OPTECH ILRIS 3D LAZER TARAYICISI İLE FARKLI MESAFELERDEN ELDE EDİLEN YÜZEYLERİN DOĞRULUKLARININ ARAŞTIRILMASI K. GÜMÜŞ 1, H.ERKAYA 2 1 Niğde Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Harita Mühendisliği Bölümü, Ölçme Tekniği Anabilim Dalı, Niğde, kgumus@nigde.edu.tr 2 Okan Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Geomatik Mühendisliği Bölümü, İstanbul, halil.erkaya@okan.edu.tr Özet Mühendislik Ölçmeleri uygulamalarında ve projelerinde, konumun, boyutların, şeklin sayısal ortamda kayıt edilmesi, belgelenmesi ve verilerin analizi temel işlem adımlarıdır. Gelişen üç boyutlu ölçme yöntemleriyle, planın tamamının veya bir bölümünün verileri doğrudan elde edilebilmektedir. 3 boyutlu ölçüm yapabilmek için birçok yöntem vardır. Günümüzde jeodezik ölçüm tekniği olarak kullanılan yersel lazer tarayıcılar üzerine kapsamlı araştırmalarda ciddi gelişmeler görülmüştür. Birçok ölçme çalışmalarında yersel tarayıcıların kullanılması ve bir sektör haline gelmesi, lazer tarayıcıların önemini vurgulamaktadır. Bu çalışmanın amacı, Optech ILRIS 3D lazer tarayıcısı ile farklı mesafelerden elde edilen yüzey doğruluklarının araştırılması üzerinedir. Bu çalışma, YTÜ Davutpaşa Kampüsünde bulunan 300 m uzunluğundaki EDM Kalibrasyon bazında gerçekleşmiştir. EDM Kalibrasyon bazında sırasıyla 40, 120, 220, 280 ve 300 m uzaklıktaki pilye noktalarından yersel lazer tarama ile elde edilen farklı objelere ait yüzey modellerinin doğruluğu, Leica TPS 1201+ Total station ile elde edilen yüzey modelleri ile karşılaştırılmıştır. Yüzey olarak boyutları 104.5*104.5 cm olan kare şeklindeki alüminyum obje ile 1 m çapında çanak şeklindeki bombeli obje kullanılmıştır. Bu objeler, doğrusal hareket sağlayan özel tasarlanan bir aparat üzerine monte edilerek, EDM pilyeleri üzerine merkezlendirilmiştir. Taranan objeye ve farklı mesafelere bağlı yüzey modellerinin doğruluklarının değiştiği belirlenmiştir. Anahtar Kelimeler: Yersel lazer Tarayıcı, yüzey modelleri, doğruluk, karşılaştırma Abstract THE INVESTIGATIONS OF SURFACE ACCURACIES OBTAINED FROM DIFFERENT DISTANCES WITH OPTECH ILRIS 3D LASER SCANNER The position, dimension, recorded in the form of digital media, documentation, and analysis of data are fundamental process steps in the Engineering Surveying applications and projects. The entire plan or a portion of the data can be obtained directly by a developing three-dimensional measuring method. There are many methods to make three-dimensional measurements. Nowadays the extensive research on terrestrial laser scanners used as geodetic measurement technology has seen significant developments. The use of terrestrial scanner and being a sector in many measurement studies emphasize the importance of laser scanners. The aim of this study is to investigate the surface accuracies obtained from different distances with Optech ILRIS 3D laser scanner. This work has been realized on the base of EDM calibration in 300 m length in YTÜ Davutpaşa Campus. The accuracy of the surface model of the different objects obtained by terrestrial laser scanning was compared with the surface model obtained by Leica TPS 1201+ Total station from the bent bar points away from respectively 40, 120, 220, 280 and 300 m in the EDM Calibration Base. Square-shaped aluminum
2 objects with dimensions of 104.5 * 104.5 m and curved bowl-shaped object 1 m in diameter is used as a surface. These objects mounted on a specially designed apparatus providing linear motion, it is centered on the EDM bent bars points. The change of accuracy of surface models was determined depending on scanned objects and different distances. Keywords: Terrestrial laser scanner, surface models, accuracy, comparison. 1. Giriş Günümüzde, Yersel lazer tarama (TLS - Terrestrial Laser Scanning / Scanner) uygulamaları, dünyada ön plana çıkmaya ve hızla gelişmeye başlamıştır. Yersel lazer sistemlerinden elde edilen bilgiler gerçek ile uyumludur. 3 boyutlu geometrik ve görsel bilgiler, hızlı olarak lazer tarama sistemleri ile elde edilmektedir. TLS ile ulaşılması zor, tehlikeli obje ve alanlardaki tüm detaylar tek seferde toplanabilmektedir. Teknoloji ve bilgisayarlardaki gelişmeler, bilgi edinimi hızı, menzil doğruluğu ve güvenirliği, boyut ve maliyet azalması vb. etkiler TLS nin kullanımını gittikçe artırmaktadır. Bilimsel amaçlı araştırmalar için yapılan çalışmalar, doğruluk ve duyarlılık üzerine yoğunlaşarak yürütülmektedir. Bu araştırmaların çoğu, tarayıcı obje arasındaki mesafenin etkisi, lazer ışınının geliş açısı, taranan obje veya nesnenin rengi ve malzemenin cinsi, lazer ışınının dönüş yoğunluğu ve ışın uzaklaşması üzerinedir. TLS üzerine yapılan birçok akademik ve bilimsel araştırma, yayın ve bu konu hakkında bilinen birçok kitap vardır. Lazer uzunluk ölçme teknolojisinin teorik temelleri Ready (1978), Hovanessian (1988), Jelalian (1992), Marshall (1985), Hebert ve Krotkov (1985), Resthetyuk (2006) da açıklanmıştır. Uçuş zamanını (TOF-Time Of Flight) içeren, lazer uzunluk ölçme teknikleri üzerine çok iyi ve kapsamlı bir inceleme Reshetyuk (2006) da verilmiştir. Hebert ve Krotkov (1985) de tarayıcıların doğruluk araştırmalarını yapılmış ve kalibrasyon sonuçları rapor edilmiştir. Lazer tarayıcı aletlerinin doğruluğunu etkileyen faktörler hakkındaki bir araştırma, Hancock (1999) da yapılmıştır. Bu çalışmanın amacı, Optech ILRIS 3D lazer tarayıcısı ile farklı mesafelerden elde edilen yüzey doğruluklarının araştırılması üzerinedir. 300 m uzunluğundaki EDM Kalibrasyon bazında sırasıyla 40, 120, 220, 280 ve 300 m uzaklıktaki pilye noktalarından yersel lazer tarama ile elde edilen farklı objelere ait yüzey modellerinin doğruluğu, Leica TPS 1201+ Total station ile elde edilen yüzey modelleri ile karşılaştırılmıştır. Tarana objeye ve mesafeye bağlı yüzey modellerinin doğrulukları araştırılmıştır. 2. Yöntem Bu çalışma, YTÜ Davutpaşa Kampüsü, Fen Edebiyat Fakültesi bahçesinde bulunan 300 m uzunluğundaki EDM Kalibrasyon bazında gerçekleşmiştir. Buradaki noktalar 1. Nolu referans pilyesinden sırasıyla 40, 120, 220, 280 ve 300 m uzaklıkta toplam 6 pilye noktasından oluşmaktadır. Pilyelerin konumları ve aradaki uzaklıklar 1+1.5 ppm lik Leica TPS 1201+ Total station ile hassas bir
3 şekilde ölçülerek önceden belirlenmiştir. Yüzey karşılaştırılması için, boyutları 104.5*104.5 cm olan kare şeklindeki alüminyum obje ile 1 m çapında çanak şeklindeki bombeli obje hedef olarak kullanılmıştır (Gümüş, 2014). Özel olarak tasarlamış bu hedefler Şekil 1 de gösterilmiştir. Şekil 1: Özel tasarlanmış referans objeler (Gümüş,2014) Yine pilyeler üzerinde bu hedeflerin hassas şekilde doğrusal olarak hareket ettirilmesi için, pilye üzerine monte edilebilen 0.1 mm kaydırma hassasiyetine sahip özel tasarlanmış bir aparat kullanılmıştır (Şekil 2). Yüzey karşılaştırılması amacıyla bu hedefler, pilye üzerine merkezlendirilen aparat üzerine monte edilmiştir. Tablo 1 de tasarlanan aparatın hazırlanmasında kullanılan donanımlar gösterilmiştir (Gümüş, 2014). Tablo 1: Doğrusal hareket sistemin yapımında kullanılan donanımlar 109-5200 Q8 Blok Yatak 910 Mm. Strok MLS305-TTL-2-5M Digital Koordinat Okuma Cetveli 836 Mm ALC94UNİ 220 VAC TTL Girişli Ekran İmalat Parçaları ve Bağlantı Elemanları Modül Akuplasyon Bağlantı Elemanları Şekil 2: Doğrusal Hareket Sistemi Tasarımı (Gümüş, 2014) Farklı mesafelerden yapılan taramaların kendi belirlediğimiz koordinat sistemine (tarama yönü y ekseni olacak şekilde) dönüşümü için hedeflerin kurulu olduğu pilyeler çevresine kontrol noktaları yerleştirilmiştir. Mesafeye bağlı olarak yapılan taramalar bu objeleri ve kontrol noktalarını da içerisine
4 alacak şekilde gerçekleştirilmiştir. Uygulamanın gerçekleştiği kalibrasyon bazının 1 numaralı Pilye noktasına bu referans objeler, nokta üzerine merkezlenecek ve doğrusal yönde tarama yönüne düşey doğrultu oluşturulacak şekilde aparat üzerine hassas bir şekilde konumlandırılmıştır (Şekil 3). Şekil 3: Referans objelerin ve hedeflerin pilye üzerindeki konumları(gümüş, 2014). Aparatın tarama yönüne göre yatay ve düşey yöndeki doğrultusu hassas su terazisi ile kontrol edilmiştir. Optech ILRIS 3D lazer tarayıcısı, bazın pilye1 den itibaren 40 m, 120 m, 220 m, 280 m ve 300 m de bulunan pilye noktalarına kurulmuştur. Referans yüzeyler için Total Station ile EDM bazının 2 nolu pilye noktasında tarama modunda referans objelere ölçüler gerçekleştirilmiştir. Şekil 4: Lazer tarayıcının ve Total Station nın Pilyeye kurulumu (Gümüş, 2014). Çevresel koşulların etkisini yok etmek için aynı ortam koşullarında taramalar yapılmış ve ortamın sıcaklık, basınç ve nem değerleri uygulamalar boyunca kaydedilmiştir. Taranan obje yüzeyi düz ve materyal olarak lazer ışının yayılım ve saçılma etkisine aynı derecede etki etmektedir. Total Station ile Pilye 2 den ölçülen referans obje yüzeyleri ile Farklı mesafelerden tarayıcıdan elde edilen yüzeyler karşılaştırılmıştır. Yüzeylerin karşılaştırma yönü, aynı zamanda noktalar arası uzaklığı gösteren koordinat ekseni yönü (y ekseni) seçilmiştir (Şekil 5).
5 Şekil 5: EDM bazındaki yüzey karşılaştırma yönü (Gümüş, 2014). 3. Sonuç ve Öneriler Yüzey eşleştirmesi yapmak için yersel ölçmelerden ve lazer taramalardan elde edilen veriler kendi belirlediğimiz koordinat sistemine dönüştürülmüştür. Total Station dan elde edilen ölçümlerden her iki referans objesi için yüzey modelleri oluşturulmuştur. Bu yüzeyler referans alınarak taramalardan elde edilen nokta bulutları arasında y ekseni yönünde karşılaştırmalar yapılmıştır. Y ekseni doğrultusu, tarayıcı ve objeler arasındaki uzaklığı belirten EDM bazındaki pilyeler arasındaki ölçme doğrultusudur. Şekil 5 de kare ve bombe şeklindeki obje için total Station dan oluşturulan yüzey modeli ve tarayıcıdan elde edilen nokta bulutları görülmektedir. Burada, referans yüzey ile nokta bulutları x ve z koordinat ekseni yönünde çakıştırılıp, y koordinat ekseni yönündeki farkları belirlenmiştir. Buradaki amaç, faklı mesafelerde elde edilen taramalarda elde edilen uzunluk ölçme doğruluğun mesafeye ve yüzey eşleştirmeye göre değişip değişmediği belirlemektir. Şekil 5: Referans yüzey modelleri ve yüzey eşleştirmeden elde edilen farklar (Gümüş, 2014) Bu şekilde 40 m, 120 m, 220 m, 280 m ve 300 m den Optech ILRIS 3D ye Pilye 1 de bulunan referans objelere taramalar gerçekleştirilmiştir. Yüzey eşleştirme işlemleri yapılarak kare ve bombe objeler için, y koordinat ekseni yönünde farklar bulunmuştur. Farkların istatiksel değerleri, Tablo 2 ve Tablo 3 de verilmiştir (Gümüş, 2014).
6 Tablo 2: Kare obje için mesafeye bağlı bulunan istatiksel değerler (m) Tablo 3: Bombe obje için mesafeye bağlı bulunan istatiksel değerler (m) Şekil 6 da ise mesafeye bağlı elde edilen yüzey farkların standart sapma karşılaştırmaları verilmiştir. Bu karşılaştırmada standart sapma değerlerinin mesafeye bağlı ve taranan obje yüzeyine bağlı olarak değiştiği görülmektedir. Mesafe ile elde edilen standart sapma değişkenleri arasındaki ilişki Şekil 6 da gösterilmiştir (Gümüş, 2014).
7 Teşekkür Şekil 6: Mesafeye bağlı elde edilen yüzey farkların standart sapmaları (m) Bu çalışmaya destek sağlayan YTÜ Bilimsel Araştırma Projeleri Koordinatörlüğüne ve Lazer tarayıcıyı temin ettiğimiz BİMTAŞ AŞ. Genel Müdürlüğüne teşekkür ederiz. Kaynaklar Reshetyuk, Y., (2006), Investigation and calibration of pulsed time-of-flight terrestrial laser scanners, Licentiate thesis in Geodesy Royal Institute of Technology (KTH) Department of Transport and Economics Division of Geodesy. Ready, J.F., (1978), Industrial applications of lasers. Academic Press, New York San Francisco London. Hovanessian, S.A., (1988), Introduction to sensor systems. Artech House, Norwood, MA, USA. Jelalian, A.V., (1992, Laser Radar Systems. Artech House, Boston London Marshall, G.F., (ed) (1985), Laser beam scanning: opto-mechanical devices, systems, and data storage optics. Marcel Dekker, New York. Hebert, M., ve Krotkov, E., (1992). 3D Measurements From Imaging Laser Radars: How Good Are They? Image And Vision Computing, Vol. 10, No. 3, Pp. 170 178. Hancock, J.A., (1999). Laser Intensity-Based Obstacle Detection and Tracking, Doctoral Dissertation, Technical Report CMU-RI-TR-99-01, Robotics Institute, Carnegie Mellon University. Gümüş, K., (2014), Yersel Lazer Tarayıcıların Doğruluk Araştırması ve Mühendislik Yapılarında Kullanılabilirliği: Oymapınar Barajı Örneği, Doktora Tezi, YTÜ- FBE Harita Mühendisliği Anabilim Dalı.