Endüstriyel Fotog. (LTT) (2013-14 BYY) 16.04.2014 Endüstriyel Fotogrametri (LTT)- Doç. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 1
Ders Planı ve İçeriği 16.04.2014 Endüstriyel Fotogrametri (LTT)- Doç. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 2
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. http://home.iitk.ac.in/~blohani/ www.google.com.tr (anahtar kelime: LiDAR, laser scanning) www.isprs.org MATLAB, ENVI, FugroViewer, Fusion, LASTools. vb. yazılımlar Ders Değerlendirme Değerlendirme Takvimi Etkinlik Sayı Katkı Oranı Açıklama Tarih Saat Yeri Ara Sınav 1 % 20...04.2014 08 00 D-407 Kısa Sınav - - - - - Yarıyıl Sonu Sınavı 1 % 60...06.2014 08 00 D-407 Ödev 2 % 20 Oda 216 16.04.2014 Endüstriyel Fotogrametri (LTT)- Doç. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 3
Lazer Tarama Teknolojisi: Tarihi süreç İlk optik lazer 1960 da geliştirildi (Maiman, USA). İlk hava lazer mesafe ölçeri 1960 da geliştirildi. 1970 lerde Kuzey Amerikada hidrografik ve batimetrik ilk uygulamalar yapıldı. 1980 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. 1996 ISPRS kongresinde (Viyana) ilk defa bir firma ALS (Airborne Laser Scanning) i tanıttı. 1996-2000 döneminde ISPRS Çalışma Grubu ve OEEPE (EuroSDR) Çalışma Grupları kuruldu. 2000 den ititbaren yoğun ve geliştirilmek suretiyle kullanılmaya başlandı, özellikle 2006 sonrası waveform digitizing (ful dalga tarama) metodu geliştirildi. Genelde lazer tarama için LiDAR terimi kullanılır: Light Detection And Ranging (LiDAR) 16.04.2014 Endüstriyel Fotogrametri (LTT)- Doç. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 4
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). 16.04.2014 Endüstriyel Fotogrametri (LTT)- Doç. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 5
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). 16.04.2014 Endüstriyel Fotogrametri (LTT)- Doç. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 6
LiDAR (ALS) Temel Bileşenler 16.04.2014 Endüstriyel Fotogrametri (LTT)- Doç. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 7
LiDAR (ALS) Temel Bileşenler GPS yer istasyonu ile uçak arasında kesin bir uzaklık söz konusu olmayıp, arazi topografyası ve görülebilen uydu sayısına göre bu uzaklık 10-50 km arasında değişebilmektedir. 16.04.2014 Endüstriyel Fotogrametri (LTT)- Doç. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 8
Platformlar -Hava (Aerial) Genelde uçak ve helikopter, IHA (İnsansız Hava Aracı, UAV) veya balon. -Yersel (Terrestrial) - Uydu (Satellites) 16.04.2014 Endüstriyel Fotogrametri (LTT)- Doç. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 9
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 16.04.2014 Endüstriyel Fotogrametri (LTT)- Doç. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 10
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. 16.04.2014 Endüstriyel Fotogrametri (LTT)- Doç. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 11
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.) 16.04.2014 Endüstriyel Fotogrametri (LTT)- Doç. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 12
Lazer echo sayısı 16.04.2014 Endüstriyel Fotogrametri (LTT)- Doç. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 13
ALS: Lazer ışını Spektral Özellikleri - Genellikle kullanılan lazer: Nd:YAG = neodymiumdoped yttrium aluminium garnet -1064 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 0.1-0.5 nm aralığındadır. 16.04.2014 Endüstriyel Fotogrametri (LTT)- Doç. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 14
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 (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. 16.04.2014 Endüstriyel Fotogrametri (LTT)- Doç. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 15
Atım (pulse) lazer EJ ( ) P( W ) = ; Watt = Joule / sn t( sn) 16.04.2014 Endüstriyel Fotogrametri (LTT)- Doç. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 16
Atım (pulse) lazer ölçme prensibi R c = tl 2 R: nesne ile lazer ünite arasındaki mesafe, c: ışık hızı (300.000 km/h) t L : lazer seyahat süresi c R = t 2 L ΔR: mesafe çözünürlüğü Δt L : ölçü aleti zaman çözünürlüğü 16.04.2014 Endüstriyel Fotogrametri (LTT)- Doç. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 17
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. 16.04.2014 Endüstriyel Fotogrametri (LTT)- Doç. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 18
Atım (pulse) lazer ölçme prensibi 16.04.2014 Endüstriyel Fotogrametri (LTT)- Doç. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 19
CW (Continuous wave)lazer 16.04.2014 Endüstriyel Fotogrametri (LTT)- Doç. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 20
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 R ct = φ 22π c λ = ; R = f Mesafe çözünürlüğü; R unamb λ = 2 R λ φ 4π = 1 c φ 4π f λ R = φ 4π 16.04.2014 Endüstriyel Fotogrametri (LTT)- Doç. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 21
CW (Continuous wave)lazer ölçme prensibi 16.04.2014 Endüstriyel Fotogrametri (LTT)- Doç. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 22
CW (Continuous wave)lazer ölçme prensibi 16.04.2014 Endüstriyel Fotogrametri (LTT)- Doç. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 23
Tarama mekanizması & yer patterni 16.04.2014 Endüstriyel Fotogrametri (LTT)- Doç. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 24
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. 16.04.2014 Endüstriyel Fotogrametri (LTT)- Doç. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 25
Örnek: Poligon aynalama (mirror) 16.04.2014 Endüstriyel Fotogrametri (LTT)- Doç. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 26
Fiber switch (TopoSys, Falcon) detay 16.04.2014 Endüstriyel Fotogrametri (LTT)- Doç. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 27
Örnek: Fiber tarama 16.04.2014 Endüstriyel Fotogrametri (LTT)- Doç. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 28
Lazer ışın divergensi (beam divergence) 16.04.2014 Endüstriyel Fotogrametri (LTT)- Doç. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 29
Lazer ışın gücü (power balance) 16.04.2014 Endüstriyel Fotogrametri (LTT)- Doç. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 30
Obje yansıtması Materyal ve Yansıtma Yüzdesi (%) (lazer=900 nm) Çam ağacı, temiz ve kuru 94 Kar 80-90 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 2 16.04.2014 Endüstriyel Fotogrametri (LTT)- Doç. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 31
16.04.2014 Endüstriyel Fotogrametri (LTT)- Doç. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 32
16.04.2014 Endüstriyel Fotogrametri (LTT)- Doç. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 33
16.04.2014 Endüstriyel Fotogrametri (LTT)- Doç. Dr. Fevzi Karslı Sayfa 34