ÖNSÖZ İstanbul Teknik Üniversitesi İnşaat Fakültesi Geomatik Mühendisliği Bölümü lisan programı bitirme projemizi yaparken, desteğini esirgemeyen, bilgi ve deneyimleriyle beni yönlendiren tez danışmanımyar. Doç. Dr. Zaide DURAN a ve Yar. Doç. Dr. Ahmet Özgür DOĞRU ya sonsuz teşekkürlerimizi sunarım Çalışmamım arazi çalışmaları ve sonrasındaki her adımda zaman ayırıp yardım ve desteklerini esirgemeyen Araş. Gör. Yüksek Müh. Umut AYDAR a çok teşekkür ederim. OCAK 2014 Cem Deniz ŞAHİN 1
İÇİNDEKİLER ÖZET 9 1. GİRİŞ... 6 1.1 Taşkın Sonucu Silindirik Objeler Etrafında Oluşan Toprak Hareketlerinin Lazer Tarama ile İzlenmesi ve Modellenmesi... 6 2. LAZER TARAYICI SİSTEMLER... 6 2.1 Lazer Tarayıcı Tanımı ve Teknolojisi... 6 2.2 Lazer Tarama Doğruluğu... 7 2.3 Lazer Tarayıcı Sistem Çeşitleri... 9 2.3.1 Uçağa Takılı Lazer Tarayıcı Sistemler... 9 2.3.2 Yersel Lazer Tarayıcı Sistemler... 11 2.3.2.1 Yersel Lazer Tarayıcı Sistem Bileşenleri... 12 2.3.2.2 Yersel Lazer Tarayıcıların Kullanım Alanları... 12 2.3.2.3 Yersel Lazer Tarayıcı Sistemlerin Çalışma İlkeleri... 13 2.3.2.3.1 Bir Lazer Işınının Gidiş Geliş Süresi ile Ölçme Yapanlar... 13 2.3.2.3.2 Faz Karşılaştırma Metodu ile Ölçme Yapanlar... 14 2.3.2.3.3 Triangulasyon Metodu ile Ölçme Yapanlar... 15 2
2.3.2.3.3.1 Tek Kamera Çözümü... 15 2.3.2.3.3.2 İki Kamera Çözümü... 15 2.3.3.4 Yersel Lazer Tarayıcı Nokta Bulutlarının Birleştirilmesi... 16 2.3.3.4.1 Iteratif En Yakın Nokta Yöntemi... 18 2.3.3.4.2 En Küçük Karelerle 3B Yüzey Eşleme Yöntemi... 18 2.3.3.4.3 Bağımsız Model Yöntemi... 18 2.3.3.4.4 Doğrudan Jeodezik Koordinatlı Ölçmeler Yöntemi... 19 3. BOYUTLU MODELLEME... 20 4. UYGULAMA... 21 4.1 Kullanılan Donanım ve Yazılım... 22 4.2. Çalışma Alanının Belirlenmesi ve Tarama İşlemi... 23 5. SONUÇ ve ÖNERİLER KAYNAKLAR... 53 3
KISALTMALAR CAD 3B GPS TLS CCD Computer Aided Design 3 Boyutlu Global Positioning System Terrestrial Laser Scanning Charged Coupled Device 4
ÖZET Bina, anıt, gibi mimari eserlerin yanı sıra yol, köprü v.b. mühendislik yapılarının 3 Boyutlu olarak belgelendirilmeleri geleneksek jeodezik ve fotogrametrik yöntemler ile yıllardır yapılmaktadır. Üretilen CAD verileriyle modelden bilgi elde etmek, modelleme ve düzeltmeler yapmak kolaydır. Günümüzde yersel lazer tarayıcı sistemleri ile ölçeğe bağlı kalınmaksızın modelleme yapılabilmektedir. Lazer tarayıcılar farklı platformlarda, tıbbi görüntülemeden, endüstriyel tasarıma, çarpışma testlerinden risk haritası üretimine kadar birçok farklı amaçlarla kullanılmaktadır. Bununla birlikte tarihi ve kültürel eserlerin belgelendirilmesi ve projelendirilmesinde günümüzde kullanılan jeodezik ve fotogrametrik yöntemlerle birlikte yersel lazer tarayıcılar geniş bir kullanım alanı bulmaktadır. Yersel lazer tarayıcılardan elde edilen nokta bulutları farklı amaçlar ile kullanılabilir. Nokta bulutlarının kaydedilmesi, birleştirilmesi, inceltilmesi, nokta boşluklarının doldurulması, filtrelenmesi ile nesnelerin 3 boyutlu modelleri oluşturulmaktadır. Oluşturulan bu modeller üzerinden, mühendislik uygulamaları için gerekli her türlü veriye ulaşılabilmektedir. Bu veriler sayesinde çok kısa sürede çalışılması zor olan objelerin 3 Boyutlu koordinatlı verileri elde edilmektedir. Ayrıca elde edilen noktaların renk değerlerinin bulunması ortamın modellenmesinde etkin bir rol oynamaktadır. Bu teknoloji ile yaptığımız uygulamada taşkın sonucu silindirik objeler etrafında oluşan toprak hareketini ve toprak yüzeyine yaptığı ekinin gözlemlenmesi ve modellenmesi amaçlanmıştır. 5
1. GİRİŞ 1.1 Taşkın Sonucu Silindirik Objeler Etrafında Oluşan Toprak Hareketlerinin Lazer Tarama ile İzlenmesi ve Modellenmesi Bina, anıt, gibi mimari eserlerin yanı sıra yol, köprü v.b. mühendislik yapılarının 3 Boyutlu olarak belgelendirilmeleri geleneksek jeodezik ve fotogrametrik yöntemler ile yıllardır yapılmaktadır. Üretilen CAD verileriyle modelden bilgi elde etmek, modelleme ve düzeltmeler yapmak kolaydır. Günümüzde yersel lazer tarayıcı sistemleri ile ölçeğe bağlı kalınmaksızın modelleme yapılabilmektedir. Lazer tarayıcılar farklı platformlarda, tıbbi görüntülemeden, endüstriyel tasarıma, çarpışma testlerinden risk haritası üretimine kadar birçok farklı amaçlarla kullanılmaktadır. Ayrıca bu teknoloji üç boyutlu modelleme teknolojisine de büyük katkı sağlamaktadır. Oluşturulan bu modeller üzerinden, mühendislik uygulamaları için gerekli her türlü veriye ulaşılabilmektedir. Bu uygulama da İTÜ Hidrolik Laboratuvarında hazırlanan deney ortamı sayesinde, taşkın sonucu silindirik objeler etrafında oluşan toprak hareketleri lazer tarama ile izlenmiş ve modellenmiştir, bu yapılan deney İnşaat Mühendisliği Bölümünün yaptığı çalışmalara da destekleyici bir uygulama sağlamıştır. 2. LAZER TARAYICI SİSTEMLER 2.1 Lazer Tarayıcı Teknolojisi Lazer teknolojisi alanındaki araştırmalar, 1960 yılından bu yana 40 yılı geçkin bir tarihe sahiptir. Yersel lazer tarama teknolojisinin bir ölçüm aracı olarak gerçekten bir araştırma alanı haline gelmesi sadece, bu son 10 yılda olmuştur. Tek renklilik, iyi kolimasyon, yüksek güç, kısa atımlar veya lazer ışığının ayarlanmasının muhtemelliği gibi lazer radyasyonunun belirli niteliklerinden dolayı ölçümler için kullanılan bu teknolojinin avantajı, daha yeni fark edildi. Hızlı ve minimum giderle, acilen bütün obje(3b model) hakkında eksiksiz 3 boyutlu geometrik ve görsel bilgiye ulaşmak lazer tarama teknolojileri ile olmaktadır. Örneğin geleneksel jeodezik ölçüm metotları, tüm yer ölçümü veya gerçek zamanlı GPS ölçümleri, objenin hızlı bir şekilde geometrik ve görsel bilgilerine ulaşmak için çok uygun değildir. Bunlar sadece tek tek nokta ölçümüne izin verir. Bu nedenle bu metotlar genellikle 6
yavaştır. Modern reflektörsüz total stationlar ve diğer gelişen teknolojilerde de nokta bazlı tarama fonksiyonları vardır. Fakat tarama süresinin fazlalığı, elde edilen nokta sayısının azlığı, taranan objenin gerçek modeline uygun nokta kümelerinin elde edilemeyişi, yersel lazer tarama teknolojisini ön plana çıkarmıştır. Dijital fotoğraflama metotları, özellikle kültürel miras kaydında ve mimari ölçümlerde etkili, ama hala bazı eksiklikleri vardır. İlk olarak modelin analiz edilebilmesinden önce, resim işleme ve yöneltme gereklidir. Buda bize gösteriyor ki datadan verimli bilgi alma yolu, tarama teknolojisine göre daha uzundur. İkincisi, çok elverişsiz dış koşullu ortamlar (yetersiz aydınlatma, toz vs.) için uygun değildirler. Bu nedenle, obje geometrisinin yüksek doğrulukla 3 boyutlu ölçümüne direkt izin veren başka bir tekniğin uygulanması gereğini getirmektedir. Böyle bir teknik 90 lı yılların sonu ve 2000 li yılların başında ortaya çıkmış ve buna Yersel Lazer Taraması (TLS - Terrestrial Laser Scanning) tekniği denilmiştir. Jeodezik ölçüm tekniği olarak TLS üzerine kapsamlı araştırma 2000 den sonra başlamıştır. Bugüne kadar son yedi yılda TLS alanında gerçek bir canlılık görülmüştür. 3D lazer tarayıcı teknolojisi, yeni teknoloji alanında yeni bir gelişim yönünün önünü açmıştır. Bu yüzden, birçok bilim adamı ve üretici firma, bu teknolojinin öneminin farkına varıp daha fazla ilgi duymaya başlamışlardır. Son yıllarda, bu konuyla ilişkili pek çok teknoloji ve ürünler piyasaya çıkmıştır. Bugünlerde, birçok şirket ve araştırma enstitüsü, bu teknoloji için araştırma yapmak ve sistemi geliştirmek ve 3B sisteminin yerini alabilecek kendi ürünlerini yaratabilmek için çok fazla para ve insan gücü sarf etmektedir. (Gümüş, K., Erkaya, H. 2007) 2.2 Lazer Tarama Doğruluğu Lazer tarayıcılarla ölçülen her nokta bulutu çok sayıda rastlantısal hata içerir. Bu hatalar; ışın yansıması ve ışın kalınlığından kaynaklanan ölçme sistemi hatalarıdır. Ölçüler jeodezik koordinat sistemine dönüştürülecekse bu hatalara dönüşümde kullanılan noktaların hataları da eklenmektedir. Taranan noktaların doğruluğunu tarayıcının açısal doğruluğu, mesafe doğruluğu, çözünürlüğü, kenar etkisi yani ışın kalınlığı, yansıyan sinyal gücü ile sıcaklık, atmosferik koşullar ve radyasyon gibi çevresel koşullar etkiler. 7
Lazer ışın kalınlığından dolayı obje kenarına çarpan ışının bir kısmı geri dönerken bir kısmı da diğer yüzeyden geri yansıyacaktır. Bu durumda aynı lazer ışını için iki farklı ölçü noktası elde edilecektir. Bu hata, lazer ışın kalınlığının azaltılması ile en aza indirilebilir. Tarayıcılardan gönderilen ve obje yüzeyinden dönen sinyaller kaydedilerek objenin gri tonlu yansıma görüntüleri oluşturulmaktadır. Yansıyan sinyalin gücü, yüzeyin parlaklığı, mesafe, atmosferik koşullar ve ışığın geliş açısına göre değişir. Beyaz yüzeylerden yansıma çok fazla olurken, siyah yüzeylerden yansıma çok az olmaktadır. Renkli yüzeylerde yansıma etkisi, lazer tarayıcının spektral özelliğine (yeşil, kırmızı, kızılötesi) bağlı olarak değişir. Atmosferik koşulların kısa mesafelerde etkisi çok azdır. Toz ve su buharı lazer ışın kalınlığından dolayı ölçüleri etkileyecektir. Bu hata obje kenarlarında lazer ışın kalınlığından dolayı kaçınılmaz olarak oluşan ölçü hatalarıyla aynı büyüklüktedir. Bu hatanın giderilmesi, ancak lazer nokta büyüklüğünün minimuma indirilmesiyle mümkündür. Bir lazer tarayıcı, ancak kendi çalışma sıcaklığında optimum olarak çalışır. Sıcaklık, kendi çalışma aralığında olsa bile mesafe ölçümünde etkili olabilir. Tarayıcının iç sıcaklığı, çalışma ve radyasyon nedeniyle dış sıcaklıktan bir miktar fazla olacaktır. Lazer tarayıcı aletlerin çoğu, çalışma sıcaklığı belirlenen aralığı aştığında otomatik olarak kapanmaktadır. Lazer tarayıcıların doğruluk araştırmasıyla ilgili pek çok metot geliştirilmiş ve sonuçları yayınlanmıştır. Doğruluk araştırması için en iyi test alanı ve programı Almanya da Mainz- Universty of Applied Sciences da geliştirilen test alanıdır. Bu test alanında değişik lazer tarayıcıların mesafe ve yansıma ölçümlerine ilişkin test sonuçları verilmiştir. Sonuç olarak, lazer tarayıcıların ölçü doğruluğu uzun mesafelerde (>1000m) 10cm, ışın yapısına bağlı olarak azalsa da kısa mesafelerde (<300m) ölçü hassasiyeti 1cm civarındadır ( Altuntaş, C., Yıldız F. 2008) 8
2.3 Lazer Tarayıcı Sistem Çeşitleri 2.3.1 Havadan Lazer Tarama (LİDAR) Lidar, İngilizce "Laser imaging detection and ranging" kelimelerinin baş harflerini içeren bir kısaltmadır. Çok farklı kullanım alanları olduğu gibi harita sektöründeki Havadan Lidar (Airborne Lidar) sistemi ile (Şekil1) uçuş yüksekliğine bağlı olarak dar veya geniş alanlarda şerit, uzun koridor alımlar için de kullanılır. Gelişen teknolojiye rağmen, gerek fotogrametride, gerekse uzaktan algılamada ortogörüntü üretiminde Yer Kontrol Noktaları önemini korumaktadır. Yer Kontrol Noktaları nın seçiminde noktanın niteliği, sayısı, dağılımı ve doğruluğu önemlidir. Havadan Lidar uygulamalarında ise Yer Kontrol Noktaları na gerek duyulmadan Global Positioning System/ Inertial Measurement Unit (GPS/IMU) sistemleriyle dış yöneltme gerçekleştirilmektedir (Topan ve diğerleri, 2007). Özellikle topoğrafyanın çok bozuk olduğu alanlarda tercih edilmektedir. Bu sistem ile yüzeylerin 3 boyutlu modellerinin çıkarılması da sağlanmaktadır Şekil 1 Lidar Sistem 9
Lidar sistemleri, yükseklik verisi toplamak için geleneksel yöntemlerden farklı birçok avantaj sunar. Güvenilir koordinat ve yükseklik bilgisi (XYZ) elde edilmesi, yüksek duyarlıkta düşey koordinat hassasiyeti, hızlı veri toplama/işleme, erişilemeyen noktalardan veri toplama özelliği, isteğe bağlı nokta yoğunluğu belirleyebilme özelliği, isteğe bağlı görüntü alanı seçebilme özelliği, batimetri topografya, kısa süreli çalışmalarda geniş alanlardan da fazla veri toplama ve sonuç ürün elde edebilme, özellikle tehlikeli bölgelerde veri toplama ve bitki örtüsüyle kapalı alanlarda yapraklara nüfuz etme imkanı ile daha hassas Sayısal Arazi Modeli (SAM) ve Sayısal Yükseklik Modeli(SYM) oluşturma gibi özellikleri nedeniyle özellikle büyük projelerde zaman/maliyet açısından tercih edilmektedir. Şekil 2 Havadan Lazer Tarama 10
2.3.2 Yersel Lazer Tarayıcı Sistemler Yersel lazer tarama, geleneksel ölçme teknikleri ile kıyaslandığında 3B nokta bilgilerinin çok yüksek hızla elde edilebildiği bir ölçme tekniğidir. Ölçme alanının 3B nokta bilgileri, nokta dizileri şeklinde yüksek doğrulukla ölçüle bilmektedir. Yersel lazer tarayıcılar pek çok ölçme uygulamasında, özellikle tarihi yapıların röleve çalışmalarında giderek artan bir oranda kullanılmaktadır. Yersel lazer ölçmelerinde temel büyüklük, alet ve ölçülen nokta arasındaki mesafedir. Lazer mesafe ölçümü için farklı teknikler kullanılmaktadır. Bunlar; üçgenleme, faz farkı ölçü mü, ışığının gidiş/dönüş zamanı ölçümü ya da puls metodudur. Yersel lazer tarayıcılarda, kısa zaman aralıklarıyla lazer pulslarının gönderilmesi ve ölçülmesi esasına dayanan puls metodu kullanılmaktadır (Lichti D.D. ve Gordon S.J. 2004). Sensör teknolojisi ve bununla ilgili yazılım araçlarındaki hızlı gelişme; mühendislik çalışmaları, tarihi ve kültürel eserlerin dokümantasyonu ve kent alanlarının 3B modellenmesi, madencilik çalışmaları, deformasyon analizi ve orman alanları ölçümü gibi pek çok alanda geometrik verilerin elde edilmesinde yersel lazer taramayı önemli bir yöntem haline getirmiştir. Yersel lazer tarama tekniklerinin ortaya çıkmasıyla birlikte; sensör modelleme, detay çıkarma, nokta bulutu (point cloud) oluşturma, veri birleştirme ve diğer pek çok alanda yeni araştırma alanları ortaya çıkmıştır. Yakın resim fotogrametrisi ve yeni bir teknoloji olan yersel lazer tarama tekniğinin birlikte kullanılması 3B model oluşturmada, obje sınıflandırmada ve sanal gerçeklik uygulamalarında yeni fırsatlar ortaya çıkarmıştır. Lazer tarama teknolojisi ve yakın resim fotogrametrisi, birbirini tamamlayıcı yöntemler olarak görülebilir. Örneğin, yersel lazer tarayıcılarla bir objenin 3B bilgileri çok yüksek çözünürlükte ve hızlı bir şekilde elde edilebilir. Aynı bilgiler yakın resim fotogrametrisi kullanılarak da elde edilebilir ancak, yakın resim fotogrametrisinde aynı bilgilerin elde edilmesi bir operatörün çok yoğun çalışmasını gerektirir. Yersel lazer tarayıcılar çok yüksek çözünürlükte değildir, oysa yakın resim fotogrametrisinde yüksek çözünürlüklü digital kameralar kullanılır. Yersel lazer tarayıcılar aletin kurulabildiği zemin noktasından belli yatay ve düşey açılar altında objeyi görüntüleyebilirken, kamera obje etrafında hareket ettirilerek objenin tamamı görüntülenebilir (Forkuo ve King 2004). 11
Lazer tarama işlemiyle elde edilen nokta bulutundan; temel ölçme verileri, ortofoto görüntüler, 2 veya 3 boyutlu çizimler, 3B animasyon, katı yüzey modelleri ya da doku giydirilmiş 3B modeller elde edilebilir. Etkin bir veri toplama tekniği olan lazer tarayıcılar hem ölçmecilere hem de bu ölçüleri kullananlara büyük kolaylıklar sağlar. 2.3.3.1 Yersel Lazer Tarayıcı Sistem Bileşenleri Bir yersel lazer tarayıcı sistemi (TLS) şu bileşenlerden oluşur: 1) Tarama ünitesi (tarayıcı ) 2) Kontrol ünitesi 3) Güç kaynağı 4) Tripod ve Sehpa Tarayıcı ünitesi, boyut olarak bildiğimiz ölçü aletlerinden daha büyük bir yapıdadır. Bir Yersel Lazer Tarayıcının öz bileşeni tarama ünitesidir. Bu bileşen basitçe direkt 3 boyutlu veri yakalamak için kullanılan sistemdir. Bir lazer tarama ünitesi iki bileşenden meydana gelir: - Lazer telemetresi (Lazer uzunluk ölçme sistemi ) - Lazer ışın saptırma ünitesi ( Optik mekaniksel tarayıcı ) (WEHR ve LOHR 1999 ). Şekil 3 Lazer tarayıcı bileşenleri 2.3.3.2 Yersel Lazer Tarayıcıların Kullanım Alanları 1. Projelerin sahaya uygunluğunun kontrolü, planlarla yapı ilerleyişinin karşılaştırılması ve kalite kontrolün sağlanması 12
2. Sanal planlama ve mevcut arazi ilişkilerini içeren mekânsal durumun analiz edilmesi (birleşik yapılar, çok katlı ulaşım merkezleri, alışveriş merkezleri, vb.) 3. Binaların, yapıların uygun bakımını sağlamak için, interaktif yapı incelemeleri, risk keşifleri ve çürüme kontrollerini amaç edinen yapı bilgi sistemleri kurulması. (Wunderlich, 2003). 4. Görsel 3D fabrika yaratmak için endüstriyel ortamların belgelenmesi, yani mevcut fabrika veya tesisin tam dijital modelinin elde edilmesi. Bir görsel 3D kurulumuyla, yeni ekipman programlanabilir ve üretim durumu gerekmeksizin çalışmalar devam edebilir. 3D model yardımıyla, değişiklikler nedeniyle eskiyen mevcut çizimleri, gerçeğe uygun olarak sağlamak mümkündür. 5. Bir ülkenin altyapı tesislerinin belgelemesi. Demiryolu, yol şebekesi, tüneller, köprüler, enerji hatları gibi hasar görmüş alanların teşhisi için olağan araştırma gerektiren değerlendirme yöntemleri için bir temel sağlar. Bu şekilde gerekli onarımlar gecikmesiz tamamlanabilir. 6. Taranacak obje ya da alanın deformasyon kontrolü sadece ayrık noktalar olmaksızın yersel lazer tarayıcılarla sıklıkla analiz edilebilir. Böylece yerel deformasyonlar ortaya çıkabilir. 7. Tarihi mirasın (kiliseler, kaleler, saraylar, vb.) detaylı durumu ve hasar değerlendirilmesi, bunların muhafazası için gerekli belgelendirmelerin yapılması, hasar ve yıkım durumunda gelecekte verilen herhangi bir zaman için restorasyonun sağlanması. Bu durumlarda, en narin yapılar ve detayları belgelendirilmelidir. Bu, ulusal anlamda kültürel miras bilgi sisteminin kurulması için daha fazla temel sağlayabilir. Doğru, gerçek, görsel 3B modeller sayesinde, internet aracılığıyla dünyadaki tüm insanlara tarihi miraslar sanal(sanal Turizm) olarak ziyaret ettirilebilir (Reshetyuk, 2005). 2.3.3.3 Yersel Lazer Tarayıcı Sistemlerin Çalışma İlkeleri 2.3.3.3.1 Bir Lazer Işınının Gidiş Geliş Süresi ile Ölçme Yapanlar 13
Bir lazer ışını nesneye gönderilir ve gönderici ile yüzey arasındaki mesafe, sinyal iletimi ile alımı arasındaki seyahat zamanı ile ölçülür. Bu prensip, total stationların çalışma prensibinden dolayı da iyi bilinir. Aslında, motor eksenli total station, tarama aleti olarak çalışmaya programlanabilir. Ölçüm oranları çok düşük olabilir, bununla birlikte aletin kütlesi nedeniyle eksen etrafındaki artan rotasyon basamakları yeterince hızlı değildir, sinyal süreci çok vakit alır ve açısal değerler kodlanmış çemberlerden zahmetli bir şekilde okunmalıdır. Tarayıcılar, lazer ışının açısal sapması için küçük dönüş aletleri kullanırlar ve uzunluk hesaplaması için basit algoritmalar kullanır. Uzaklık ölçümlerinin tipik standart sapmaları, birkaç milimetre olmaktadır. Uzaklıkların göreceli olarak kısa olmasından dolayı, bu doğruluk, tüm nesne alanı için hemen hemen aynıdır. 3D doğruluğu aynı zamanda, ışının açısal noktalama doğruluğundan etkilenir Şekil 4 Bir lazer ışınının gidiş geliş süresi ile ölçme işlemi. 2.3.3.3.2 Faz Karşılaştırma Metodu ile Ölçme Yapanlar Bu metot aynı zamanda yine total stationlar da bilindiği gibidir. Bu durumda, iletilmiş lazer, uyumlu bir dalgayla ayarlanmıştır ve mesafe iletilen ve alınan dalgalar arasındaki faz farkından hesaplanmıştır. Kullanıcıların bakış açısından bu metot, uçuş zamanı metodundan farkı yoktur. Daha karışık sinyal analizinden dolayı sonuçlar daha doğru olabilir. İyi tanımlanmış bir dönüş sinyaline ihtiyaç olduğu için, faz kıyaslama metodunu kullanan tarayıcılar, kısa uzunluklarda daha etkilidir (Boehler, W. and Marbs, A., 2002). 14
2.3.3.3.3 Triangulasyon Metodu ile Ölçme Yapanlar 2.3.3.3.3.1 Tek Kamera Çözümü Bu tarayıcı basit bir ışın yayma düzeneğinden oluşur. Bu alet, mekanik aletin bir ucundan nesneye olan artan değişen açılarla ve lazer noktalarını sezen bir CCD kamerasıyla lazer ışınını gönderir. Yansıtıcı yüzey elementlerinin 3D pozisyonları, sonuç üçgeninden elde edilir. Bu prensip, menzil bulucuların kullanıldığı araştırmada önceliklere sahiptir. Bu açıdan, alet ve nesne arasındaki menzilinin doğruluğu mesafe alanıyla birlikte iyi bilinir. Açıkça, uygulamayla ilgili sebeplerden dolayı, temel uzunluk isteğe bağlı olarak arttırılamaz. Bu tarayıcılar, uzaklık tarayıcılarından daha doğru olan durumlarda, kısa mesafeleri ve küçük nesneler için önemli bir rol oynar. (Boehler, W. and Marbs, A., 2002). Şekil 5 Tek kamera çözümü. 2.3.3.3.3.2 İki Kamera Çözümü Triangulasyon prensibinin bir değişkeni, iki CCD kamerası kullanımıdır. İncelenecek nokta ya da bölge, hiçbir ölçme fonksiyonu olmayan ayrı bir ışık projektörüyle üretilir. Çözümlerin geniş bir değişikliği görülebilir. Projeksiyon, hareket eden şerit bölümlerinin bir ışık çizgisinden oluşur. Geometrik çözüm, tek kamera prensibiyle aynıdır, aynı doğruluk sonuçlarını oluşturur. İki kamera kullanan aletlerin tümü yüksek oranlar sağlamaz ve gerçek zamanlı 3D koordinatları üretmezler. Bununla birlikte, eğer yüksek nokta oranları ve gerçek zaman süreci sağlanırsa, bu aletler, yukarıda belirtilen tarama aletlerine bir alternatif olarak görülebilir. (Boehler, W. and Marbs, A., 2002). 15
Şekil 6 İki kamera çözümü. 2.3.3.5 Yersel Lazer Tarayıcı Nokta Bulutlarının Birleştirilmesi Lazer tarayıcılarla binaları, tarihi eserleri ya da başka alanları tümüyle görüntüleyebilmek için değişik noktalardan çok sayıda tarama yapılır. Her bir taramadan elde edilen nokta bulutunun koordinatları, tarayıcı alet merkezli lokal koordinatlardır. Objenin 3B modelini oluşturmak için bütün nokta bulutları, seçilen referans koordinat sisteminde birleştirilmelidir. Genellikle ilk taramanın koordinat sistemi referans olarak alınır. Bu durumda ilk taramadan sonraki taramaların referans koordinat sistemine 3B dönüşümlerinin yapılması gerekir. Nokta bulutları jeodezik koordinat sistemine dayalı olarak da birleştirilebilir. Bunun için birleştirme ya doğrudan jeodezik koordinat sisteminde yapılır ya da nokta bulutu içerisinde yeterli sayıda nokta tanımlanarak jeodezik koordinat sistemine dönüşüm yapılır. Jeodezik koordinatlar sayesinde yersel lazer tarayıcı nokta bulutlarının farklı yöntemlerle elde edilmiş veri kümeleri ile entegrasyonu da kolay olacaktır. 16
Nokta bulutlarının referans koordinat sisteminde birleştirilmesi aşağıdaki yöntemlerin birisiyle yapılabilir: 1. Iteratif en yakın nokta (Iterative closest point) yöntemi 2. En küçük karelerle 3B yüzey eşleme (Least square 3D matching) yöntemi 3. Bağımsız model yöntemi (Independent model triangulation) 4. Doğrudan jeodezik koordinatlı ölçmeler (Direct georeferencing) dir 17
Şekil 7 Yersel lazer tarayıcı nokta bulutlarının birleştirilmesi. 2.3.3.5.1 Iteratif En Yakın Nokta Yöntemi Bu yöntemi Besl ve Mckay (1992) ve Zhang (1994) tarafından geliştirilmiş ve bugüne kadar yöntemi geliştirecek çok sayıda çalışma yapılmıştır. Yöntemin farklı veri kümelerine farklı şekillere uygulanmasını içeren değişik türleri bulunmaktadır. Bu yöntemde nokta bulutları arasındaki 3B dönüşüm parametreleri itratif olarak bulunur. Yöntem, referans nokta kümesi (M) ve araştırma nokta kümesi (N) aynı ölçekli kabul edilerek dönüşüm parametrelerinin en yakın nokta çiftleri bulunması temeline dayanır. Yöntem, yaklaşık yöneltmesi yapılmış nokta bulutlarının dönüşüm parametrelerinin hesaplanmasında en çok kullanılan yöntemdir. Yoğun hesaplama gerektirmesine rağmen kolay uygulanabilmesi ve yüksek doğrulukta sonuç vermesi nedeniyle lazer taramalarının eşleştirilmesine yaygın olarak kullanılmaktadır. 2.3.3.5.2 En Küçük Karelerle 3B Yüzey Eşleme Yöntemi En küçük karelerle 3B görüntü eşleme metodu, 2B görüntü eşleme algoritmasının genişletilerek 3B yüzeylerin eşlenmesinde kullanılması şeklinde geliştirilmiştir. 2.3.3.5.3 Bağımsız Model Yöntemi Bu yöntemde nokta bulutları ölçme işleminin amacına bağlı olarak önceden tanımlı yersel koordinat sisteminde, ya da lazer taramalarının referans alınan birisinin koordinat sisteminde 18
birleştirilir. İlk durumda, bütün taramalarda yer kontrol noktalarının bulunması gerekir. Yer kontrol noktalarının kullanımı farklı zamanlarda yapılan lazer taramalarının birleştirilmesini, lazer noktalarının doğruluğunun artırılmasını, fotogrametrik ve topoğrafik ölçülerin bu ölçülerle birleştirilmesini sağlar. Yer kontrol noktaları aynı zamanda bağlama noktalarının uygunsuz dağılımından ve ölçü metodundan kaynaklanan dönüşüm hatalarını da azaltır. Bütün modellerin yer kontrol noktalarına dayalı olarak koordinatlandırılması ölçü süresi ve maliyetini artıracağından lazer tarayıcıların kullanım avantajlarına da aykırı olacaktır. Bu nedenle nokta bulutlarının referans koordinat sisteminde birleştirilmesi için bağımsız model yöntemi geliştirilmiştir. Bağımız model yöntemi, hava nirengisi hesaplamalarında kullanılan bağımsız modeller yöntemine benzer olarak, farklı noktalardan alınan bütün 3B modellerin eş zamanlı dengelenmesi şeklindedir. Bağlama noktaları iki komşu modelin birbirine göre dönüklük ve ötelenmelerinin hesaplanmasını sağlarken, yer kontrol noktaları modellerin verilen referans sistemine oturtulmasını sağlar. 2.3.3.5.4 Doğrudan Jeodezik Koordinatlı Ölçme Yöntemi Diğer yöntemlerin teknik, ekonomik ya da operasyonel nedenlerden dolayı uygulanamadığı durumlar için doğrudan jeodezik koordinatlı ölçüm yöntemi geliştirilmiştir. Bu bağlamda doğrudan jeodezik koordinatlı ölçü yapmayı gerektiren durumlar aşağıdaki gibi sınıflandırılabilir. 1. Objenin geometrik şekli ve boyutları nedeniyle yer kontrol noktası tesisi mümkün olmayan ya da yer kontrol tesisinin çok pahalı olduğu geniş alanların ölçümünde (tünel, yol vb.), 2. Planlama ya da şehir modelleme amaçlı düşük doğruluklu olarak geniş alanların 3B görüntülenmesi uygulamalarında, 3. Yer kontrol noktası tesisinin çok zor ya da mümkün olmadığı durumlarda(altuntaş, C., Yıldız, F., 2008). Tünel,yol maden işletmesi gibi çok büyük ve genellikle lokal kontrol imkanı dahi olmayan alanlarda taramalarının referans olarak seçilen bir taramanın koordinat sisteminde 19
birleştirilmesi durumunda oluşacak model çok sayıda sistematik hata içerecektir. Bu sakıncayı gidermek için lazer tarayıcıdan elde edilen 3B model koordinatları jeodezik koordinatlara dönüştürülebilir. Bu ise çok sayıda yer kontrol noktası tesisini ve ölçüsünü gerektirecektir. 3. BOYUTLU MODELLEME Üç boyutlu modelleme için kullanılan yöntemler, tamamen mesleki olan jeodezik ve fotogrametrik çalışmaları içeren klasik yöneltme, değerlendirme ve çizim aşamalarından oluşur. Jeodezik koordinatlandırma çalışmalarının ardından objelerin yerden ya da havadan fotogrametrik resimlerinin çekilmesi veya uydu görüntülerinin sağlanması ile başlayan süreç, üç boyutlu sayısal yüzey modelleri ve üzerindeki detayların üç boyutlu olarak konumlandırılması ile üç boyutlu şehir modellerinin oluşturulması için altlıkların hazırlanması ile tamamlanır. Üç boyutlu modelleme içinde en önemli konulardan birisi de sayısal arazi modellerinin elde edilmesidir. Fotogrametrik yöntemlerle elde edilen sayısal arazi modellerinin yanında, bu iş için özellikle üretilen yazılımlar kullanılarak bir fonksiyon yardımı ile otomatik ya da yarı otomatik sayısal arazi modeli üretimi yapılmaktadır. Üç boyutlu şehir modellerinde, gereksiz bina detayı olarak kabul edilen objeler (balkon, saçak vb.) üç boyutlu olarak çizilemeyen detaylardır. Bunlar daha sonra üç boyutlu olarak çizilen binaların çatı konumlarından, otomatik veya otomatik olmayan yöntemler ile bina hatlarının sayısal yüzey modeline kadar indirilmesi ile tamamlanır. Bu detaylar modellerin çiziminde ihmal edilir. Ancak istendiği takdirde çeşitli animasyon teknikleri ile resimler yardımı ile görsel etki olarak ifade edilebilir. (Ergün, B. 2003) 20
Şekil 8 3 Boyutlu modelleme örneği. Şekil 9 3 Boyutlu bina modeli ve kaplanması. 4. UYGULAMA Büyük bir hızla gelişen teknoloji hayatımızı kolaylaştırmakta ve teknolojinin bize sunduğu imkanlar sayesinde klasik ölçme yöntemleri yerini son yıllarda büyük önem kazanan lazer teknolojisine, lazer taramasına bırakmıştır. Lazer tarama ile ölçme yöntemlerinin klasik ölçme yöntemlerine göre daha pratik, daha doğru, zaman ve verilerin işlenilebilirliği açısından daha verimli oluşu bu teknolojiyi günden güne öne geçirmekte ve bu teknolojiye olan ilgi ve talebi artırmaktadır Ayrıca bu teknoloji üç boyutlu modelleme teknolojisine de büyük katkı sağlamaktadır. Oluşturulan bu modeller üzerinden, mühendislik uygulamaları için gerekli her türlü veriye ulaşılabilmektedir. 21
Öncelikle bu konu üzerinde araştırma yapılmasının sebebi, taşkın sonucunda ağaç gibi doğal objeler etrafında oluşan değişimleri gözlemek için yapılan deney düzeneklerinde ve modellemelerinde genellikle silindirik objeler kullanılmaktadır bu çalışmalar sonucunda da çeşitli sonuçlar elde edilip işlemler yapılmaktadır. Yapılan bu uygulamada taşkın sonucunda silindirik obje ve ağaç etrafındaki toprak hareketinin farklı olduğunu göstermek amaçlanmıştır Bu anlamda da çalışmanın ilk adımı olarak silindirik obje etrafında oluşan değişimleri lazer tarama ile belirlendi ve modellendi. Uygulama kısmında da bu işlem adımlarından bahsedilmiştir. 4.1 Kullanılan Donanım ve Yazılım Uygulama kapsamında Leica ScanStation C10 yersel lazer tarayıcı ve kişisel bilgisayarlar kullanılmıştır. Şekil 10 Leica ScanStation C10 22
Uygulamada Leica Cyclone ve Geomagic yazılımları kullanılmıştır. 5.2.1 Çalışma Alanının Belirlenmesi ve Tarama İşlemi Uygulama alanı olarak İTÜ İnşaat Fakültesi, İnşaat Mühendisliği Bölümü Hidrolik Laboratuvarı seçilmiş ve deney düzeneği hazırlanmıştır. Deney düzeneği içi kumla dolu olan bir havuzdan oluşmakta ve içindir metal silindirik bir obje bulunmaktadır. Tarama işlemi için objenin ön ve arka tarafı olmak üzere iki kez alet kurulmuştur. Ölçme aletinin için havuzun sağ ve sol kenarına reflektör yerleştirilmiştir. Ayrıca bu reflektörler nokta bulutlarının birleştirilmesinde de kullanılmıştır. Birleştirme işlemi için tercih ettiğimiz yöntemde uygun dağılımlı en az üç farklı nokta seçilmesi gerekmektedir. Bu amaçla iki tanesi reflektörlerin merkez noktaları, diğer noktalar ise her iki taramada da görünen ortak noktalardan seçilmiştir. 23
Şekil 11 Deney Düzeneği Düzenekte silindir objenin bulunduğu bir toprak havuz hazırlanmış, ve taşkından önce ilk tarama işlemi yapılmış, daha sonra taşkın sonucu oluşan değişimi gözlemleyebilmek için ikinci tarama gerçekleştirilmiştir. 24
Şekil 12 İlk Durum 25
Şekil 13 İlk Durum 26
Şekil 14 İkinci Durum Taşkın Sonrası 27
Şekil 15 İkinci Durum Taşkın Sonrası 28
Toplamda iki cepheden dört kez alet kurularak gerçekleştirilen taramalar sonucunda uygulaması yapılan deney için dört adet nokta bulutu verisi ede edilmiştir. Şekil 16 Nokta Bulutu Olarak, Ölçüm Yapılan Deney Düzeneği Ölçümlerden sonra bilgisayar ortamında kullanılan Cyclone yazılımı ile öncelikle taşkın olmadan düzeneğin iki tarafından ölçülen veriler birleştirildi, daha sonra taşkın sonucu oluşan değişimi gösteren iki nokta bulutu birleştirildi ve sonrasında da taşkın öncesi ve sonrasını gösteren birleştirilmiş nokta bulutları üzerinden farkları gözlemleyebilmek için tekrar birleştirme işlemi uygulandı (Şekil 16). 29
Şekil 17 Birleştirme İşlemi Örneği Daha sonra nokta bulutlarının üzerine yüzey geçirme işlemi yapıldı. Geomagic programı kullanılarak yapılan bu işlemde, oluşan değişim oldukça net bir şekilde gözlendi. Şekil 18 Yüzey Geçirme 30
Şekil 19,20 ve 21 de taşkın öncesi yapılan ölçüm sonucu oluşan nokta bulutlarına yapılan yüzey geçirme işlemi sonucu birkaç örnek gösterilmiştir. Şekil 19 Şekil 20 31
Şekil 21 32
Şekil 22, 23, 24 ve 25 te taşkın sonrası yapılan ölçüm sonucu oluşan nokta bulutlarına yapılan yüzey geçirme işlemi sonucu birkaç örnek gösterilmiştir. Değişim oldukça net bir şekilde görülmektedir. Şekil 22 33
Şekil 23 34
Şekil 24 Şekil 25 Şekil 25 te meydana gelen çökmenin alttan görünüşü gösterilmiştir. 35
Şekil 26, 27 ve 28 de iki ölçme sonucunda değişimi gözlemleye bilmek için aynı konumda iki ölçümün üst üste getirilmesi işlemi sonucu ortaya çıkan Geomagic programı görüntülerinden örnekler verilmiştir. Şekil 26 36
Şekil 27 Şekil 28 37
Şekil 29 Birbirleri arasındaki yükseklik değişimlerini göstermek için, belli bir aralıkta farklı yüksekliklere farklı renkler atanarak, temel bir yükseklik modeli oluşturuldu. Şekil 29, 30 ve 31 de bununla ilgili örnekler verilmiştir. 38
Şekil 30 Şekil 31 39
Yapılan bu işlemlerden sonra yüzey geçirilen nokta bulutları tekrar Cyclone programında matematiksel olarak yorumlayabilmek için hacim hesaplama işlemleri yapıldı. Hacim hesaplama işlemi yapılırken kullanılan yüzeyler şekil 32, 33,34, 35 ve 36 te gösterilmekte şekil 37, 38, 39,40 ve 41 da ise iki ölçüm arasındaki oluşan farklar gösterilmektedir. Şekil 32 Taşkın Öncesi 40
Şekil 33 Taşkın Öncesi Şekil 34 Taşkın Sonrası 41
Şekil 35 Taşkın Sonrası Şekil 36 Taşkın Sonrası 42
Şekil 37 Taşkın Öncesi ve Sonrasının Birleşimi Şekil 38 Taşkın Öncesi ve Sonrasının Birleşimi 43
Şekil 39 Taşkın Öncesi ve Sonrasının Birleşimi Şekil 40 Taşkın Öncesi ve Sonrasının Birleşimi 44
Şekil 41 Taşkın Öncesi ve Sonrasının Birleşimi 5.SONUÇ ve ÖNERİLER Giriş kısmında da belirtildiği gibi son yıllarda oldukça gelişen bu teknoloji sayesinde, yapılan mühendislik ölçmeleri kolaylaşmıştır. Bu uygulamada da lazer tarayıcı kullanarak zaman ve iş gücü açısından oldukça tasarruf sağlanmıştır. Taşkın sonucu oluşan toprak hareketleri oldukça kolay bir şekilde modellenmiştir. Yapılan bu uygulamanın devamında amacımızda belirttiğimiz gibi, ağaç vb. doğal silindirik objelerin etrafında oluşacak olan değişimler de gözlenip, iki ölçmenin aslında farklı sonuçlar doğurduğunu ortaya koymaktır. Yapılan bu uygulama sadece küçük bir bölgeyi kapsamaktadır, daha büyük alanlar için havadan lazer tarama işlemlerinin tercih edilmesi daha akıllıca bir sonuç oluşturacaktır. Kullanılan yazılımlardan verimli sonuçlar elde edilmiştir. Buna benzer gelecek uygulamalarda da bu yazılımların kullanımı tercih edilebilir. 45
KAYNAKLAR Mettenleiter, M., 2000. Imaging Laser Radar for 3DModelling of Real World Environments. Internat. Conference on OPTO/IRS2/MTT. Erfurt, Germany, May 9 11. Boehler, W. and Marbs, A., 2002. 3D Scanning Instruments. In Proceedings of International Workshop on Scanning for Cultural Heritage Recording Complementing or Replacing Photogrammetry. Corfu, Greece, September, 1 2. Boehler, W. and Marbs, A., Investigating Laser Scanner Accuracy - Institute for Spatial Information and Surveying Technology, FH Mainz, University of Applied Sciences, Mainz, Germany Reshetyuk, Yuriy, 2005 Investigation and calibration of pulsed time-of-flight terrestrial laser scanners Department of Transport and Economics Division of Geodesy 100 44 Stockholm http://www.3dlasermapping.com Gümüş, K.,Erkaya, H. 2007 TMMOB Harita ve Kadastro Mühendisleri Odası 11. Türkiye Harita Bilimsel ve Teknik Kurultayı 2 6 Nisan, Ankara Altuntaş, C., Yıldız F., Yersel Lazer Tarayıcı Ölçme Prensipleri ve Nokta Bulutlarının Birleştirilmesi http:// www.riegl.co.at Wehr, A. and Lohr, U., 1999. Airborne laser scanning an introduction and overview. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing http://www.isprs.org http://www.leica.com Gümüş, K., Erkaya, H., Tunalıoğlu, N. 2009 TMMOB Harita ve Kadastro Mühendisleri Odası 12. Türkiye Harita Bilimsel ve Teknik Kurultayı 11 15 Mayıs, Ankara 46
Wunderlich, T. A., 2003. Terrestrial Laser Scanners an Important Step towards Construction Information. In Proceedings of FIG Working Week. Paris, France, April 13 17. Lichti D.D. ve Gordon S.J. 2004 Error Propagation in Directly Georeferenced Terrestrial Laser Scanner Point Clouds for Cultural Heritage Recording, Proceedings of FIG Working Week, s.on CD, Athens, Greece, 22-27 Forkuo E.K. ve King B. 2004 : Automatic Fusion of Photogrammetric Imagery And Laser Scanner Point Clouds, ISPRS XXth Congress, Commission 4, s.921-926, İstanbul, 12-23 47