Laser scanner. Schema dello strumento. Argomenti: Elicottero con sensore

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1 Elicottero con sensore Laser scanner Gabriele GARNERO Argomenti: Principio di funzionamento Terminologia Il sensore integrato GPS/IMU Calibrazione Pianificazione volo Precisione Problemi di qualità e la normativa esistente Alcuni siti web interessanti Applicazioni Schema dello strumento Sull aereo (o elicottero) Scanner laser GPS IMU Telecamera Apparati servizio A terra GPS master, per cinematico 1

2 Principio di funzionamento L uso integrato di GPS e IMU consente di ricostruire posizione e assetto del veicolo in ogni istante Ciò equivale a conoscere l equazione della retta percorsa dall impulso Sulla retta ci sono due punti A e B: A coincide con il centro del telemetro laser e ne conosco le coordinate B è incognito, ma ne conosco la distanza da A, grazie al laser: posso ricavare le coordinate di B Bersaglio B Impulso laser riflesso Laser scanner Impulso laser emesso A t L AB c 2 8 c m s 1 Raggio laser Schema di un onda elettromagnetica Il principio di funzionamento si basa su: 1. emissione di un raggio laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation); 2. ricezione del raggio a seguito della riflessione da parte del bersaglio e misura della distanza tra lo strumento e il bersaglio. Il laser è una radiazione elettromagnetica avente le seguenti caratteristiche monocromatica: composta da una sola frequenza di luce; unidirezionale (coerenza spaziale): si propaga a grande distanza con un unica direzione; coerenza temporale: è composta da onde della stessa frequenza e della stessa fase. Il laser è anche classificato in base al materiale utilizzato per produrre la radiazione: stato solido, gas, semiconduttore, liquido, elettroni liberi. = Lunghezza d onda Ampiezza = frequenza Lunghezza d onda (l): distanza tra due massimi o due minimi di un onda; Frequenza (n): numero di onde complete che passano per un punto nell unità di tempo Periodo (T): l'intervallo di tempo tra gli istanti iniziali di due eventi successivi 2

3 La misura dell intervallo di tempo deve avvenire mediante strumenti di elevatissima precisione. OSCILLATORE: misura il numero intero di lunghezze d onda contenute nell intervallo di tempo intercorso tra emissione e ritorno del segnale. t nt t a t b t T q Q Dove: T = periodo della frequenza fondamentale; n = numero di lunghezze d onda; ta, tb = tempo residuo compreso tra l emissione (a) e la ricezione (b) dell impulso (asincronia). CONVERTITORE TEMPO TENSIONE: un condensatore viene caricato da corrente costante, essendo noto il valore della tensione raggiunta per un tempo di carica pari ad un periodo di oscillazione (T), in funzione delle tensioni raggiunte è possibile calcolare i residui. Dove: q = tensione raggiunta dal condensatore al tempo t; Q = tensione raggiunta nel periodo T. Nota la posizione dello strumento, applico dei parametri di scala, rotazione e traslazione alla nuvola di punti misurata. X 2 r Y2 r Z2 r r ij x 2 1 r r r Rx t r r r f (,, k) X Y Z T T T x y z L aereo o elicottero effettua strisciate sul territorio da rilevare Asse x cos sen 0 sen cos Durante la presa dei dati: GPS/INS acquisiscono e registrano dati Il laser spazzola il terreno in direzione ortogonale alla rotta, misura e registra le distanze (come funzione del tempo di volo) La matrice esprime la rotazione attorno ai tre assi cartesiani: Asse y Asse z cos 0 sen 0 sen cos cosk senk 0 senk cosk Essi operano indipendentemente ma associano a ogni dato una etichetta temporale secondo la scala GPS Dopo il volo, si determina rotta e assetto combinando la misure GPS/INS e le misure GPS a terra: è la fase più critica Si combinando le informazioni rotta e assetto del velivolo: direzione di scansione distanza del punto riflettente Si calcolano le coordinate WGS-84 dei punti che hanno riflesso il laser cambio di datum altimetrico uso dei dati: filtraggio, interpolazione su grid, feature extraction, ecc. 3

4 Esempio di strisciata Caratteristiche del raggio laser - divergenza Il segnale laser, propagandosi, diverge, formando un cono. Essendo il segnale laser quasi monocromatico, la sua divergenza è bassa, ma non trascurabile: varia fra 0.3 e 4 mrad in genere. Se la divergenza è 1 mrad e h=1000, l impronta a terra D è: D = rad x 1000 m = 1 m L impronta a terra non trascurabile è la chiave per molte capacità del laser scanning: individuare cavi sospesi e piccoli particolari sfruttare piccoli varchi nella vegetazione per raggiungere il suolo Caratteristiche del raggio laser - echi multipli Si verificano quando un segnale incontra un ostacolo foglie, fili sospesi, cornicioni Il raggio viene diviso in più componenti che vengono riflesse verso l alto in tempi diversi Diverse strategie di acquisizione: First pulse mode (prima riflessione) Last pulse mode (ultima riflessione) First & last pulse Multiple pulses mode (riflessioni multiple) Echi multipli risoluzione a distanza Il segnale emesso è un picco di energia EM mentre il segnale ricevuto è un insieme di picchi di energia dovuti alle riflessioni degli oggetti colpiti. Se due picchi sono troppo vicini della risoluzione a distanza (NB si intende distanza verticale) il sensore non riesce a discriminare i picchi che vengono quindi trattati come un singolo eco. La risoluzione a distanza è dichiarata dalle case costruttrici degli strumenti 4

5 Misura di riflettività Alcuni strumenti misurano, oltre al tempo di volo (legato alla posizione) l ampiezza del segnale di ritorno, che dipende dal materiale che ha riflesso il raggio. Misura di riflettività: esempio lambda=0.9 micrometri Asfalto 17 % Sabbia asciutta 57 % Conifere 30 % Neve % Si produce una sorta di immagine a infrarossi del territorio, che può essere utile per classificazioni DSM Misura del tempo di volo Tempo di volo: t=2h/c Frequenza di emissione (f): numero di impulsi laser emessi in un secondo Periodo T=1/f: tempo che intercorre fra due emissioni Frequenza massima teorica in relazione alla quota di volo Condizione di non ambiguità: prima che il raggio i+1 sia emesso, è necessario che tutti gli echi del raggio i siano tornati al sensore t<t 2h/c < 1/f f<c/2h F max = c/2h 5

6 Altezze di volo elevate: PRO: aumenta la produttività diminuiscono le occlusioni CONTRO: diminuisce la densità diminuisce la precisione diminuisce la frequenza massima di emissione Caratteristiche del sensore Emette direttamente la radiazione EM con cui rileva il territorio, non sfrutta la riflessione della radiazione prodotta da altri: può funzionare di notte non è disturbato dalle ombre non è disturbato dalle nuvole soprastanti è disturbato dalle nuvole sottostanti: non buca le nuvole non buca la vegetazione. Tuttavia ha buone possibilità di raggiungere il terreno perché: è una tecnica monoscopica ha piccoli angoli di scansione (rispetto alla fotogrammetria) per la larghezza finita dei segnali è quasi come se cercasse un varco in ogni punto del territorio GPS/IMU Ne esistono di molti tipi, differenziati per costo, precisione e tecnologie impiegate Il principio: sfruttare le leggi della fisica per determinare posizione e assetto di un veicolo in movimento IMU frequenza massima di acquisizione: Hz nessuna interruzione la precisione è ottima nel breve periodo (100 secondi) la precisione peggiora col tempo a causa di derive GPS frequenza massima di acquisizione:1-10 Hz. precisione buona e costante nel tempo interruzioni di segnale (cycle slips) Si misurano in ogni istante le accelerazioni lineari e angolari (con accelerometri e giroscopi) La loro doppia integrazione determina posizione e assetto del mezzo nel tempo a partire da una posizione iniziale +/-5 cm GPS INS Si usa IMU come misuratore ad alta frequenza Si usa il GPS per fissare le traiettorie INS Si usa IMU per fissare le ambiguità dopo cycle slips time 6

7 Errori indotti da IMU Esempio di IMU Calibrazione 1 Calibrazione 2 Esistono tre sistemi di riferimento, materializzati da: telemetro laser, IMU, GPS Per determinare le coordinate dei punti colpiti, è necessario saper ricondurre a un unico SR le coordinate espresse rispetto a ciascun SR. Per ottenere questo risultato è necessario conoscere: Le posizioni reciproche delle origini dei vari SR: traslazioni I disallineamenti fra i SR: le rotazioni da applicare a un SR per portarlo a coincidere con un altro, una volta annullate le traslazioni Tali parametri vengono in parte misurati direttamente, con metodi topografici, e in parte determinati indirettamente mediante poligoni e/o voli test 7

8 Calibrazione 3 Poligono di calibrazione Calibrazione 4 Strisciate di controllo Poligono: zona costituita da aree piatte e da oggetti di forma regolare (edifici semplici) dalla geometria nota Per costruire un poligono è necessario fare misure topografiche Per il poligono si conosce il risultato che il lidar deve fornire, dunque si possono ricavare i parametri incogniti E inoltre opportuno volare strisciate ripetute in senso opposto, o strisciate ortogonali Se i parametri di calibrazione non sono corretti, gli stessi oggetti verranno collocati in posizioni diverse da una strisciata o da quella volata in senso inverso. Ciò consente di verificare la consistenza dei parametri di calibrazione Pianificazione 1 Pianificazione 2 Altezza volo Angolo apertura Larghezza strisciata (funzione dei primi due) Frequenza emissione punti Numero punti per linea Numero linee per secondo (funzione dei primi due) FP o LP, se necessario (Strategie di acquisizione) Distanza media fra punti Densità media punti Velocità aeromobile 8

9 Pianificazione 3 Pianificazione 3 Pianificazione 4 Schermo di navigazione del pilota Errore in funzione dell apertura 9

10 Errore in funzione dell altezza di volo Angoli di apertura PRO Aumenta la produttività CONTRO Aumentano le occlusioni Diminuisce la densità Diminuisce la precisione Terminologia 1 Terminologia 2 Laser scanning: scansione laser; laser scanner LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Emissione di radiazione EM monocromatica e di elevata intensità LIDAR: LIght Detection And Ranging RADAR: Radio Detecting And Ranging Laser radar ALS: Airborne Laser Scanning LRF: Laser Range Finder, distanziometro; talvolta usato come sinonimo di laser scanning ALSS: Airborne Laser Scanning System ALTM: Airborne Laser Terrain Mapper GPS: Global Positioning System IMU: Inertial Measuring Unit - sensore INS: Inertial Navigation System sistema integrato costituito da GPS, IMU e SW POS: Positioning and Orientation System 10

11 Normativa (cenni) Siti WEB FEMA (Federal Emergency Management Agency) Volo preliminare su poligono noto Almeno una strisciata ortogonale Almeno tre tipologie di terreno e su ciascuna almeno 20 punti di controllo Eqm < 15 cm Consegna di dati raw e grid Un sito generale sul laser scanning: Sito dedicato al formato standard per dati laser LAS: FEMA, Federal Emergency Management Agency: Particolarmente interessante la normativa per i voli lidar: Processamento dei dati Avviene in modo sostanzialmente automatico: rapidità ed economia Viene prodotta una nuvola di punti sparsi nel datum del GPS, WGS-84 Cambio di datum planimetrico: passaggio da UTM-WGS84 a Gauss-Boaga Cambio di datum altimetrico: passaggio dalle altezze ellissoidiche alle ortometriche (slm) 11

12 Software per i dati laser scanning Generazione Modelli 3D 1 I dati laser, sia nella forma a punti sparsi, sia nella forma a griglia regolare, possono essere inseriti in molti SW GIS L unico SW commerciale specifico, capace di effettuare filtraggi e altre operazioni è TerraScan della finlandese TerraSolid. E un plug-in di MicroStation. Esistono SW scientifici Per il Laser Scanner Terrestre vengono utilizzati SW di modellazione impiegati nel mondo della progettazione industriale/reverse engineering Generazione Modelli 3D 2 Generazione Modelli 3D 3 I modelli a maglia regolare sono stati in passato più utilizzati. Vantaggi: si adattano ad essere memorizzati in una matrice; la struttura rende estremamente semplice la programmazione di ogni algoritmo. Svantaggio i nodi della griglia devono essere calcolati per interpolazione dei dati di partenza Le reti a maglia triangolare (Triangular Irregular Network,TIN) sono invece definite da lati che uniscono tra loro un insieme di punti misurati sull oggetto. La Triangolazione di Delaunay è il metodo di costruzione della maglia triangolare più usato (non il più corretto!). Si basa sul principio di ottenere una geometria triangolare ben proporzionata. 12

13 Il diagramma di Voronoi e Il reticolo di Delaunay 1 Un poligono di Voronoi è definito dalle linee che bisezionano le congiungenti il punto con i punti che lo circondano. Bisecanti e congiungenti sono perpendicolari tra loro. Usando questa regola per ogni punto, l'area interessata viene completamente suddivisa in poligoni adiacenti. Notiamo che i poligoni al limite dell'area restano aperti. Il diagramma di Voronoi e Il reticolo di Delaunay 2 La triangolazione di Delaunay è strettamente legata al diagramma di Voronoi. È stata così chiamata dopo che per primo Delaunay fece uso di una relazione duale: Possiamo costruire la triangolazione di Delaunay disegnando le linee che congiungono i centroidi di poligoni di Vornoi adiacenti. Il diagramma di Voronoi e Il reticolo di Delaunay 3 Il criterio del cerchio Il diagramma di Voronoi e Il reticolo di Delaunay 4 Il criterio del cerchio Definizione: un reticolo di Delaunay in due dimensioni è formato da triangoli che non si sovrappongono, dove nessun nodo del reticolo è incluso dai cerchi che circoscrivono i triangoli. Se solo tre punti appartengono ad ogni cerchio del reticolo, la triangolazione di Delaunay è unica. Ciò nonostante, spesso possono esserci più di tre punti in un cerchio. In questo caso il reticolo è ancora una triangolazione di Delaunay, ma non è unico. Osservando attentamente triangoli e cerchi nella figura di destra (slide successiva), troviamo un'altra relazione con il diagramma di Voronoi. I centri dei cerchi sono i vertici dei poligoni di Voronoi. 13

14 Esempi Esempi Rappresentazione a punti sparsi: dati del volo Toposys su Pavia. Modello a maglia regolare Esempi Esempi Triangular Irregular Network (TIN) Rendering della superficie 14

15 Applicazioni Generazione di DTM da DSM mediante estrazione di edifici Applicazioni Generazione di DTM da DSM mediante estrazione di edifici DSM di Pavia DTM di Pavia Applicazioni Rimozione di oggetti sul terreno Applicazioni Estrazione di contorni e classificazione 15

16 Applicazioni Simulazioni idrauliche Applicazione Monitoraggio valanghe Applicazione nuvola di punti 3D con intensità Applicazione nuvola di punti 3D con RGB 16

17 Applicazione Monitoraggio frane Applicazione Definizione finestra di acquisizione Applicazione Mosaicatura nuvole di punti Applicazione Mosaicatura nuvole di punti 17

18 Applicazione Ricostruzione oggetto Applicazione Confronto tra differenti acquisizioni Applicazione Confronto tra differenti acquisizioni Applicazione Misure sul modello 18

19 Applicazioni Monitoraggio glaciologico Applicazioni Individuazione di porzioni stabili Applicazioni Misura di ablazione Applicazioni Misure di spostamento 19

20 Applicazione Simulazioni idrauliche Applicazione DTM + Edifici (DSM) Applicazione Drappeggio ortoimmagine Applicazione Ricostruzione paesaggio 20

21 Applicazione Simulazione evento di piena 21

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