, Antalya (Turkey) Bruyninx, C., 2005, Principes van GPS, Permanente Stations en EUREF, Koninklijke Sterrenwacht van België, http://www.amfmgis-belux.be Bureau Toposcopie, Toposcopie, laatst geraadpleegd op 07/02/2011, http://www.toposcopie.nl/ De Leeuw, S. en De Clerck, S., 2010, Factoren van invloed op de precisie en nauwkeurigheid van puntenwolken bekomen uit terrestrische laserscanning, Masterproef voorgedragen tot het bekomen van de graad Master in de Industriële Wetenschappen: Landmeten, Departement Toegepaste Ingenieurswetenschappen van Hogeschool Gent, Gent (België), p. 1-122 De Nil, B. en Walterus, J., 2009, Erfgoed 2.0: Nieuwe perspectieven voor digitaal erfgoed, Pharo Publishing, Brussel (België), p. 177-193 De Wolf, V. en Dewulf, N., 2009, Gebruik van 3D-laserscanning als data-acquisitie techniek voor vergelijking tussen ontwerp en as-built geometrie: gevalstudie brugelement van verkeerswisselaar te Lummen, Departement Toegepaste Ingenieurswetenschappen van Hogeschool Gent, Gent (België), p. 1-71 Deruyter, G., 2009, Topografie II: Het Totaalstation, uitgave versie 1.1, Departement Toegepaste Ingenieurswetenschappen van Hogeschool Gent, Gent (België), pp. 14 Deruyter, G., 2010, 3D data acquisitie, uitgave versie 2, Departement Toegepaste Ingenieurs wetenschappen van Hogeschool Gent, Gent (België) Deruyter, G., Hennau, M., De Wolf, V., Dewulf, N., (2009), Approach for comparing design and as build models based on data acquisition using a 3D terrestrial laser scanner, a case study, Proceedings of the 4th International Workshop on 3D Geo-Information, Ghent University, Ghent, Belgium, November 4 5, 2009, Editors De Maeyer P., Neutens T., De Ryck M., ISBN 978-90-9024820-2, pp.101-116 GEO-Mobiel, 2010, Module fotogrammetrie, Vakgroep Geografie van de Universiteit Gent, Gent (België), p. 1-11 Gordon, S., Lichti, D., Franke, J. en Stewart, M., 2004, Measurement of structural deformation using terrestrial laser scanners, Western Australian Centre for Geodesy Department of Spatial Sciences, Curtin University of Technology Australië Groneman - van der Hoeven, A.C., Loots, J. en Feikens, J.F., 2004, Landschappelijke panorama's gemaakt met de Toposcopie, GIN publicatiereeks 5, p 21-27 Groneman, A.C. en Eekhout, M., 1995, Landschapsplanning en visualisatie met Toposcopie, Landinrichting, jg. 35, nr. 7, p14-18 Referentielijst 37
Groneman-van der Hoeven, A.C., 1998, Toposcopie,werkwijze en systeem voor het genereren van een geïntegreerde multimediale plaatsbeschrijving, Geodesia 10, p 427-435 Heine, E., Reiner, H., Garcia, J.L.L., Taronger, J.M.B. en Weinold, T., 2007, 3D risk mapping: preparing learning material on the use of laser scanning for risk assessment of public infrastructure, Universiteit Valencia, Valencia, p. 1-11 Kellens, W., 2006, Het digitaal hoogtemodel Vlaanderen als basis voor hydrografisch onderzoek: Analyse van interpolatietechnieken en vergelijking met het NGI-hoogtemodel, scriptie ingediend tot het behalen van de graad van Licentiaat in de Geografie, optie Geografie, Universiteit Gent, Gent (België) Mazalova, J., Valentova, K. en Vickova, L., 2009, Testing of the accuracy of Leica TCRP 1201 total stations, Topcon GPT-7001 and Topcon GPT-8203M, Acta Montanistica Slovaca, Jg. 14, nr. 1 special, p. 69-74, Slowakije Pfiefer, N. en Lindenberghe, R., 2005, Rotterdamse tunnelbouw monitoring met terrestrische laser, Afdeling Landmeten en Vastgoedinformatie, Gemeentewerken, Rotterdam (Nederland), p. 1-31 Politie Haaglanden - CSI Haaglanden, 2010, Onderzoekstechniek: driedimensionale PD-imaging Loop rond op een virtuele Crime Scene, laatst geraadpleegd op 21 oktober 2010, http://moordzaken.csihaaglanden.nl/ Santana, M. en Van Genechten, B., 2008, Terrestrisch meten met 3D laserscanning, Koninklijke Confideratie der Landmeters-experten: Georama, Jg. 12, nr. 58,, p. 58-64, Waterloo (België) Shah, T.R., 2006, Automatic Reconstruction of Industrial Installations Using Point Clouds and Images, Delft (Nederland), p. 1-194 Soesbergen, M., 2007, 3D-scannen langs de spoorwegen veiliger en sneller, GIS-magzine, Jg. 5, nr. 5, p. 8-9, Emmeloord (Nederland) Tsioukas, V., Sechidis, L. en Patias, P., 2009, Low Cost 3D Visualization and Measuring "Tool" for Architectural and Archaelogical Photogrammetric Applications, The Aristotle University of Thessaloniki, Thessaloniki (Griekenland), p. 1-4 Van Genechten, B., Santana Quintero, M. en Schueremans, L., 2008a, The use of 3D-scanning for the structural analysis of masonry vaults - A case study on the Saint-James Church, Archeolingua, België, p. 1-5 Van Genechten, B. en Verhelst, S., 2008b, Theorie en praktijk bij terrestriële Laser Scanning: Traning gebaseerd op praktische toepassingen,vlaamse Leonardo Da Vinci Agentschap vzw, pp. 154 Verbree, E., Penninga, F. en Bakker, N., 2005, RGI 3D Topo - DP 1-1: Inventarisatie huidige toegankelijkheid, gebruik en mogelijke toepassingen 3D topografische informatie en systemen, GISt Report, nr. 34, p. 1-37 Zlatanova, S., 2006, 3D Geometries in Spatial DBMS, Innovations in 3D Geo Information Systems, Kuala Lumpur (Maleisië), p.1-14 English_Heritage. 3D Laser Scanning for Heritage, Advice and Guidance to users on laser scanning in archaeology and architecture. Second edition. 2011 [geraadpleegd 16/12/2012]; http://www.english- Referentielijst 38
heritage.org.uk/content/publications/publicationsnew/guidelines-standards/3d-laser-scanningheritage2/3d_laser_scanning_final_low-res.pdf English_Heritage. An addendum to the metric survey specifications for English heritage the collection and archiving of point cloud data obtained by terrestrial laser scanning or other methods. 2006 [geraadpleegd 16/12/2012]; Available from: http://archive.cyark.org/temp/eh3dheritageaddendum2006.pdf. Referentielijst 39