Lazer Tarama Teknolojisi ( BYY) Lazer Tarama Teknolojisi- Prof. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 1

Transkript

1 Lazer Tarama Teknolojisi ( BYY) Lazer Tarama Teknolojisi- Prof. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 1

2 Ders Planı ve İçeriği 1 Giriş, dersin kapsamı, kavramlar, uygulamalar. 2 Lazer tarama terimi, tanım ve prensipleri. 3 Fiziksel ve geometrik özellikler. 4 LiDAR temel bileşenleri, veri alım ve tarama yöntemleri. 5 LiDAR matematik modeli. 6 Hava (LiDAR) ve yersel lazer tarama sistemleri. 7 Lazer sistem jeo-referanslandırma. 8 Arasınav 9 Nokta bulutu, SYM ve SAM, 3B model üretimi. 10 LiDAR hata kaynakları, kalite değerlendirmesi. 11 LiDAR verilerinden detay çıkarımı ve filtreleme. 12 LiDAR, fotogrametri/uzaktan algılama entegrasyonu. 13 LiDAR verileri ile doğru ortofoto üretimi. 14 LiDAR verileri ile doğru ortofoto üretimi. 15 Uygulama proje sunumları Lazer Tarama Teknolojisi- Prof. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 2

3 Kaynak, Yazılım, Ölçme ve Değerlendirme Shan, J. and Toth, C. K., (2009); Topographic Laser Ranging and Scanning Principles and Processing, CRC Press, Taylor & Francis Group, LLC, USA. (anahtar kelime: LiDAR, laser scanning) MATLAB, ENVI, FugroViewer, Surfer, LASTools. vb. yazılımlar Post message: Ders Değerlendirme Değerlendirme Takvimi Etkinlik Sayı Katkı Oranı Açıklama Tarih Saat Yeri Ara Sınav 1 % Kısa Sınav Yarıyıl Sonu Sınavı 1 % Ödev 2 % 30 Oda Lazer Tarama Teknolojisi- Prof. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 3

4 Lazer Tarama Teknolojisi: Tarihi süreç İlk optik lazer 1960 da geliştirildi (Maiman, USA). İlk hava lazer mesafe ölçeri 1960 da geliştirildi lerde Kuzey Amerikada hidrografik ve batimetrik ilk uygulamalar yapıldı li yılların başında GPS, hava laser profilleri için kullanılmaya başlandı (Univ. of Stuttgart, Prof. Ackerman). 90 lı yıllardan itibaren hava lazer tarayıcılar GPS ve INS ile birlikte kullanılmaya başlandı ISPRS kongresinde (Viyana) ilk defa bir firma ALS (Airborne Laser Scanning) i tanıttı döneminde ISPRS Çalışma Grubu ve OEEPE (EuroSDR) Çalışma Grupları kuruldu den ititbaren yoğun ve geliştirilmek suretiyle kullanılmaya başlandı, özellikle 2006 sonrası waveform digitizing (full dalga tarama) metodu geliştirildi. Genelde lazer tarama için LiDAR terimi kullanılır: Light Detection And Ranging (LiDAR) Lazer Tarama Teknolojisi- Prof. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 4

5 Lazer Tarama Teknolojisi: Tanım-terimler Light Detection and Ranging (LiDAR): Yüksek doğrulukta 3B topoğrafik veri üreten hava lazer tarama teknolojisi veya sistemi. - LiDAR, LADAR, optical RADAR, LRF, laser scaning - Atmospheric Lidar RS - Airborne Scanning Lidar / Airborne Laser Scanning - Satellite Altimetry ALS Terrestrial Laser Scanning - Active vs. passive optical sensing - LiDAR: light detection and ranging - LADAR: laser detection and ranging - Optical RADAR: optical radio detection and ranging - LRF: Laser Range Finding - ALS: Airborne Laser Scanning - TLS: Terrestrial Laser Scanning - ALSM: Airborne Lidar Swath Mapping Lazer Tarama Teknolojisi- Prof. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 5

6 Lazer Tarama Teknolojisi: Giriş - Aktif sensör: çok yüksek enerjiye sahip lazer ışını gönderir ve yansıyan enerjiyi kaydeder. Gece ve gündüz çalışma yeteneğinin yanında, gölgelik alanlarıda ölçme yeteneğine sahiptir. - Hava LiDAR ı; uçuş zamanı (Time of Flight (TOF)) veya nadiren de olsa faz (continuous wave (CW) lasers), ve ilaveten yoğunluk (intensity) ölçer. Bütün ticari ALS sistemleri TOF ı kullanılır. (CW ALS, called SCALARS (Univ. of Stuttgart) ise sürekli dalga ölçer). - Temel olarak, ölçüm kutupsal tekniğe göre yapılır; ışın yönü ve obje ile lazer kaynağı arasındaki mesafe ölçülür. - Çoğu LiDAR sistemi yakın kızıl ötesi ışınları kullanır (NIR) Lazer Tarama Teknolojisi- Prof. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 6

7 Lazer Tarama Teknolojisi: Temel Bileşenler - Lazer transmitter ve detektör/alıcı = mesafe ölçme ünitesi (range measuring unit), - Lazer ışını döndürme/sapma mekanizması (ayna (mirror), poligon (polygon), - GPS/INS (aralarındaki ofset ve yönelme açıları bilinmeli (boresight calibration)). Genelde çift frekanslı ve diferansiyel GPS kullanılır. - Bilgisayar ünitesi (navigasyon, uçuş planlama, depolama) ve hassas zaman ölçer. - Çerçeve yada satır tarayıcılı film tabanlı kamera. - Platformlar: uçak, helikopter ve IHA (UAV) Lazer Tarama Teknolojisi- Prof. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 7

8 LiDAR (ALS) Temel Bileşenler Lazer Tarama Teknolojisi- Prof. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 8

9 LiDAR (ALS) Temel Bileşenler GPS yer istasyonu ile uçak arasında kesin bir uzaklık söz konusu olmayıp, arazi topoğrafyası ve görülebilen uydu sayısına göre bu uzaklık km arasında değişebilmektedir Lazer Tarama Teknolojisi- Prof. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 9

10 Platformlar -Hava (Aerial) Genelde uçak ve helikopter, IHA (İnsansız Hava Aracı, UAV) veya balon. -Yersel (Terrestrial) - Uydu (Satellites) Lazer Tarama Teknolojisi- Prof. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 10

11 Bazı tanımlamalar - Pulse repetition frequency (PRF) or pulse rate: saniyede gönderilen atım sayısı - Echoes (sometimes called pulses): gönderilen bir atım için objeden yansıyan ve kaydedilen atım sayısı - Minimum düşey obje ayırımı (Minimum vertical object separation): 2 ayırt edilebilir eko arasındaki minimum mesafe - Tarama sıklığı (Scan rate): saniyede taranan pattern sayısı (örnek: taranan satır) - Görüş alanı (Field of View (FOV) or scan angle): uçuşa dik yönde lazer ışını görüş alanı - Lazer ışın açısı (Beam divergence): lazer ışınının ortaya çıkardığı açı Lazer Tarama Teknolojisi- Prof. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 11

12 ALS için diğer önemli parametreler -Min. ve mak. uçuş yüksekliği: min. mesafe otoritelerce tanımlanan uçuş yüksekliği ve insan sağlığı için önemli, mak. mesafe ise lazer cihazının gücüne bağlıdır. -Maksimum tarama genişliği (Maximum swath width): uçuş yüksekliği ve FOV e bağlıdır. -Lazer ayak izi (Laser footprint (ground area illuminated by laser beam)): lazer (beam) divergense ve uçuş yüksekliğine bağlıdır. İdealde daire, ancak gerçekte elips veya düzensiz bir pattern olabilir. - Dalga boyu (Wavelength): belirli objeleri ölçmek için önem arz etmektedir. Objeler farklı dalgalara değişik şekilde tepki veririler Lazer Tarama Teknolojisi- Prof. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 12

13 ALS için diğer önemli parametreler -Uçuş ve uçuşa dik yönde nokta yoğunluğu (Across and along track point density (these 2 define also the average point density)): bir çok parametreye bağlıdır; tarama patterni yada tipi, PRF, tarama sıklığı, uçuş yüksekliği, platform hızı, FOV vb. Bu parametreler iyi bir uçuş planı içinde önemlidir. - Eko sayısı; her bir yoğunluk değeri için kaydedilir. - GPS/INS ölçüm frekansları ve doğrulukları (özellikle INS için) - Kullanılan ilave sensörler (dijital kamera, video, vb.) - Ağırlık, boyutlar, enerji tüketimi, çevresel şartlar (sıcaklık, hava durumu vb.) - Mesafe çözünürlüğü ve doğruluğu - Yazılım (uçuş planı, veri işleme ve transfer vb.) Lazer Tarama Teknolojisi- Prof. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 13

14 ALS için diğer önemli parametreler Lazer Tarama Teknolojisi- Prof. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 14

15 LiDAR sistem özellikleri Lazer Tarama Teknolojisi- Prof. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 15

16 LiDAR data LiDAR data fromat: *.las Lazer Tarama Teknolojisi- Prof. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 16

17 LiDAR data format Lazer Tarama Teknolojisi- Prof. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 17

18 LiDAR nokta sınıfları (ASPRS Standard) Lazer Tarama Teknolojisi- Prof. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 18

19 Niçin LiDAR verisi? Lazer Tarama Teknolojisi- Prof. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 19

20 LiDAR uygulama alanları Lazer Tarama Teknolojisi- Prof. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 20

21 LiDAR uygulama alanları Lazer Tarama Teknolojisi- Prof. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 21

22 LiDAR uygulama alanları- Hacim Lazer Tarama Teknolojisi- Prof. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 22

23 LiDAR uygulama alanları- Ulaşım Lazer Tarama Teknolojisi- Prof. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 23

24 LiDAR uygulama alanları- Dolgu-Yarma Lazer Tarama Teknolojisi- Prof. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 24

25 LiDAR uygulama alanları- Elektrik hattı Lazer Tarama Teknolojisi- Prof. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 25

26 LiDAR uygulama alanları- 3D üretim Lazer Tarama Teknolojisi- Prof. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 26

27 LiDAR uygulama alanları- Detay (bina-ağaç) çıkarma Lazer Tarama Teknolojisi- Prof. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 27

28 Lazer echo sayısı Lazer Tarama Teknolojisi- Prof. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 28

29 ALS: Lazer ışını Spektral Özellikleri - Genellikle kullanılan lazer: Nd:YAG = neodymiumdoped yttrium aluminium garnet nm dalga boyunda yayılım gösterir - Diğer sistemler: örn. 810 nm (ScaLARS), 900 nm (FLI- MAP), 1540 nm (TopoSys, Riegl) - Lazer sistemler tek bir dalga boyunda ışın yayarlar, ancak batimetrik lazerlar 1064 ve 532 nm dalga boyunda ışın yayarak su yüzeyi ve su altını ölçerler. - Yayılan ışının spektral genişliği oldukça dar olup, Nd:YAG için nm aralığındadır Lazer Tarama Teknolojisi- Prof. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 29

30 ALS: Lazer ışını Lazer ışın özellikleri - Çok yüksek enerjiye ve güce sahip olduğundan yüksek uçuşlarda dahi alıcıya geri dönebilmektedir. - Çok dar ışın: lazer çok küçük obje veya hedefleri aydınlatıp ölçebilir, çünkü bu ışınla belirli bir alana çok fazla enerji gönderilebilmektedir. - TOF (Time of flight) için, 10 ns (1 ns=10-9 sn) bant genişliği altında bir dar dalga yüksek enerji ile yayılabilmektedir (1 ns: 0.3 m?). Atım ne kadar dar ve kısa olursa mesafe doğruluğu o derece artmış olur Lazer Tarama Teknolojisi- Prof. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 30

31 Atım (pulse) lazer EJ ( ) P( W ) = ; Watt = Joule / sn t( sn) Lazer Tarama Teknolojisi- Prof. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 31

32 Atım (pulse) lazer ölçme prensibi R c = tl 2 R: nesne ile lazer ünite arasındaki mesafe, c: ışık hızı ( km/h) t L : lazer seyahat süresi c R = t 2 L ΔR: mesafe çözünürlüğü Δt L : ölçü aleti zaman çözünürlüğü Lazer Tarama Teknolojisi- Prof. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 32

33 Atım (pulse) lazer (hedef) çözünürlük R c = tl 2 c R = t 2 L c Rtar = t 2 P t P : lazer ışın boyu (pulse çözünürlüğü); t P =10 ns ve ΔR tar =1.5 m olması durumunda obje yada hedef 1.5 m den daha büyük olmalı. Günümüzde daha küçük boyutta lazer ışınları kullanılmakta. 10 ps (10-12 sn) için hedef boyutu 1.5 mm olur Lazer Tarama Teknolojisi- Prof. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 33

34 Atım (pulse) lazer ölçme prensibi Lazer Tarama Teknolojisi- Prof. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 34

35 CW (Continuous wave)lazer Lazer Tarama Teknolojisi- Prof. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 35

36 CW (Continuous wave)lazer ölçme prensibi t L T φ = 2π φ tl = nt + T 2π T: Lazer ışınından modüle edilmiş sin dalga periyodu, n: tam dalga sayısı Φ: faz farkı (yayılan ve alınan dalga) f: frekans, n=0 alınırsa; ct = φ 22π Mesafe çözünürlüğü; Lazer Tarama Teknolojisi- Prof. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 36 R c λ = ; R = f R max λ = max 2 R λ φ 4π = 1 c φ 4π f λ R = φ 4π

37 CW (Continuous wave)lazer ölçme prensibi Lazer Tarama Teknolojisi- Prof. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 37

38 CW (Continuous wave)lazer ölçme prensibi Lazer Tarama Teknolojisi- Prof. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 38

39 Tarama mekanizması & yer patterni Lazer Tarama Teknolojisi- Prof. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 39

40 Tarama mekanizması & yer patterni - Çoğu sistemler eşit açı artırımlı oscillating mirrors kullanır. - Tarama bölgesi kenarlarında bu yöntemde doğruluk kısmen kötüleşir. - Nokta yoğunluğu homojen değildir. Bazı detaylarda fazla bazı detaylarda ise az olabilmektedir. - Araziyi kaplama noktasında bazı boşluklar olabilir. Özellikle bindirme bölgelerinde. - Palmer taramada kenar bölgelerde nokta yoğunluğu fazla olmaktadır. Bu durum bindirmeli bölgelerin oluşmasına pozitif katkıda bulunur. Yani kolonların bindirilmesi ve bağlanmasını kolaylaştırır Lazer Tarama Teknolojisi- Prof. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 40

41 Örnek: Poligon aynalama (mirror) Lazer Tarama Teknolojisi- Prof. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 41

42 Fiber switch (TopoSys, Falcon) detay Lazer Tarama Teknolojisi- Prof. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 42

43 Örnek: Fiber tarama Lazer Tarama Teknolojisi- Prof. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 43

44 Lazer ışın divergensi (beam divergence) Lazer Tarama Teknolojisi- Prof. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 44

45 Lazer ışın gücü (power balance) Lazer Tarama Teknolojisi- Prof. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 45

46 Obje yansıtması Materyal ve Yansıtma Yüzdesi (%) (lazer=900 nm) Çam ağacı, temiz ve kuru 94 Kar Limontaşı kil 75 Yapraksız ağaç 60 İğne yapraklı ağaç 30 Karbonat kum (kuru) 57 Karbonat kum (ıslak) 41 Plaj kumu, çöl 50 Beton 24 Asfalt 17 Lav 8 Siyah lastik duvar Lazer Tarama Teknolojisi- Prof. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 46