Departement Toegepaste Ingenieurswetenschappen Campus Schoonmeersen Departement Industrieel Ingenieur Campus Gent PLATO EINDVERSLAG Auteurs: Bjorn Van Genechten - KAHO Sint-Lieven Greet Deruyter - HoGent Projectmedewerkers: Sara De Clerck - HoGent Lieselot Christiaen - KAHO Sint-Lieven Lieve Spincemaille - KAHO Sint-Lieven 1
Het project werd mogelijk door de aanvullende steun van volgende bedrijven en organisaties: Teccon, GeoXYZ, Couderé, Leica Benelux, GlobeZenit, Vansteelandt, Ellips, Intop, Geomodus, Grontmij Industry, Ibens Landmeters, Real to Desk, GIM, Think 3D, 3ESolutions, Topcon De onderzoekers zijn hen hiervoor zeer erkentelijk. 1. Inleiding De ontwikkeling van nieuwe meettechnieken is tegelijkertijd een zegen voor landmeters en anderzijds een zorg. Laserscanning is een van deze nieuwe technieken, maar ondanks de verdiensten zoals veelzijdigheid, snelheid en nauwkeurigheid, twijfelen veel landmeters over het gebruik ervan in hun eigen praktijk. Er blijft onzekerheid bestaan over de efficiëntie van deze meetmethode, de noodzaak ervan en voornamelijk de verwerking van de ingemeten gegevens tot bruikbare resultaten. Met dit project willen de aanvragers de knowhow, opgedaan door enerzijds grote laserscanning projecten en door de praktijkervaring van de projectbegeleiders en anderzijds door basisonderzoek tot op het niveau van het zelf ontwikkelen van software voor de verwerking van laserscandata, overbrengen naar de Vlaamse landmeter KMO s en andere potentiële gebruikers zodat zij zich een beter beeld kunnen vormen van de mogelijkheden, de principes (zowel meet- als verwerkingsprincipes) en de efficiëntie van laserscanning voor hun dagdagelijkse praktijkgevallen. Tevens willen de projectaanvragers aan sensibilisering doen van de markt, door potentiële opdrachtgevers te inspireren. De aanpak is voornamelijk gebaseerd op het uitwerken van een aantal cases uit de dagelijkse praktijk van landmeters, een specifieke case voor de erfgoedsector en cases rond deformatiemetingen waarbij verschillende meet- en dataverwerkingstechnieken zullen worden toegepast om zo de voor- en nadelen van laserscanning te vergelijken met deze andere meettechnieken en het toepassingsdomein van laserscanning beter te kunnen afbakenen. Voor de dataprocessing wordt enerzijds gewerkt met de huidige mogelijkheden van commercieel beschikbare software en anderzijds gewerkt naar automatisatie via het uittesten van recent ontwikkelde algoritmes. Het project heeft dus een tweeledige bedoeling. Enerzijds willen we laser scanning bekend maken bij een groter publiek waarbij we ons voornamelijk richten op landmeters maar ook op bedrijven die nut kunnen hebben bij het gebruik van laser scanning (bv. de erfgoedsector). Dit zullen we voornamelijk doen door het opstellen van richtlijnen, uitvoeren van casestudies, het organiseren van een intensieve workshop en een studiedag om zo mensen die reeds bezig zijn met laser scanning en mensen die er in geïnteresseerd zijn met mekaar in contact te brengen. 2
Anderzijds willen we de bedrijven, landmeterkantoren die reeds gebruik maken van laser scanning een kijk geven op de toekomst van laser scanning. We concentreren ons hierbij voornamelijk op de verwerking van de laser scan data die op dit moment nog steeds stroef verloopt. De laatste jaren ontstaan er ieder jaar wel een 20 tal nieuwe bedrijfjes die beweren dat zij hét nieuwe software product hebben dat alle pointcloud verwerking kan automatiseren. We zullen deze bestaande commerciële pakketten grondig testen (o.a. aan de hand van reële case studies), maar we gaan ook kijken in de onderzoekswereld waar vandaag de dag hard wordt gewerkt aan de algoritmes van morgen. Om dit doel te realiseren werd het onderzoeksproject opgedeeld in 6 werkpakketten: WP1 : Technologieverkenning WP2 : Uitwerken van gevalstudies WP3 : Opleiding en sensibilisering WP4 : Aspecten van kwaliteit en nauwkeurigheid WP5 : Case Studies nauwkeurigheid WP6: Evaluatie en integratie In wat volgt zullen de belangrijkste resultaten en inzichten van het project overlopen worden. 3
Vergelijking technieken De laatste decennia nam de ontwikkeling van toestellen, meetmethoden en verwerkingssoftware bijna exponentieel toe. Voor het doorsnee landmeetkundig bedrijf zijn deze ontwikkelingen bijna niet meer te volgen. Vaak moet men bij de keuze voor nieuwe investeringen afgaan op de informatie verstrekt door fabrikanten en verdelers. Objectieve informatie met betrekking tot de mogelijkheden van de verschillende technieken is daardoor slechts heel beperkt beschikbaar zodat het vaak moeilijk is om in de gegeven omstandigheden de meest geschikte methode te kiezen. De meest geschikte methode is bovendien geen absoluut gegeven en afhankelijk van een aantal interne en externe factoren. Vanuit de landmeetkundige sector bestaat bijgevolg zeer sterk de vraag naar duidelijke en objectieve informatie. Om aan deze nood tegemoet te komen werden tijdens het project de belangrijkste eigenschappen en toepassingsmogelijkheden van verschillende toestellen en meettechnieken die op de markt zijn voor 3D data acquisitie op een transparante manier opgelijst. Aanvullend werden voor elke techniek de voor- en nadelen ten opzichte van de andere technieken besproken. Dit alles werd samengevat in een grafiek en een overzichtelijke tabel die kan dienen als beslissingsondersteunend instrument bij het kiezen van de juiste methodiek en/of investeringspolitiek in een gegeven context. De besproken data-inwinningstechnieken zijn de methoden gebaseerd op totaalstations, GNSS, laserscanning, fotogrammetrie en enkele gecombineerde technieken. Figuur 1: Te verwachten nauwkeurigheid in functie van objectgrootte/afstand en de gebruikte techniek (gebaseerd op Luhmann et al., 2006) 4
randvoorwaarden Tabel 1: Beslissingstabel met betrekking tot de keuze voor een bepaalde techniek met reflector totaalstation GNSS laser scanning fotogrammetrie reflectorloos RTK post processing (zonder RTK) Job en output vereisten veldwerk moet snel gebeuren + + + + + + + + + + hoge graad van 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 is niet toegankelijk, maar wel zichtbaar op middellange afstand en dit vanuit voldoende mogelijk opstelposities De meetcampagne verloopt grotendeels binnen (in gebouw, tunnel, grot, ) + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 5
Automatisatie De grootste drempel tot het gebruik van laserscanning, naast de kostprijs, is niet het scannen op zich. De optredende problemen situeren zich voornamelijk in de verwerking, wat nog altijd zeer tijdrovend is. Na 1 dag scannen zijn er gemiddeld 4 dagen verwerking nodig om het eindproduct te bekomen. Het merendeel van het werk gebeurt nog steeds handmatig, aangezien er binnen de commerciële wereld nog weinig automatisatie te vinden is binnen de commerciële softwarepakketten. Aan al de verwerkingsfases (registratie, filtering, modellering) wordt hard gewerkt aan automatisering, zowel binnen de onderzoekswereld als binnen de commerciële softwareontwikkeling. Kijkend naar de focus van de onderzoekswereld en de elementen hieruit die reeds doorgedrongen zijn of op dit moment aan het doordringen zijn tot de commerciële wereld, kunnen we enkele belangrijke conclusies trekken. Het registratieprobleem is een algemeen probleem en is niet afhankelijk van de toepassing waarin laserscanning gebruikt wordt (piping, building, ). Met andere woorden, het publiek dat baat heeft bij een zekere vorm van automatisatie in het registreren van scans is breed waardoor de commerciele wereld dit type algoritmes ook sneller kan doorvoeren. Het gaat hier ook niet om een grote verscheidenheid aan data aangezien vrijwel alle scannerproducenten deze registratiestap op vrijwel dezelfde manier trachten op te lossen op de site. Als we echter gaan kijken naar segmentatie, dan zien we dat er daar wel een zeer grote variëteit is aan data en dus voor verschillende doeleinden andere types algoritmes moeten aangewend worden om de puntenwolk te kunnen opdelen. Een van de elementen die ons opviel was het feit dat nog steeds veel markten gebruik maken van tweedimensionale informatie, dit terwijl er zeer weinig focus is op het genereren van deze tweedimensionale producten op basis van laserscans uit de onderzoekswereld. Een tweede punt is dat hoe meer abstractie gevraagd wordt door de eindgebruikers (bv. in de piping industrie), hoe beter de resultaten en hoe makkelijker de automatisatie kan worden doorgevoerd in het verwerkingsproces. Algemeen kan gesteld worden dat naar de toekomst toe enkele belangrijke onderzoekspijlers dienen opgelost te worden. De grootte van puntenwolken blijft steeds toenemen door de continue evolutie op hardware gebied. De software en computer hardware kunnen echter niet volgen en het visualiseren of bewerken van dergelijke grote hoeveelheden data vormt vandaag dag een groot probleem. De stap van 2D data naar 3D data is voor veel markten een te grote stap. De extra derde dimensie vormt eveneens een extra complexiteit die het vaak moeilijker maakt de data op een goede manier te kunnen interpreteren. Daarbij komt nog dat het resultaat van een scan in wezen slechts een puntsgewijze representatie is van de werkelijkheid en dus door de punten heen kan kijken. Toekomstige systemen moeten deze interactie met puntenwolken vergemakkelijken, bv. door middel van occlusion culling. 6
Scan data bevat een enorme hoeveelheid informatie. De vraag is echter op welke manier we deze data moeten archiveren. Hierbij zijn 2 punten belangrijk, enerzijds de grootte van de bestanden en anderzijds het formaat van opslag. Zijn we in de toekomst nog zeker dat we de data van vandaag zullen kunnen openen, laat staan lezen? De verwerking van puntenwolken tot finale producten vormt nog steeds een van de grote bottlenecks in de doorbraak van laserscanning. Men kan zich echter de vraag stellen of deze verwerking überhaupt wel nodig is. Voor veel sectoren is het voldoende om gewoon te werken met de puntenwolken. Naar de toekomst toe zou zelfs een systeem kunnen ontwikkeld worden waarbij ieder punt van de puntenwolk een onderdeel is van een hiërarchische databank waarbij de verwerkingseenheid in plaats van vlakken, lijnen of zelfs gebouwelementen, gewoon punten zijn. Om bepaalde interpretaties te kunnen maken binnen het automatiseringsproces zien we dat er vaak data ontbreekt. Een mogelijke oplossing hiervoor zou de integratie van verschillende databronnen kunnen zijn. Denk hierbij aan de integratie tussen geometrische data afkomstig van verschillende sensoren zoals laser scanners, GPS toestellen, kleurinformatie van fotografische camera s en potentieel extra informatie afkomstig van infrarood camera s,. Deze integratie levert niet alleen meer informatie op die kan helpen bij het maken van beslissingen in het automatisatieproces, maar maken het tevens mogelijk bouwwerken en installaties beter te interpreteren. Kijkend naar de huidige generatie commerciële software kunnen we zeggen dat enkele grote spelers (Geomagic, Rapidform, Polyworks) zeer geavanceerde algoritmes bevatten om puntenwolken te verwerken tot vlakkenmodellen of meshes. Deze echter gericht op rapid prototyping en werken dus voornamelijk met abstracte geometrische vormen. Binnen de landmeetkunde, en zeker in Vlaanderen, zijn deze softwarepakketten minder van toepassing door hun hoge kostprijs en door de toepassingsdoeleinden. Een sterk toekomstgericht bedrijf dat zich voornamelijk focust op de petrochemische industrie ClearEdge (Figuur 2) biedt een oplossing voor het automatisch verwerken van scans van pijpleidingen tot een CAD model. Figuur 2: Voorbeeld van ClearEdge Edgewise voor een industriële toepassing Bij de gedane testen bleek dat de recente ontwikkelingen door dit bedrijf een sterke efficiëntieverhoging met zich meebrengen, maar dat manuele naverwerking nog steeds een must blijft. Aansluitingen, bochten, kleppen, reducers, zijn elementen die eveneens vaak voorkomen in dergelijke 7
scenes en moeilijker automatisch gedetecteerd kunnen worden. Aldus moeten deze elementen vaak manueel gecorrigeerd of zelfs volledig manueel ingevoerd worden. Hun oplossing voor het herkennen van vlakke structuren in gebouwen staat voorlopig nog niet op punt (Figuur 3). Figuur 3: ClearEdge EdgeWise toegepast op een gebouw De landmeetwereld in Vlaanderen blijft echter vasthouden aan afgeleverde producten die vaak in 2D staan. Commercieel gezien bestaan hiervoor weinig oplossingen en dient de gebruiker vaak over te gaan tot het manueel overtrekken van welbepaalde zichten op puntenwolken. Enkele softwarepakketten die hiervoor een oplossing bieden zijn PointCab (Laserscanning Europe) met een zeer gebruiksvriendelijke interface en no-nonsense strategie en Luposcan met tal van mogelijkheden gericht op het extraheren van orthofoto s voor gevelaanzichten en 2D snedes op basis van puntenwolken. Een tweede aspect van automatisatie is het uitvoeren van routine verwerkingsstappen. En meer specifiek het uitvoeren van analyses waarbij automatisatie de nauwkeurigheid van de scanresultaten kan beïnvloeden door gebruik te maken van statistische analyse van de data. Als één van de projectstudies werd daarom gekozen voor een deformatiemeting. Bij deformatiemetingen gaat het vaak over zeer kleine vervormingen in de ordegrootte van sub-millimeters, dit terwijl de laser scanner producenten spreken over nauwkeurigheden van 2-6 millimeter afhankelijk van het type scanner, de afstand tot het object, enz. Deze on-nauwkeurigheden zijn een gevolg van ruis die de metingen vervuilt. Desondanks kan men door het modeleren van de data alsnog een hogere nauwkeurigheid halen. Figuur 4: Verworpen gridpunten die een deformatie ondergaan hebben volgens het voorgestelde 8
In het project werd een algoritme ontwikkeld dat verschillen de scans van eenzelfde tunnelsegment kan vergelijken en bepalen of er vervormingen zijn opgetreden met als limiet een vervorming van 1 mm (Figuur 4). De datasets worden hierbij automatisch gemodelleerd en de nodige statistische berekeningen bepalen de ruis op de dataset. De vergelijking tussen verschillende scans maakt daarna gebruik van een hypothesetest om aldus de effectieve vervormingen te onderscheiden van de inherente meetruis. De praktische case studie die hierbij uitgevoerd werd gaf aan dat het ontwikkelde algoritme wel degelijk zijn praktische nut kent, maar men wilde eveneens weten welke de limiet van deze aanpak was. Hiervoor werd een laboproef ontwikkeld waarbij hetzelfde algoritme in staat bleek te zijn deformaties van 0.5 mm te detecteren (Fout! Verwijzingsbron niet gevonden.). Figuur 5: Grafiek berekende vervorming met voorgestelde algoritme versus de opgelegde vervorming met de meetbank 9
Data beheer Een van de voorstellen die binnen het projectkader naar voor werd geschoven, is het gebruik van 3D meetdata (zoals deze afkomstig van laser scanning of fotogrammetrie) als basis voor het refereren van informatie die geo-gerelateerd is. We denken hierbij aan de grote hoeveelheid analyses en bijhorende rapporten in de erfgoedsector die vandaag de dag vaak op papier, of soms al digitaal, gefragmenteerd bewaard worden. Deze analyses hebben vaak betrekking tot een welbepaald deel van de erfgoedsite. Het gebruik van 3D data (as-is) kan daarbij dienen als kapstok voor het databeheer waardoor de interpretatie van de site vergemakkelijkt wordt. In het project werd daarom gekeken welke huidige technologie dit reeds mogelijk maakt en welke stappen in de toekomst nog dienen genomen te worden om dit praktisch toepasbaar te maken. Vanuit de onderzoekswereld werden hiervoor reeds enkele initiatieven genomen. Busayarat S. (Stefani, Busayarat, Renaudin, De Luca, Véron, & Florenzano, 2011) werkt bijvoorbeeld een methodische aanpak uit voor het gebruik van het bestaande iconografische corpus voor de analyse en het beheer van de creatie van 3D-transformaties. Baldissini werkt dit prototype uit tot een 3D GIS databank dat via het web beschikbaar is. Dergelijke platformen blijven echter ontwikkelingen binnen welbepaalde projecten en worden weinig generiek opgebouwd. Een van de belangrijkste conclusies uit deze papers blijkt dat het opzetten van het systeem uiteindelijk niet de zwaarste taak is, maar wel het invullen van de informatie (3D modellen, relaties). Dit wordt vaak door verschillende personen uitgevoerd waardoor de standaard procedures en deliverebales dienen afgesproken te worden. Om dit soort modellen toegankelijk te maken tot de erfgoedgemeenschap wordt gewerkt aan universele standaarden om cultureel erfgoed in 3D te bewaren op lange termijn (Baldissini, Manferdini, & Masci, 2009). Er is duidelijk een hoge nood is aan specifieke software om erfgoed efficiënt te documenteren. Zo is het wenselijk een tijdsveranderlijk model te maken, dat gekoppeld is aan andere databases zoals stabiliteitsberekeningen, bouwfysische berekeningen, schetsen, oude architectuurplannen, enz. Tegenwoordig zijn al een aantal softwarepakketten op de markt die in deze richting aan het evolueren zijn, waardoor er steeds meer mogelijkheden zijn. Ook het verlagen van de drempel tot het bereiken van de gegevens is van belang. Geavanceerde data moet bekeken kunnen worden door gelijk welke gebruiker, of het nu een professional is of een leek. Hiervoor zijn meestal specifieke softwarepakketten nodig en dit is uiteraard niet altijd mogelijk. Voor verschillende pakketten zijn er ondertussen al beperkte versies beschikbaar, viewers, die het mogelijk maken de afleverproducten te bekijken en enkel kleine bewerkingen op uit te voeren (Leica Truview, Trimble Realworks viewer, Faro Webviewer,..). Deze pakketten zijn vaak zeer eenvoudig in gebruik, gratis en vaak ook online waardoor er geen software geïnstalleerd moet worden. De mogelijkheden om data te koppelen aan dit soort modellen is echter beperkt of vaak zelfs niet aanwezig. Eén pakket werd meer in detail bekeken aangezien het zich specifiek richt op de erfgoedsector, namelijk KUbit monumap. Monumap is een plugin applicatie voor AutoCAD waarin een database systeem kan gelinkt worden aan 2D vectortekeningen die als basis dienen van een analyse van een erfgoed site. Ondanks het feit dat deze software enkel in 2 dimensies werkt, geeft het wel aan welke de 10
mogelijkheden zijn voor deze sector. Tijdens onze erfgoedworkshop werd deze software eveneens warm onthaald, enkel de limieten zoals het gebrek aan 3D informatie (en de prijs) waren punten van kritiek. Hierdoor werd aangetoond dat de erfgoedsector wel degelijk geïnteresseerd is in deze nieuwe technologie, maar dat voorlopig de juiste tools nog niet bestaan om het efficient gebruik ervan te kunnen verantwoorden. Nauwkeurigheid Het aspect nauwkeurigheid loopt als een rode draad door heel het project. De nauwkeurigheid die kan behaald worden met laserscanning is afhankelijk van een groot aantal factoren. Daarom was een belangrijke doelstelling van het project om deze factoren op te lijsten, en vooral een referentiekader te bieden die (toekomstige) laserscan gebruikers kan helpen om de samenhang en de onderlinge relaties tussen beïnvloedende factoren te begrijpen zodat ze zelf kunnen inschatten in welke omstandigheden welke nauwkeurigheden kunnen bereikt worden. Dit moet hen toelaten om vanaf de fase van het plannen van de opmeting tot en met het afleveren van het eindproduct de juiste keuzes te maken met betrekking tot het kiezen van het type scanner, het aantal opstelposities, de soort en het aantal targets, de registratiemethode, de gebruikte verwerkingssoftware, enz. Om dit te bereiken werd een uitgebreid document opgesteld met theoretische achtergrondinformatie, gevolgd door een aantal testcases uit te literatuur aangevuld met eigen onderzoek. Een scanproject zal doorgaans bestaan uit meerdere puntenwolken bekomen uit verschillende opstelposities. Deze puntwolken worden achteraf met elkaar gecombineerd tot één grote puntenwolk waarop dan al dan niet verdere bewerkingen gebeuren zoals modellering of genereren van 2D en/ of 3D lijnenstructuren. Als we het hebben over nauwkeurigheid moet bijgevolg het onderscheid gemaakt worden tussen de nauwkeurigheid binnen 1 puntenwolk, de nauwkeurigheid na registratie en de nauwkeurigheid die kan bekomen worden via modelleringtechnieken. De kwaliteit van een puntenwolk wordt beïnvloed door de toesteleigenschappen in combinatie met objecteigenschappen en omgevingsfactoren. De nauwkeurigheidsspecificaties door de fabrikanten van laserscanners opgegeven, zijn moeilijk met elkaar te vergelijken. Ze vermelden doorgaans de hoeknauwkeurigheid, afstandsnauwkeurigheid en positienauwkeurigheid bij een bepaalde afstand of binnen een bepaald bereik. Over nauwkeurigheden buiten dit bereik zijn doorgaans geen gegevens beschikbaar; daarvoor zijn bijkomende testen/ berekeningen nodig. Bovendien is de haalbare nauwkeurigheid ook afhankelijk van de spotgrootte, het randeffect, object gerelateerde factoren (kleur, reflectiviteit, oppervlakteruwheid, ) omgevingsfactoren (temperatuur, stralingsinterferentie, ) en de combinatie van alle factoren samen. Afhankelijk van de projectspecificaties zullen dus keuzes moeten gemaakt worden. Een aantal overwegingen die in dit verband dienen gemaakt te worden zijn: Hoeknauwkeurigheid: De verticale en horizontale hoek waaronder de laserstraal uitgestuurd wordt, wordt gebuikt gebruikt voor de berekening van de 3D puntcoördinaten. Iedere fout 11
Gemiddelde afstand tot referentievlak (mm) Zwart Grijs 50 Grijs 100 Grijs 150 Grijs 200 Rood 50 Rood 100 Rood 150 Rood 200 Geel 50 Geel 100 Geel 150 Geel 200 Groen 50 Groen 100 Groen 150 Groen 200 Blauw 50 Blauw 100 Blauw 150 Blauw 200 Gemiddelde onderlinge afstand (mm) P L A T O die door de assen van de laserscanner of de hoekafleeseenheid wordt veroorzaakt, resulteert in een fout in het uiteindelijk resultaat. Deze fout neemt toe met de afstand tot de scanner. Afstandsnauwkeurigheid: o Ranging scanners meten de horizontale en de verticale hoeken en berekenen de afstand tot de scanner, gebruik makend van de time of flight methode of het faseverschil. De time of flight scanners (= pulsscanners) hebben standaardafwijkingen op de afstandsmeting in een grootteorde van enkele millimeters. Doordat de gemeten afstanden meestal vrij kort zijn, is de nauwkeurigheid en precisie bijna overal hetzelfde voor de hele objectenruimte. 6.00 Invloed afstand op precisie (H0_V0) 5.00 4.00 3.00 2.00 1.00 0.00 Gemiddelde 5 m Gemiddelde 20 m Gemiddelde 30 m Figuur 6: Invloed van de afstand op de precisie volgens gemiddelde onderlinge afstand tussen de kleurvlakjes 3.00 Invloed afstand op nauwkeurigheid (H60_V0) 2.50 2.00 1.50 Gemiddelde 5m Gemiddelde 20m Gemiddelde 30m 1.00 0.50 0.00 Figuur 7: Invloed van de afstand op nauwkeurigheid volgens de gemiddelde afstand tot het referentievlak Bij fasescanners is de nauwkeurigheid van de afstandsmeting afhankelijk van externe 12
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. In minder gunstige omstandigheden zal de nauwkeurigheid lager zijn en afhankelijk van de afstand. Uit onderstaande figuur volgt dat er grote verschillen bestaan in afstandsnauwkeurigheid tussen de verschillende types van laserscanners. Aangezien de afstand mee de positienauwkeurigheid bepaalt van de 3D punten coördinaten, moet daar bij de keuze van de scanner voldoende aandacht aan besteed worden. Figuur 8: Gemeten ruis in de scanrichting voor de verschillende scanners bij scannen van grijs oppervlak (40 % reflectievermogen) (Bron: Boehler, W., Bordas Vicent, M., Marbs, A., 2003, p. 6) o Bij triangulatiescanners daalt de nauwkeurigheid op de afstand tussen het instrument en het voorwerp met het kwadraat van deze afstand. Om praktische redenen kan de basislengte niet verhoogd worden, waardoor ook het bereik beperkt is. (zie Fout! Verwijzingsbron niet gevonden.). Figuur 9: Nauwkeurigheid van de triangulatiescanners t.o.v. ranging scanner (blauwe parabool: triangulatiescanner met korte basis; groene parabool: triangulatiescanner met lange basis; rode lijn: ranging scanner) (Bron: Boehler, W., Marbs, A., 2002, p. 2) 13
Spotgrootte: o Een uitgezonden laserstraal divergeert in functie van de afstand tot de scanner en zal in sommige uitvoeringen eerst convergeren en pas nadien divergeren. De laserstraaldoorsnede beïnvloedt zowel de resolutie van de puntenwolk als de positienauwkeurigheid van de punten en wordt vaak uitgedrukt als de begindiameter plus een lineaire uitbreidingsfactor (in mrad) of enkel als de uitbreidingsfactor zelf. o De bundeldivergentie heeft een invloed op de hoek waaronder het gemeten punt gelegen is. De schijnbare ligging van de observatie is langsheen de centrale as van de stralenbundel. De exacte ligging van het punt kan niet bepaald worden aangezien het overal binnen de spotgrootte kan liggen (grootte laserbundel op te registreren voorwerp). o Resolutie en spotgrootte: Vanuit technisch oogpunt kan de resolutie uitgedrukt worden als de kleinst mogelijke toename van de hoek tussen twee punten en de grootte van de laserspot op het object zelf. De resolutie zal dus beperkt worden door de spotgrootte. De resolutie wordt niet aanzien als een foutenbron; ze heeft wel invloed op de graad van detail die kan weergegeven worden. o Randeffect en spotgrootte: Wanneer de laserspot op een rand van een object invalt zal slechts een deel ervan teruggekaatst worden door het object zelf. De rest van de laserspot zal door de aangrenzende oppervlakten teruggekaatst worden, door een ander oppervlak dat achter de rand ligt of helemaal niet indien er zich binnen het bereik van het toestel geen voorwerp achter de rand bevindt. Hierdoor ontstaan in de buurt van de rand een aantal verkeerde punten (ruis). Deze verkeerde punten liggen gewoonlijk op de straal van het punt van de laser afbuiging. Verkeerd berekende punten door het randeffect zijn onvermijdelijk. Hoe hoger de resolutie, hoe hoger de kans dat de laserbundel op een rand terecht zal komen. Hierdoor ontstaat ruis binnen de gegevens in het gebied net voorbij de randen van het voorwerp. Het randeffect is sterk afhankelijk van de spotgrootte in combinatie met de afstand tussen de scanner en het object. Figuur 10: Ruis als gevolg van het randeffect Invalshoek van de laserstraal: o De invalshoek van de laserstraal beïnvloedt de sterkte van het gereflecteerde signaal en de vorm en grootte van de spot, zodat de invalshoek ook een effect heeft op de nauwkeurigheid. 14
o o De positie van de scanner dient indien mogelijk zo gekozen te worden dat de hoek tussen de laserstraal en de normale op het te scannen oppervlak zo klein mogelijk blijft. Dit kan onder andere door de scanner verder te plaatsen van het voorwerp. Het effect van de invalshoek op de precisie en de nauwkeurigheid is afhankelijk van toestel tot toestel. Bij Time-of-flight-scanners (vb. Trimble GX, Leica ScanStation 1, 2 en C10) is de invloed van de invalshoek op de nauwkeurigheid verwaarloosbaar terwijl bij fasescanners belangrijke afwijkingen worden waargenomen bij een invalshoek groter dan 45. Figuur 11: Invloed van de invalshoek van de laserstraal op de nauwkeurigheid (Bron: Kersten Th.P., Mechelke K., Lindstaedt M., Sternberg, H., 2009, p312) o De invloed van de invalshoek wordt niet alleen bepaald door het type laserscanner, maar ook door objectkenmerken zoals reflectiviteit en kleur. Uit Figuur 12 blijkt dat de precisie afhankelijk is van de combinatie invalshoek en kleur en helderheid terwijl Figuur 13 de conclusie van Kersten et al. (2009) bevestigt waaruit blijkt dat de invloed van de invalshoek op de nauwkeurigheid vooral afhankelijk is van het type scanner. Binnen eenzelfde kleur is nagenoeg geen verschil te merken in functie van de invalshoek. 15
Gemiddelde afstand tot referentievlak (mm) Gemiddelde onderlinge afstand (mm) tussen kleurvlakjes van eenzelfde kleur P L A T O Invloed van invalshoek op precisie bij bord op 30 m Groen 50 12.00 10.00 8.00 6.00 4.00 2.00 0.00 1 31 40 60 63 Groen 100 Groen 150 Groen 200 Blauw 50 Blauw 200 Rood 50 Rood 200 Grijs 50 Invalshoek Grijs 200 Zwart Figuur 12: Precisie op de afstandsmeting i.f.v. de invalshoek van de laserstraal (Leica C10) (eigen onderzoek) Invloed invalshoek op de nauwkeurigheid bij bord op 30 m 6.00 5.00 4.00 3.00 2.00 1.00 0.00 31 40 60 63 hoek tussen laserstraal en raakvlak aan het oppervlak Rood 50 Rood 100 Rood 150 Rood 200 Blauw 50 Blauw 100 Blauw 150 Blauw 200 Groen 50 Groen 100 Groen 150 Groen 200 Grijs 50 Grijs 100 Grijs 150 Grijs 200 Figuur 13: Invloed van de invalshoek op de nauwkeurigheid (Leica C10) (eigen onderzoek) Reflectiviteit en kleur van de objecten: o Bij gebruik van een laserscanner gebeurt de registratie van een punt aan de hand van de reflectie van een laserstraal door het oppervlak van het object. De sterkte van het teruggekaatste signaal wordt (naast de afstand, de atmosferische omstandigheden, e.d.) beïnvloed door de weerspiegelende eigenschappen van het oppervlak van het object en de golflengte van de laser. Bij witte oppervlakken is er een sterke terugkaatsing van het signaal. Bij zwarte oppervlakken is dit een zwakke terugkaatsing. Bij gekleurde oppervlakken is de sterkte van de terugkaatsing afhankelijk van de spectrale eigenschappen van de laser (groen, rood, bijna IR). Lichte, heldere kleuren met een hogere reflectie zoals groen en geel leiden tot een goede kwaliteit van de pun- 16
Gemiddelde onderlinge afstand tussen kleurvlakjes van eenzelfde kleur (mm) Zwart Grijs 50 Grijs 100 Grijs 150 Grijs 200 Rood 50 Rood 100 Rood 150 Rood 200 Geel 50 Geel 100 Geel 150 Geel 200 Groen 50 Groen 100 Groen 150 Groen 200 Blauw 50 Blauw 100 Blauw 150 Blauw 200 P L A T O o tenwolk. Terwijl bij rode oppervlakken er een grote spreiding is, die te wijten is aan de groene laserstraal. Bij glanzende oppervlakken is er bijna geen terugkaatsing waardoor deze oppervlakken niet makkelijk te registeren zijn. De reflectiviteit en kleur geven systematische afwijkingen op de afstand. Figuur 14: Oppervlak met verschil in reflectiviteit geeft systematische fouten op de afstand 9.00 Invloed afstand op precisie (H60_V0) 8.00 7.00 6.00 5.00 4.00 3.00 2.00 Gemiddelde 5 m Gemiddelde 20 m Gemiddelde 30 m 1.00 0.00 Figuur 15: Gemiddelde precisie i.f.v. kleur en afstand (eigen onderzoek met Leica C10 scanstation) 17
Gemiddelde afstand tot referentievlak (mm) P L A T O 2.50 Invloed kleur op nauwkeurigheid Bord_20m_H60_V0 2.00 1.50 1.00 0.50 0.00 Figuur 16: gemiddelde nauwkeurigheid i.f.v. kleur (eigen onderzoek met Leica C10 scanstation) Figuur 17: Standaarddeviatie bij de verschillende kleurvlakken afgeleid uit puntenwolken (Bron: Kersten, Th. P., Stemberg, H., Mechelke, K., 2005, p. 129) Figuur 18: hoeveelheid ruis bij verschillende kleuren (Bron: Mechelke K., Kersten Th. P., Lindstaedt M., 2007, p. 327) Vorm van het object en oppervlakteruwheid van het materiaal Het beste resultaat bij laserscanning wordt verkregen wanneer het op te meten oppervlak ondoorzichtig, diffuus en eenvormig is. 18
De nauwkeurigheid van de meting vermindert bij voorwerpen met scherpe discontinuïteiten zoals randen en gaten. Omgevingsfactoren o Invloed van de temperatuur: Een laserscanner functioneert slechts goed binnen een bepaald temperatuursinterval. Er moet hierbij een onderscheid gemaakt worden tussen de temperatuur van de omgeving en het temperatuurverschil tussen de scanner en de omgeving. De temperatuur in de laserscanner is (na acclimatisatie) hoger dan de omgevingstemperatuur als gevolg van de interne opwarming van het toestel of de opwarming ervan door externe straling van bijvoorbeeld de zon. Deze externe straling kan een zijde van de scanner opwarmen waardoor die zijde uitzet. Daardoor kan distorsie in de gescande gegevens voorkomen. Ook de temperatuur van het te meten oppervlak is belangrijk. Wanneer een warme omgeving opgemeten wordt met een laserscanner, bijvoorbeeld een industriële site, kan de achtergrondstraling die door de warme oppervlakken veroorzaakt wordt, de signaal/ruis verhouding verminderen en daardoor ook de nauwkeurigheid van de afstandsmetingen. o Invloed van de atmosfeer: Door de veranderingen in temperatuur, druk en vochtigheid wordt de brekingsindex van de verschillende luchtlagen beïnvloed en zal de golflengte en de snelheid van de laserstraal wijzigen. De meeste software voor laserscanners houdt hier rekening mee door parameters die de effecten van de breking corrigeren in te voeren. Zo zijn de scanners ingesteld om met de ISO standaard voor de atmosferische condities rekening te houden: 15 C en 1.013,25 hpa. Wanneer er onder afwijkende atmosferische condities gewerkt wordt, moet de standaard parameter worden aangepast. Zo kan een temperatuursverschil van 10 C of een luchtdrukverschil van 35 hpa leiden tot een fout van 1 mm op 100 m. Bij korte (± 0,5 cm - 2 m) tot middellange afstanden (± 1 300 m) zal de atmosfeer weinig invloed hebben op de metingen en is de invloed van de atmosfeer te verwaarlozen. Bij lange afstandsmetingen (tot meer dan 1 km) of metingen met een hoge precisie is het belangrijk dat de juiste atmosferische parameters worden gehandhaafd. o Interferentie van stralen: Doordat scanners opereren in een beperkte frequentieband kan de precisie van de afstandsmeting beïnvloed worden door externe straling van bijvoorbeeld sterke lichtbronnen (zonlicht, licht afkomstig van lampen). Wanneer de straling van de externe verlichtingsbron sterk is in vergelijking met de signaalsterkte van de laserstraal kan deze zich met de externe straling mengen en de nauwkeurigheid van de meting beïnvloeden. Daarom worden speciale optische interferentiefilters toegepast in de ontvanger om enkel de correcte frequenties door te laten. Factoren van invloed op geregistreerde puntenwolken o Het meetproces aantal opstelpunten: 19
o Hoe minder opstelpunten, hoe lager de hoeveelheid te verwerken gegevens en het aantal registraties waardoor in veel gevallen de kwaliteit van het eindresultaat stijgt. Anderzijds kan door gebruik te maken van meerdere opstelpunten de kwaliteit van de individuele puntenwolken stijgen met als gevolg een beter eindresultaat. Het komt er op aan om hier een evenwicht in te zoeken (ervaring!). Het meetproces - plaatsing van targets: Targets kunnen opgedeeld worden in twee grote groepen: de kunstmatige en de natuurlijke targets. Kunstmatige targets geven de meest nauwkeurige resultaten wegens hun hoge reflectiviteit. De onzekerheid m.b.t. de exacte selectie van een natuurlijk target zorgt voor een bijkomende daling van de resulterende nauwkeurigheid. De nauwkeurigheid van de registratie is sterk afhankelijk van een goede spreiding van de targets rond de scanner in zowel de x-, de y- als de z- richting. het is niet altijd eenvoudig om kunstmatige targets in de hoogte te plaatsen. Bolvormige targets en combinatie van natuurlijke met kunstmatige targets kan een oplossing bieden. Uit onderzoek (Kersten, Th. P., Stemberg, H., Mechelke, K., 2005) is echter gebleken dat er systematische afwijkingen kunnen bestaan tussen afstanden gemeten tot boltargets en vlakke targets. Het zal dus belangrijk zijn om deze afwijkingen te begroten of minstens te onderkennen indien men uitspraken wil doen over de nauwkeurigheid van de bekomen resultaten. Opleidingsmateriaal voor startende ondernemingen Gedurende het project werden verschillende, soms vrij lijvige, rapporten geproduceerd die diep ingaan op verschillende deelaspecten van laserscanning. Deze documenten werden aan de leden van de gebruikerscommissie toegelicht en ter beschikking gesteld via de website. Ondernemingen die willen starten met laserscanning hebben echter behoefte aan zeer concrete en beknopte informatie die hen begeleidt bij hun eerste stappen in het gebruik van laserscanning. Dit gaat van het formuleren van hun doelstellingen en de keuze voor een bepaald type toestel over het plannen van een meetcampagne tot en met de keuze voor de gepaste software. Voor elke stap wordt een antwoord gegeven op veel gestelde vragen en worden aandachtspunten en mogelijke valkuilen opgelijst. De definitieve versie van dit handboek zal afgewerkt zijn tegen eind december 2012, waarna het zal beschikbaar gesteld worden via de project website en de landmetersverenigingen. 20
2. Beheersaspecten 2.1 Organisatie Het onderzoeksproject ging van start op 1 oktober 2010 voor een duur van 18 maanden. Omwille van personeelsverloop in KaHo Sint Lieven werd op 19/02/2012 het IWT op de hoogte gebracht dat de projectmedewerkster Lieselot Christiaen sinds 06/02/2012 niet meer werkzaam is aan de KaHo Sint Lieven. Voor de resterende tijd van het project werd een nieuwe medewerkster aangenomen namelijk Lieve Spincemaille. Lieve was een van de medewerkers van HoGent die betrokken was bij de aanvraag van het project. Intussen werkte zij niet meer bij HoGent. Lieve werd dus aangenomen voor de resterende tijd van het PLATO project. De organisatie van het project verliep op basis van het overleg tussen onderzoekers en gebruikers tijdens 4 bijeenkomsten van de gebruikerscommissie (zie tabel 1). De gebruikerscommissie bestond uit 16 Vlaamse KMO s met vertegenwoordiging van zowel landmeters/studiebureaus die de techniek van het laserscanning reeds gebruiken, landmeters/studiebureaus die interesse tonen om in de nabije toekomst een scanner aan te schaffen en de scanner-fabrikanten zelf. 21/10/2010 KAHO Sint-Lieven Gent gebruikersmeeting 25 deelnemers 23/02/2011 Hogeschool Gent, Campus gebruikersmeeting 28 deelnemers Schoonmeersen 31/08/2011 KAHO Sint-Lieven Gent gebruikersmeeting 26 deelnemers 23/11/2011 KAHO Sint-Lieven Gent Workshop erfgoed 23 deelnemers (zonder gebruikerscommissie) 08/05/2012 Hogeschool Gent, Campus Schoonmeersen studiedag 179 deelnemers Tabel 2: Bijeenkomsten 2.2 Valorisatieaspecten 2.2.1 Technologieverspreiding in de loop van het project In de loop van het project werden in de eerste plaats de bestaande disseminatiekanalen bij de projectpartners ingeschakeld om de onderzoeksresultaten bekend te maken bij de doelgroepen voor technologieverspreiding. De resultaten kwamen dus vooral aan bod tijdens de navormingssessies voor landmeters, en directe contacten uit de bedrijfswereld. Op internationaal vlak werden en zullen de resultaten van het project meegedeeld worden op wetenschappelijke symposia en internationale onderzoek platformen. 21
Onderstaande lijst geeft een overzicht van de verschillende lezingen die in de loop van het project plaats vonden, van de afstudeerwerken die in het kader van het TETRA-project tot stand kwamen en van de internationale congresbijdragen. Lezingen op studiedagen GIS-O-TOPOLIS-event, 14/10/2010 Navorming landmeters, voortgezette opleiding, 3D-Laserscanning, December 16, 2010; Workshop PLATO erfgoedsector, Woensdag 23 november 2011, Gent, Nationaal, +-30 deelnemers STUDIEDAG 3D PLATO, Dinsdag 8 mei 2012, Gent, Nationaal, +- 180 deelnemers Navorming landmeters, voortgezette opleiding, 3D-Laserscanning, November 15, 2012; Afstudeerwerken Liesbeth Lacroix 2010, KULeuven (RLICC) The Use of Terrestrial Laser Scanning for Condition Mapping of Historical Sites. Christiaen Lieselot & Vande Casteele Yannick 2010, KaHoSL Nauwkeurigheidsonderzoek van terrestriële 3D-laserscanners De Clerck Sara & De Leeuw Sofie 2010, HoGent Factoren van invloed op de precisie en nauwkeurigheid van puntenwolken bekomen met terrestrische laserscanning. Valerie Vander Meer 2011, KULeuven Meettechnieken voor ovalisatie Michiel Mentens 2011, KULeuven Invloedsfactoren op en meerwaarde van de intensiteitswaarde bij 3D laserscanning Stijn Decoene 2011, KaHoSL Verwerking na laserscannen: Scripting en NURBS-modellen Naert Hannes & Simoen Milissa 2011, HoGent Archiveren voor de toekomst via locatie gebonden datastructuur geënt op de situatie in Vlaanderen Van Hove Matthias 2011, HoGent Virtuele Campus Internationale lezingen Workshop on planning tools for heritage based sustainable urban development, 27 Jan 1 February 2011, Rajasthan, India INTED 2012 International Technology, Education and Development Conference, IATED, 5-7 maart 2012, Valencia (Spanje) Publicaties waarin de resultaten van het project werden gebruikt Van Genechten, Bjorn, Schueremans, L. & Nuyts, K., 2011. Onderzoek van vervormingen en monitoring. In Handboek Onderhoud, Renovatie en Restauratie. Kluwer, pp. 109-158. Van Genechten, B. & Schueremans, L., 2011. Opmeting van Gebouwen. In M. Wittouck, ed. Het vademecum voor Architecten. Kluwer, pp. 114-159. 22
Deruyter, G. and Van Genechten, B. and De Clerck, S. and Christiaen, L., 2012, University colleges can help smaller land survey companies in introducing new data acquisition techniques. In 6th International Technology, Education and Development Conference (INTED2012) proceedings, Valencia, Spain, 5-7 march 2012, p3646-3651, ISBN 978-84-615-5563- 2.2.2 Geplande valorisatieactiviteiten na afloop van het project Disseminatie interne rapporten In de loop van het project werden richtlijnen voor het werken met laserscanners en laserscandata opgesteld. In het kader van komende navormingscursussen voor landmeters zullen deze rapporten verder uitgewerkt worden en ten gepaste tijd aan de landmeterverenigingen worden overgemaakt. Resultaten van de interne projecten worden reeds geïntegreerd binnen het lessenpakket voor de landmeters in opleiding (KaHo Sint Lieven, Thomas Moore Mechelen, HoGent), de burgerlijk ingenieurs architecten in KULeuven en de monumentenzorgers (RLICC KULeuven). Alle interne rapporten werden openbaar beschikbaar gemaakt via de website die voor het project werd opgezet (www.plato3d.be) Ondersteuning innovatieprojecten bedrijven De resultaten van het afgelopen onderzoeksproject leverden aan deelnemende bedrijven een beter inzicht in de toepassingsmogelijkheden en beperkingen van laser scanning als meettechniek in de landmeetkunde. Diverse landmeetkantoren hebben reeds contact opgenomen met onze onderzoeksinstellingen om aldus advies te verkrijgen over de aankoop van hardware en software en tevens over zeer specifieke moeilijkheden bij het uitvoeren en verwerken van scan jobs. Hierbij kunnen we onder andere verschillende expertisezaken vermelden (TGV Station Luik, Olietanks Oostende). In navolging van dit TETRA project werd in Oktober eveneens een Baekeland mandaat aangevraagd voor Lieve Spincemaille (een van de projectmedewerkers) in een samenwerkingsverband tussen Teccon NV. en KaHo Sint Lieven. De betrokken onderzoeksgroepen zijn uiteraard bereid om als kennisinstelling deel te nemen aan mogelijke innovatiestudies voor bedrijven, al zien we daarbij wel dat er slechts weinig KMO s in deze branche zijn met een eigen R&D afdeling die dus ook effectief op zoek zijn naar innovatie. Het landmeten in Vlaanderen blijft vaak beperkt tot kleine éénmansbureaus met een conservatieve ingesteldheid. Marktevolutie Zoals reeds vermeld bestaat de landmeetkundige branche in Vlaanderen voornamelijk uit éénmanslandmeetbureaus die voorlopig geen investeringsmiddelen hebben om over te gaan tot de aankoop van een laserscanner. Desondanks, is de interesse van de Vlaamse sector wel groot. Deze interesse kan verklaard worden enerzijds door de steeds beter wordende toestellen en software, maar zeker 23
door het bedrijf Faro. Faro, een scannerfabricant, bracht afgelopen jaar (2011) een nieuwe scanner op de markt die slechts de helft van de prijs is van de traditionele scanners. De ietwat grotere bureaus die al gedurende een langere tijd aan de slag wouden gaan met scanning maar daarvoor niet het nodige budget konden vinden, hebben zich intussen een dergelijke goedkopere scanner aangekocht. De ontwikkelingen zowel op hard- als software vlak zitten vandaag de dag in een stroomversnelling. De vraag blijft of binnen enkele jaren de laserscanner tot het standaard arsenaal kan gerekend worden van de landmeter, net zoals te zien was met de evolutie van de GPS. 24