laserové skenování 154lsk prof. ing. jiří pospíšil, csc. katedra speciální geodézie

11

Laserové skenováníLaserové skenování154LSK154LSK

Prof. Ing. Jiří Pospíšil, CSc.Katedra speciální geodézieFakulta stavební ČVUT v Praze

Místnost:Místnost: B904E-mail: E-mail: [email protected]:WWW: k154.fsv.cvut.cz

Doporučená literatura:Doporučená literatura:[1] Kašpar, M.- Pospíšil, J.- Štroner, M.- Křemen, T.- Tejkal, M.: Laserové skenovací systémy ve stavebnictví. Vega, 2003. 112 s.

[2] Kašpar, M.- Pospíšil, J.- Štroner, M.- Křemen, T.- Tejkal, M.: Laser Scanning in Civil Engineering and Land Surveying. Vega, 2004. 103 s.

[3] Štroner, M.- Pospíšil, J.: Terestrické skenovací systémy.ČVUT 2008, 187s.

22

Program přednášek:Program přednášek: Sudé úterý, 10:00 – 11:50, B971

Č. Přednáška

1.Úvod. Teorie fungování terestrických skenovacích systémů. Fyzikální principy laserových skenovacích systémů. Bezpečnost práce.

2.Postup měření a zpracování naměřených dat. Matematické

metody

3. Úvod do rekonstrukce povrchů..

4. Přehled terestrických skenovacích systémů

5. Letecké laserové skenování

6. Aplikace terestrických systémů. Ekonomické přínosy.

7. Zápočtový test

33

Úvod.Teorie fungování terestrických Úvod.Teorie fungování terestrických skenovacích systémů. Fyzikální principy skenovacích systémů. Fyzikální principy skenovacích systémů. skenovacích systémů. Bezpečnost práce.Bezpečnost práce. Osnova:

1. Skenování, základní pojmy.2. Stručně o skenerech.3. Vlivy působící na skenování.4. Porovnání s existujícími metodami

měření. 5. Lasery.6. Principy měření délek.7. Metody rozmítání svazku.8. Bezpečnost práce s lasery.

44

1. Skenování, základní pojmy1. Skenování, základní pojmy

Skenování:

- neselektivní určování prostorových souřadnic objektu a jejich ukládání do paměti,

- provádí se pomocí skeneru, automaticky podle nastavených parametrů, velkou rychlostí – stovky až sto tisíce bodů za sekundu.

- je řízeno počítačem,

- výsledkem je tzv. mračno bodů, které může mít až miliony bodů.

55


Skenery:- přístroje, které určují prostorovou

polohu diskrétních bodů, obvykle na principu prostorové polární metody

66


Hlavní znaky:

-neselektivní určování 3D souřadnic

-velká rychlost měření

-nutná nová forma zpracování

7

2. Základní typy skenerů2. Základní typy skenerů

• Dělení podle principu měření

8


• Polární skener:-z hlediska principu se jedná o totální stanici s bez

hranolovým dálkoměrem-dálkoměr na principu měření tranzitního času nebo

fázového rozdílu

9


• Skener se základnou – jedno kamerový:

-souřadnice jsou určovány na základě „protínání z úhlů“ ze základny.

10


• Skener se základnou – dvou kamerový

-souřadnice jsou určovány na základě „protínání z úhlů“ ze základny, projektor jen označuje body.

11


• Dělení podle zorného pole: -kamerový -panoramatický

12

22. Základní typy skenerů. Základní typy skenerů

Dělení podle dosahu,přesnosti a rychlosti Dělení podle dosahu,přesnosti a rychlosti skenování :skenování :

- platí, že čím kratší standardní vzdálenost skenování, tím vyšší přesnost. Podle dosahu :Podle dosahu : - systémy s velmi krátkým dosahem D1 (0,1m až 2m),- systémy s krátkým dosahem D2 (2m až 10 m),- systémy se středním dosahem D3 (10 m až 100 m),- systémy s dlouhým dosahem D4 (100 m až stovky m)Podle přesnosti :Podle přesnosti : - s velmi vysokou přesností P1 (0,01 mm až 1 mm), - s vysokou přesností P2 (0,5 mm až 2 mm), - se střední přesností P3 (2 mm až 6 mm ), - s nízkou přesností P4 (10 mm až 100 mm).

13

22. Základní typy skenerů. Základní typy skenerů

Podle Podle rychlosti skenovánírychlosti skenování : : - systémy s velmi vysokou rychlostí R1 (více jak 50

000 bodů za sekundu),- systémy s vysokou rychlostí R2 (1 000 až 50

000 bodů za sekundu),- systémy se střední rychlostí R3 (10 až 1 000

bodů za sekundu),- systémy s nízkou rychlostí R4 (do 10 bodů za

sekundu) Nízkou rychlostí měří totální stanice se

skenovacím modulem.

1414


Dělení podle dosahu a přesnostiZákladnový skener D1, P1

Základnový skener D2, P2

Polární skener D3, P3

Polární skener D4, P4

15

3. Vlivy působící na skenování3. Vlivy působící na skenování

Vlivy působící na množství vráceného Vlivy působící na množství vráceného signálusignálu

- vliv geometrie měřeného objektu,- vliv povrchu měřeného objektu.

Vlivy působící na přesnost měřeníVlivy působící na přesnost měření

- Přesnost určení délky,- Přesnost určení úhlů.

Vlivy zpracováníVlivy zpracování

- vlícovací body (+spojování skenů);- aproximace při zpracování

16


Vliv geometrie měřeného objektuVliv geometrie měřeného objektu

S k e n e r

17


Vliv povrchu měřeného objektuVliv povrchu měřeného objektu Na kvalitě vráceného dálkoměrného signálu se podílejí úhel Na kvalitě vráceného dálkoměrného signálu se podílejí úhel

dopadu a fyzikální vlastnosti povrchu, reflektivita, pohltivost dopadu a fyzikální vlastnosti povrchu, reflektivita, pohltivost

a propustnost.a propustnost. Je-li celková intenzita dopadajícího záření E, intenzita

odraženého záření R, pohlceného záření A a propuštěného záření P, pak platí:

Pro reflektivitu ρ, pohltivost α a propustnost π platí:

E R A P

/

/

/

R E

A E

P E

18

3. Vlivy působící na skenování3. Vlivy působící na skenování• pro měření délek je důležitá pouze ta část záření, která je

odražena zpět ke skeneru a dopadá na přijímací senzor dálkoměru

• rozlišujeme několik základních typů povrchů podle tvaru

jejich diagramu reflektivity

a) difúzní (sádra, křída..) b) zrcadlový (stříbro) c) rýhovaný (odrazná folie)

• nejvhodnější difúzní povrch s vysokou odrazivostí – světlý materiál s drsným povrchem (vůči použité vlnové délce)

19


Vliv povrchu měřeného objektuVliv povrchu měřeného objektu

5%Černý neoprén

8%Láva

17%Asfalt s oblázky

24%Hladký beton

typ. 50%Plážový, pouštní písek

typ. 30%Jehličnaté stromy

typ. 60%Listnaté stromy

69%Potištěný novinový papír

do 75%Jíl, vápenec

85%Bílé zdivo

80-90%Sníh

94%Stavební dřevo (borovice, čistá, suchá)

do 100%Bílý papír

REFLEKTIVITA / %REFLEKTIVITA / %MATERIÁLMATERIÁL

20


• Byly testovány lesklé barvy, matné barvy, smirkové papíry, kovy, kameny a cihly. Jednotlivé typy povrchů o rozměrech 200 mm x 200 mm byly umístěny do roviny na několika deskách vyrobených z dřevotřísky a potažených bílým laminem. Barvy byly na desky naneseny, kovové plechy a smirkové papíry byly na desky nalepeny a kamenné dlaždice a cihly byly zapuštěny do otvorů, které byly do desek vyříznuty. Povrchy byly zaměřeny pod těmito úhly dopadu: 0; 30; 50; 55; 75; 90 gon ve vzdálenostech 15 m a 25 m od skeneru. Pro každý úhel dopadu a vzdálenost byly pořízeny tři mračna bodů v hustotě 5 mm x 5 mm.

• Při vyhodnocení byl určen procentně počet bodů, které dopadly na měřený povrch vůči teoretickému početu bodů, který měl být na povrchu zaměřen. Dále byla každým měřeným povrchem proložena rovina a určeny směrodatné odchylky s : 2

1

1

max

1( )

1. . .

max

N

N ii

N

i ii

i i

s x xN

M AD f x xN

E x

21

Povrch Úhel dopadu [gon] Počet bodů %SN

[m]M.A.D.

[m]EMAX

[m]Poznámka

Černá barva lesklá

0 4658 100 0.0019 0.0015 0.0069

30 2726 68 0.0032 0.0025 0.0214

50 238 8 0.0025 0.0020 0.0116

55 84 3 0.0031 0.0021 0.0104

75 1 0 37

90 24 3 0.0007 0.0006 0.0020 648

Černá barva matná

0 4692 100 0.0016 0.0013 0.0054

30 4090 100 0.0026 0.002 0.0099

50 2159 70 0.0027 0.0021 0.0174

55 1360 50 0.0029 0.0023 0.0161

75 8 0

90 0 0 6

2222

5. Lasery5. Lasery

- Nejpoužívanější zdroj záření u skenerů;

- laser je z fyzikálního hlediska kvantově elektronický zesilovač elektromagnetického záření nejčastěji v oblasti viditelného světelného spektra a přilehlých vlnových délek;

- laser je založen na stimulované emisi fotonů v aktivním prostředí. Za normálních podmínek se většina atomů, iontů nebo molekul, které tvoří aktivní prostředí laseru, nachází v nejnižším energetickém stavu. Jsou-li však tyto částice excitovány do vyšších energetických stavů vnějším zdrojem energie (intenzivní světelné záblesky, elektrický výboj), budou při přechodu do původního energetického stavu vyzařovat koherentní světelné záření.

2323

5. Lasery5. Lasery

- Stimulovaná emise:

2424

Děje v laserovém optickém rezonátoru

a) Nevybuzený stavb) Vybuzený stav - nejprve spontánní emise - pak srážka emitovaného fotonu s vybuzenou částicí – stimulovaná emise fotonu c)d) odraz fotonů od zrcadele) průchod některých fotonů částečně propustným zrcadlem – koherentní svazek

55. . LaseryLasery

2525

5. Lasery5. Lasery

Dělení laserů:

- Pevnolátkové, plynové (He-Ne), kapalinové, chemické,

- - polovodičovépolovodičové..Polovodičové lasery:

- pracují v neviditelném spektru (780 až 815 nm, blízká infračervená oblast) i ve viditelné oblasti spektra (632 až 635 nm

a 650 nm = červená, 532 nm = zelená).

2626

5. Lasery5. Lasery

Polovodičové lasery:

++ kompaktnost, ++ možnost přeladění v širokém spektrálním pásmu a pomocí výběru aktivního prostředí generace záření vlnových délek v širokém spektru,

++ nízká spotřeba elektrického proudu, ++ vysoká účinnost, ++ nízká citlivost na zacházení,

-- rozbíhavost generovaného záření (dáno velikostí),

-- velká závislost parametrů generovaného záření na teplotě aktivního polovodičového materiálu.

2727

5. Lasery5. Lasery

Základní prvky laseru:

- aktivní zesilovací prostředí (obsahuje atomy, ionty nebo molekuly schopné excitace na emisní energetické hladiny a které

je schopné zajistit inverzi populace), - zdroje energie (vyvolává excitaci),- optického rezonátoru (zajišťuje odraz fotonů na zrcadlech

optického rezonátoru, a tím zesilování laserového záření).

2828

6. Principy měření délek6. Principy měření délek

- měření vzdálenosti založeno převážně na elektronickém způsobu měření a nebo na optickém (protínání ze známé základny),

- elektronické měření

- fázový dálkoměr,

- impulsní,

- frekvenční. d

D Á L K O M Ě RV Y S Í L A Č

P Ř I J Í M A Č

O B J E K T

Nejpoužívanější:Nejpoužívanější:

Impulsní dálkoměr, měří se tranzitní čas, který elektromagnetický impuls potřebuje k projití dvojnásobku měřené délky. (2∙10-8 s odpovídá vzdálenosti 3 m, pro 3 mm je to 2∙10-11 s, tj. 20 ns).

2929

6. Principy měření délek6. Principy měření délek

- optický (protínání ze známé základny),

Nevýhodou této metody je pokles přesnosti s rostoucí měřenou délkou, omezujícím faktorem je zde délka základny. Tato metoda je vhodná na velmi krátké vzdálenosti (skenování blízkých předmětů), kde dosahuje vysoké přesnosti.

P

Z á k l a d n a

- je založeno na řešení obecného rovinného trojúhelníku, ve kterém je známa délka jedné strany (tzv. základny) a k ní přilehlé úhly jsou známy nebo měřeny (jeden měřen, druhý známý).

3030

7. Metody rozmítání svazku7. Metody rozmítání svazku

- skenery určují souřadnice bodů v po sobě následujících profilech,

- profily se vytváří rozmítáním svazku paprsků (obvykle laserového záření).

Metody:

- pomocí rotujícího (kmitajícího) zrcadla,

- pomocí rotujícího odrazného hranolu,

- rotací zdroje záření,

- pomocí optických vláken,

- pomocí statického optického elementu.

3131


- pomocí zrcadla, odrazného hranolu, rotací zdroje, pomocí optických vláken, pomocí statického optického elementu.

- Rotující (kmitající) zrcadlo

L A S E R

Z R C A D L O

3232


- rotující odrazný hranol

Výhody oproti zrcadlům:

- neslepne,

- vyšší rychlost pohybu svazku paprsků (v závislosti na počtu hran),

- nemusí se vracet, příp. nemá mrtvou zónu.

3333


- rotace zdroje záření

3434


- pomocí optických vláken

Základem je rotující zrcadlo, které rozmítá záření do optických vláken, které pak určují konečný počátek a směr šíření svazku paprsků.

3535


- pomocí statického optického elementu

Vytváří v prostoru výseč světelné roviny, oproti ostatním trvale. Používá se u skenerů s měřením délky pomocí optické základny.

3636

8. Bezpečnost práce8. Bezpečnost práce

-podrobně zpracována v [1], zde pouze:

Legislativa: Směrnice č. 61 ministerstva zdravotnictví ČSR z roku 1982.

ČSN EN 60825 a nařízení vlády č. 480/2000 Sb. o ochraně zdraví před neionizujícím zářením.

Upozornění:- pozorně studovat návod, respektovat zacházení s přístrojem podle bezpečnostní třídy,

- i když svazek paprsků není vidět, může oko poškodit (infračervené záření

apod.).

3737

- Riziko poškození sítnice okaKomplikovanost předpisů pro práci s lasery souvisí

především s tím, že riziko poškození zdraví nezávisí jen na intenzitě emitovaného laserového záření, ale i na vlnové délce, dále na době, po kterou laser záření emituje a na rozbíhavosti (divergenci) laserového svazku.Téměř dokonalá rovnoběžnost paprsků vystupujícího svazku je hlavním rozdílem laseru proti jiným přírodním i umělým zdrojům světla.

Vždy se bere nejméně příznivá situace - plně otevřená pupila oka s průměrem 7 mm,

Výkon přenášený zářením, dělený obsahem plochy, kterou záření prochází, což je veličina nazývaná hustota zářivého toku, může na sítnici oka být až miliónkrát větší než hustota zářivého toku dopadajícího na rohovku, proto i laser, jehož zářivý tok je jen několik miliwattů, může poškodit sítnici.


3838


-Důležitým bodem pro hodnocení rizika při práci s lasery emitujícími kontinuální záření ve viditelném oboru je hustota zářivého toku 25 W/m2 patřící k době 0,25 s mrkacího reflexu (což je zhruba doba zpoždění fyziologického reflexu člověka na oslnění, člověk přeruší jeho působení na oko mrknutím a případně odvrácením hlavy od zdroje).

-Proti působení neviditelného záření nechrání oko člověka žádný reflex, a pokud má toto záření vlnovou délku která prochází oční čočkou a soustředí se na malou plošku na sítnici, je nutné dodržet přípustnou hustotu zářivého toku dopadajícího na rohovku oka patřící k předpokládané době působení, která v tomto případě může být podstatně delší než 0,25 s.

3939


4040


- bezpečnostní třídy:

I. : možno trvalý pohled do svazku paprsků,

II. : kontinuální a viditelné záření, přímý pohled do zdroje možný,

oko ochrání mrkací reflex,

III. a) : totéž jako II., ale oko již může být poškozeno za pohledu do

zdroje pomocí optické soustavy (např. dalekohled),

III. b) : nebezpečí poškození oka, nutno používat ochranné pomůcky

(i při pozorování odrazu), max. emise 0,5 W,

IV. : totéž jako III. b), emise překračuje výkon 0,5 W.

V geodézii se obvykle používají přístroje tříd II a III. a).

(pro srovnání: běžně používaná laserová ukazovátka mají výkon 1 – 5 mW).

4141

KonecKonec

laserové skenování 154lsk prof. ing. jiří pospíšil, csc. katedra speciální geodézie

Documents