Terrestrisch meten met 3d laserscanning



Dovnload 27.21 Kb.
Datum22.07.2016
Grootte27.21 Kb.
Koninklijke Confederatie der Landmeters-Experten

De Landmeter-Expert als bouw-meter

Vrijdag 21 november
Terrestrisch meten met 3D Laserscanning
Prof. Dr. Mario Santana K.U.Leuven – K.H. St. Lieven, Vice-president van CIPA: Internationale wetenschappelijk comité voor het documentatie van Culturele Erfgoed, mario.santana@asro.kuleuven.be

Bjorn Van Genechten, K.U.Leuven, Bjorn.VanGenechten@asro.kuleuven.be


Trefwoorden: laser scanning, monumentenzorg, milieu, industriële metingen, landmeetkundige technieken, gebouwde omgeving, opleiding, didactisch materiaal.

Abstract

Het gebruik en de ontwikkeling van driedimensionale opmetingstechnieken kende het afgelopen decennium een enorme vooruitgang.


Het huidige gamma 3D laserscanners bieden de landmeter een nieuw scala aan mogelijkheden voor het opmeten van onze gebouwde omgeving op een snelle, accurate, en in veel gevallen kostenefficiënte wijze. De geometrische informatie afkomstig van deze toestellen, verrijkt met fotografisch materiaal, geeft ons de mogelijkheid tot het maken van zeer realistische en nauwkeurige 3D-representaties van onze gebouwde omgeving.
Terrestrische laser scanners bieden verschillende voordelen ten opzichte van traditionele opmetingstechnieken. Dit wordt vooral duidelijk wanneer men kijkt naar de verschillende toepassingsdomeinen zoals de industriële, de erfgoed en de milieusector.
Deze contributie is een overzicht van het gebruik van 3D laserscanning bij opmeten van onze gebouwde omgeving, waarbij de nadruk ligt op de voordelen, maar eveneens op de beperkingen van deze techniek.

Introductie







Figuur 1: hands-on training, Paleis van Justitie (Brussel, België), auteur.

De landmeter krijgt vandaag de dag een heel scala aan opmetingstechnieken voorgeschoteld, gaande van het traditioneel opmeten met een meetband tot het gebruik van een totaal station. Dikwijls wordt hierbij een zekere abstractie gemaakt van de werkelijkheid door enkel de meest markant gebouwelementen geometrisch te beschrijven. Hoewel deze technieken de dagelijkse werktuigen zijn van de landmeter, missen de mogelijkheid om op een efficiënte manier zeer complexe oppervlakken op te meten.


Nieuwe technieken zoals 3D laserscanning en fotogrammetrie vinden slechts met mondjesmaat hun toegang tot de huidige generatie landmeters, dit ondanks hun vele voordelen. Resultaten van recente onderzoeksprojecten in verschillende universiteiten (Bonora ea., 2005; Guarnieri ea., 2006; Sternberg, 2006) tonen het enorme potentieel van deze technieken voor het efficiënt opmeten van onze gebouwde omgeving. Echter, de kennis van de mogelijkheden en beperkingen van ieder van deze technieken is een van de vereisten voor het correct gebruik ervan.
Fotogrammetrie kan beschreven worden als het extraheren van driedimensionale geometrische informatie uit fotografisch materiaal. Door het nauwkeurig opmeten van een beperkt aantal controlepunten, kan de positie van elke foto berekend worden. Na deze initiële oriëntatiefase, kan driedimensionale informatie gegenereerd worden door gebruik te maken van voorwaartse insnijding. Hiervoor is het nodig dat de gebruiker overeenkomstige punten in verschillende foto’s aanduidt. Dit kan manueel gebeuren, maar dankzij algoritmes in de sector van computer visie en foto bewerking kan dit eveneens automatisch. Een van de grote problemen echter is dat deze techniek ervan uitgaat dat de gebruikte foto’s onder ideale lichtomstandigheden werden gemaakt en dat ze voldoende textuur bezitten om deze algoritmes te sturen. Wanneer niet aan deze voorwaarden voldaan wordt, zullen de automatische algoritmes er niet in slagen om goede overeenkomsten te vinden en dus geen correcte driedimensionale reconstructie kunnen genereren.
Laserscanning is een technologie die haar ontstaan kent in de industriële sector. De laatste jaren heeft zij echter ook haar weg gevonden naar andere sectoren zoals die van het cultureel erfgoed. Deze recente interesse is voornamelijk te danken aan de relatieve eenvoud en voornamelijk de snelheid van deze techniek.
Een laserscanner analyseert een reëel object door het meten van duizenden punten met een zeer hoge nauwkeurigheid in een relatief korte periode. Door het oriënteren van een fototoestel ten opzicht van de laserscanner, kan men de kleurinformatie superponeren op de geometrische gegevens waardoor het model er meer realistisch uitziet en waardoor het makkelijker te begrijpen is. Na een uitgebreide verwerkingsfase kunnen grondplannen, doorsnedes of aanzichten in de vorm van digitale vector tekeningen gemaakt worden en zelfs driedimensionale modellen behoren tot de mogelijkheden. Laserscanning is als het ware het nemen van een foto, maar dan met diepte-informatie. Net zoals gewone fotocamera’s zijn het ‘line-of-sight’ instrumenten. Hierdoor is het nodig om verschillende scans te maken uit verschillende posities om zo een volledige dekking te krijgen van het gebouw.
Algemeen kunnen we twee types laserscanners onderscheiden: diegene die werken op basis van het ‘time-of-flight’ principe en degene die werken volgens het triangulatieprincipe. Bij het opmeten van gebouwen wordt meestal gebruik gemaakt van het ‘time-of-flight’ principe omdat de afstand tot het op te meten object relatief groot is wat niet kan met het triangulatieprincipe. Bij het ‘time-of-flight’ principe stuurt de laserscanner een laserpuls uit. Dit signaal botst op een oppervlak en een deeltje van de reflectie ervan wordt terug opgevangen door het toestel. Door de tijd te meten tussen het uitzenden en het terug opvangen van deze puls, kan men de afstand van dit punt tot de scanner bepalen. De huidige generatie laserscanners kunnen op deze manier ongeveer 5000 tot 50.000 punten per seconde opmeten, resulterend in een enorme puntenwolk. Dit type laserscanners noemt men puls gebaseerde scanners.
Een ander type scanner maakt eveneens gebruik van tijdsmetingen om de afstand van een punt te berekenen, maar gebruikt hiervoor een gemoduleerd continu signaal. Door deze modulatie is het bereik van deze scanners beperkt tot ongeveer 40-60 meter, maar het laat toe nog meer punten te meten in een kortere tijdsspanne (tot 500.000 punten per seconde).
Het probleem met een dergelijke puntenwolk is dat we deze eerst moeten verwerken vooraleer we er bruikbare gegevens kunnen uit extraheren. Deze verwerkingsfase bestaat uit het filteren van ruis, het vullen van gaten in de structuur en het modeleren in twee of drie dimensies.
Over het algemeen kunnen we besluiten dat laserscanning de volgende voordelen heeft: een zeer snelle opnametijd, een enorme hoeveelheid data met een hoge metrische nauwkeurigheid. Laserscanning heeft echter ook enkele nadelen die zich voornamelijk manifesteren in de verwerking van de data waaronder de registratie van verschillende scans en het modelleringproces.

Statische en dynamische laser scanning

De huidige laser scanner technologie kan onderverdeeld worden in twee categorieën: statisch en dynamisch.


Wanneer de scanner in een vaste positie gehouden wordt tijdens het vergaren van de gegevens wordt dit statische laser scanning genoemd. De voordelen van deze methode zijn de hoge precisie en relatief hoge puntendichtheid. Alle statische laser scanning kan aanzien worden als terrestrische laser scanning, waar het omgekeerde niet steeds het geval hoeft te zijn.
Bij dynamische laser scanning is de scanner gemonteerd op een mobiel platform. Deze systemen vereisen bijkomende positioneringsystemen als INS en GPS wat het systeem op zichzelf complexer en duurder zal maken in gebruik. Een voorbeeld van een dynamisch systeem is het scannen vanuit een vliegtuig (airborne laser scanning). Andere systemen waarbij gescand wordt van op een wagen of vanuit onbemande vliegtuigen (UAV) beginnen vandaag de dag ook aan hun opmars.
Toepassingen met laser scanning
In het beginstadium kende laser scanning een relatief kleine afzetmarkt en werd het voornamelijk gebruikt in industriële ontwerpprocessen. In de auto-industrie werd laserscanning bijvoorbeeld gebruikt als aanvulling bij het CAD (Computer Aided Design) proces om prototypes in te scannen en zo robots aan te sturen om bepaalde handelingen uit te voeren die leiden tot de massaproductie van consumptiegoederen.
Kort hierna volgde de petrochemische industrie waar scanners met een middelgroot bereik werden ontwikkeld waarbij de complexe infrastructuur, die tot dan enkel werd gedocumenteerd in de vorm van 2D plantekeningen, nu volledig in drie dimensies kan beheerd worden.
Dankzij de duidelijke voordelen van laser scanning, zoals het feit dat het een contactloze meettechniek is, de hoge nauwkeurigheid, een groot bereik, de mogelijkheid om zeer snel gegevens te verzamelen, enz... breidde het toepassingsgebied zich stilaan uit in een brede waaier sectoren zoals die van het cultureel erfgoed, architectuur, urbanisatie, forensische geneeskunde, en de filmindustrie (zie Figuur 2).

Figuur 2: Toepassingen van Laser Scanners


Laser scanning in de praktijk
Door de commercialisatie en de eerder beperkte afzetmarkt van deze scanners, worden deze toestellen vaak voorgesteld als dé oplossing voor alle problemen. Vaak worden mooie video’s getoond waarbij puntenwolken als resultaat van het scannen met een druk op de knop veranderen in mooie driedimensionale modellen of in doorsneden en grondplannen. Het gebruiken van deze toestellen vergt echter een grondige kennis en voornamelijk ervaring van het scanningproces. Hoewel de software zijn best doet om de hardware bij te houden door zoveel mogelijk stappen te automatiseren, blijven de toepassingsmogelijkheden van dergelijke algoritmes dikwijls beperkt tot scans gemaakt onder ideale omstandigheden zoals bij ‘reverse engineering’. Het maken van doorsneden, grondplannen of driedimensionale modellen van gebouwen blijft echter zeer arbeidsintensief. Het laserscanningproces wordt in grote lijnen geïllustreerd in de volgende grafiek:

Figuur 3: The terrestrisch laser scanner proces


Het 3D Risk Mapping project

Het 3D Risk Mapping project werd gelanceerd in het najaar van 2006 en had een looptijd van twee jaar. Het was gericht op het produceren van een 'Learning on demand' tool voor het gebruik van drie-dimensionale ruimtelijke gegevens, afkomstig van laser scanning, voor de karakterisering van potentiële risico’s in onze gebouwde omgeving. Het resultaten van dit project is een syllabus waarin de principes, de werkwijzen en de voor en nadelen van laserscanning worden beschreven, zowel vanuit het theoretische standpunt als uit gezien vanuit de praktijk met reflecties uit persoonlijke ervaringen van de auteurs. Deze syllabus bevat:


Een theoretische gedeelte bestaande uit 4 hoofdstukken:

  • Hoofdstuk 1 dient als een algemene inleiding tot laser scanning en de toepassingen waarvoor het gebruikt kan worden.

  • Hoofdstuk 2 is een theoretische uiteenzetting van de verschillende typen laser scanner en hoe ze werken. Het verklaart ook de verschillende metrologische aspecten die moeten worden genomen bij het scannen en verduidelijkt hun oorsprong.

  • Hoofdstuk 3 legt het laser scanning proces uit waarbij elke stap van het proces in detail wordt toegelicht met tips en trucs gebaseerd op deskundige ervaringen.

  • Hoofdstuk 4 geeft een visie op het probleem van data management waarbij suggesties worden gegeven om bij iedere scan set meta-tags te bewaren die van belang zijn voor de verspreiding en archivering van de gegevens.

Het tweede deel van de tutorial bevat 3 case studies, die elk gekozen werden ter illustratie van welbepaalde problemen. Elk van deze case studies richt zich op verschillende aspecten van het laserscanning proces:




  • Erfgoed Case Studie (St.Jacobs Kerk, Leuven): Deze case studie richt zich zowel op het samenbrengen van verschillende scans (de registratie) en de verwerking van de gegevens tot bruikbare plannen, doorsneden en 3D modellen. De voornaamste uitdagingen hierbij zijn de omvang van de kerk en de binnen-buiten relatie. De voorgestelde resultaten en het veresite detailleringsniveau vragen een tijdrovend post-processing fase waarbij gebruik gemaakt wordt van zeer gespecialiseerde software.

  • Industrial Case Studie (FPSO-vaartuig): Deze case studie focust op de mogelijkheden van laserscanning voor het meten op, mogelijks gevaarlijke, industriële sites. Hierbij wordt een uitgebreid overzicht gegeven van de mogelijke toepassingen en verwerkingsprincipes van de gegevens tijdens de ingenieursfase.

  • Civiele infrastructuur Case Studie (Waterkracht centrale): Deze studie beschrijft het gebruik van laserscanning gegevens voor het monitoren van vervormingen in de tijd. Aangezien een laserscanner oppervlakken opmeet in plaats van individuele punten, biedt dit veel voordelen bij deformatiemetingen waarbij traditioneel vaak een algemene tendens wordt opgemeten door slechts enkele punten te volgen. In deze case studie wordt voornamelijk de nadruk gelegd op het bepalen van de optimale posities voor het opstellen van de laserscanner en de controle punten.

Als finaal resultaat van het project werd een website opgezet dat dient als een portaal naar informatie rond laserscanning. Een informatie-hub biedt toegang tot relevante weblinks en het geproduceerde lesmateriaal (syllabus), kan worden gedownload na registratie als gebruiker. De url van de website is: Http://www.3driskmapping.org.



Conclusie

We hopen dat het hier gepresenteerde project de mogelijke toepassingen, de voordelen maar ook de beperkingen van laserscanning verduidelijkt. Ondanks deze nadelen, zal laserscanning in de toekomst een steeds grotere rol spelen in het verwerven van ruimtelijke informatie. Deze ruimtelijke informatie is een zeer belangrijk element voor de verbetering van de besluitvormingsprocessen, met name bij het bestuderen van onze gebouwde omgeving.


Toekomstige trends

Uit de resultaten van het 3D-Risk Mapping project blijkt dat de volgende problemen die moeten worden gekeken naar de door de landmeter gemeenschap in België:




    • Bereid meer training materiaal dat zich richt op echte scenario's;

    • Meer aangepast materiaal aanpakken van de prestaties van laser scanning in verschillende omgevingen en toegankelijkheid voorwaarden;

    • De noodzaak van meer informatie over het werk fasen betrokken zijn bij het verkrijgen van ruimtelijke informatie voor laser scanning, in het bijzonder bij de bouw en herstelling van bouwwerken;

    • Goedkoper oplossingen voor academische instellingen.


Met dank aan

De auteurs danken het EU Leonardo-programma en het Vlaams Leonardo Agentschap voor de financiële ondersteuning van dit project. Ook dank aan Simon Barnes (Plowman Craven) voor de ondersteuning in het scannen van de St.-Jacobskerk te Leuven.


Referenties

1. Sternberg, H. Deformation Measurements at historical buildings with terrestrial laserscanners. in ISPRS Commission V Symposium on Image Engineering and Vision Metrology. 2006. Dresden, Germany.

2. Guarnieri, A., et al. 3D Surveying for Structural Analysis Applications. in 12th FIG symposium on Deformation Measurements. 2006. Baden, Austria.

4. Van Genechten, B. and H. Neuckermans. Fusing laser scanning and photogrammetry creating close range architectural orthoimages. in 10th EuropIA international Conference on Augmented Heritage. 2005. Damascus, Syria.









De database wordt beschermd door het auteursrecht ©opleid.info 2017
stuur bericht

    Hoofdpagina