laserové skenování 154lsk ing. martin Štroner, ph.d. katedra speciální geodézie

1

Laserové skenováníLaserové skenování154LSK154LSK

Ing. Martin Štroner, Ph.D.Katedra speciální geodézieFakulta stavební ČVUT v Praze

Místnost:Místnost: B905E-mail: E-mail: [email protected]:WWW: k154.fsv.cvut.cz/~stroner/

Doporučená literatura:Doporučená literatura:[1] Kašpar, M.- Pospíšil, J.- Štroner, M.- Křemen, T.- Tejkal, M.: Laserové skenovací systémy ve stavebnictví. Vega, 2003. 112 s.

[2] Kašpar, M.- Pospíšil, J.- Štroner, M.- Křemen, T.- Tejkal, M.: Laser Scanning in Civil Engineering and Land Surveying. Vega, 2004. 103 s.

Laserové skenování, Ing. M. Štroner, PhD., Laserové skenování, Ing. M. Štroner, PhD., (154LSK_pred_1)(154LSK_pred_1)

2

Program přednášek:Program přednášek:


Č. Přednáška

1. Teorie fungování terestrických skenovacích systémů.Fyzikální principy skenovacích systémů. Bezpečnost práce.

2. Postup měření a zpracování naměřených dat. Matematické metody.

3. Úvod do rekonstrukce povrchů.

4. Přehled terestrických skenovacích systémů.

5. Letecké laserové skenování.

6. Aplikace terestrických systémů. Ekonomické přínosy.

7. Zápočtový test.

3

Teorie fungování terestrických skenovacích systémů. Fyzikální principy skenovacích systémů. Bezpečnost práce.1. Skenování, základní pojmy.2. Základní typy skenerů. 3. Vlivy působící na skenování.4. Porovnání s existujícími metodami

měření.5. Lasery.6. Principy měření délek.7. Metody rozmítání svazku.8. Bezpečnost práce s lasery.


4

1. Skenování, základní pojmy1. Skenování, základní pojmy

Skenování :Skenování :- neselektivní určování

prostorových souřadnic objektu a jejich ukládání do paměti,

- provádí se pomocí skeneru, automaticky podle nastavených parametrů,

- je řízeno počítačem,

- výsledkem je tzv. mračno bodů.


5


Skenery:- přístroje, které určují prostorovou

polohu diskrétních bodů, obvykle na principu prostorové polární metody


6


Hlavní znaky :Hlavní znaky :- neselektivní určování 3D souřadnic,

- obrovská množství bodů (mračna), řádově miliony,

- velká rychlost měření, např. 1000 bodů/ sekundu,

- nutná nová forma zpracování, zvláště pro geodety.


7

2. Základní typy skenerů2. Základní typy skenerů

Dělení podle principu měření :Dělení podle principu měření :


8


Polární skener :Polární skener :- z hlediska principu se jedná o totální stanici s

bezhranolovým dálkoměrem (nikoli provedením),

- dálkoměr na principu měření tranzitního času nebo fázového rozdílu.


9


Skener se základnou - jednokamerový :Skener se základnou - jednokamerový :- Souřadnice jsou určovány na základě „protínání z úhlů“ ze

základny.

(Teorie fungování laserových skenovacích (Teorie fungování laserových skenovacích systémů)systémů)

10


Skener se základnou - dvoukamerový :Skener se základnou - dvoukamerový :- Souřadnice jsou určovány na základě „protínání z úhlů“ ze

základny, projektor slouží jen k označení bodů.


11


Dělení podle zorného pole :Dělení podle zorného pole :

- kamerový - panoramatický


12


Dělení podle přesnosti a dosahu :Dělení podle přesnosti a dosahu :

- platí, že čím kratší standardní vzdálenost skenování, tím vyšší přesnost. Podle dosahu :Podle dosahu :

- systémy s velmi krátkým dosahem D1 (0,1m až 2m),- systémy s krátkým dosahem D2 (2m až 10 m),- systémy se středním dosahem D3 (10 m až 100 m),- systémy s dlouhým dosahem D4 (100 m až stovky m)Podle přesnosti :Podle přesnosti :

- s vysokou přesností P1 (0,01 mm až 1 mm), - s přesností P2 (0,5 mm až 2 mm), - s přesností P3 (2 mm až 6 mm ), - s přesností P4 (10 mm až 100 mm).


13


Dělení podle přesnosti a dosahu :Dělení podle přesnosti a dosahu :Základnový skener D1, P1

Základnový skener D2, P2

Polární skener D3, P3

Polární skener D4, P4


14

3. Vlivy působící na skenování3. Vlivy působící na skenování

Vlivy působící na množství vráceného Vlivy působící na množství vráceného signálusignálu

- vliv geometrie měřeného objektu,- vliv povrchu měřeného objektu.

Vlivy působící na přesnost měřeníVlivy působící na přesnost měření

- Přesnost určení délky,- Přesnost určení úhlu.

Vlivy zpracováníVlivy zpracování

- vlícovací body (+spojování skenů);- aproximace při zpracování


15


Vliv geometrie měřeného objektuVliv geometrie měřeného objektu

S k e n e r


16


Vliv povrchu měřeného objektuVliv povrchu měřeného objektuMATERIÁLMATERIÁL REFLEKTIVITA / %REFLEKTIVITA / %

Bílý papír do 100%

Stavební dřevo (borovice, čistá, suchá) 94%

Sníh 80-90%

Bílé zdivo 85%

Jíl, vápenec do 75%

Potištěný novinový papír 69%

Listnaté stromy typ. 60%

Jehličnaté stromy typ. 30%

Plážový, pouštní písek typ. 50%

Hladký beton 24%

Asfalt s oblázky 17%

Láva 8%

Černý neoprén 5%


17

4. Porovnání s existujícími metodami měření4. Porovnání s existujícími metodami měření

Nejbližší metoda je fotogrammetrie, vzhledem k složitému vyhodnocení zpracování podle testů stejné zakázky trvá srovnatelnou dobu. S kvalitním skenerem je však práce v běžných podmínkách (např. stavba) přesnější, naopak vybavení je nepoměrně dražší.


18

5. Lasery5. Lasery

- Nejpoužívanější zdroj záření u skenerů;

- laser je z fyzikálního hlediska kvantově elektronický zesilovač elektromagnetického záření nejčastěji v oblasti viditelného světelného spektra a přilehlých vlnových délek;

- laser je založen na stimulované emisi fotonů v aktivním prostředí. Za normálních podmínek se většina atomů, iontů nebo molekul, které tvoří aktivní prostředí laseru, nachází v nejnižším energetickém stavu. Jsou-li však tyto částice excitovány do vyšších energetických stavů vnějším zdrojem energie (intenzivní světelné záblesky, elektrický výboj), budou při přechodu do původního energetického stavu vyzařovat koherentní světelné záření.


19

5. Lasery5. Lasery


- Stimulovaná emise:

20

5. Lasery5. Lasery


Základní prvky laseru:

- aktivní zesilovací prostředí (obsahuje atomy, ionty nebo molekuly schopné excitace na emisní energetické hladiny a které

je schopné zajistit inverzi populace), - zdroje energie (vyvolává excitaci),- optický rezonátor (zajišťuje odraz fotonů na zrcadlech

optického rezonátoru, a tím zesilování laserového záření).

21

5. Lasery5. Lasery


Dělení laserů:

- pevnolátkové, plynové (He-Ne), kapalinové, chemické,

- - polovodičovépolovodičové..Polovodičové lasery:

- pracují v neviditelném spektru (780 až 815 nm, blízká infračervená oblast) i ve viditelné oblasti spektra (632 až 635 nm

a 650 nm = červená, 532 nm = zelená).

22

5. Lasery5. Lasery


Polovodičové lasery:

++ kompaktnost, ++ možnost přeladění v širokém spektrálním pásmu a pomocí výběru aktivního prostředí generace záření vlnových délek v širokém spektru,

++ nízká spotřeba elektrického proudu, ++ vysoká účinnost, ++ nízká citlivost na zacházení,

-- rozbíhavost generovaného záření (dáno velikostí),

-- velká závislost parametrů generovaného záření na teplotě aktivního polovodičového materiálu.

23

6. Principy měření délek6. Principy měření délek


- měření vzdálenosti založeno převážně na elektronickém způsobu měření a nebo na optickém (triangulace ze známé základny),

- elektronické měření

- fázový dálkoměr,

- impulsní,

- frekvenční. d

D Á L K O M Ě RV Y S Í L A Č

P Ř I J Í M A Č

O B J E K T

Nejpoužívanější:Nejpoužívanější:

Impulsní dálkoměr, měří se tranzitní čas, který elektromagnetický impuls potřebuje k projití dvojnásobku měřené délky. (2∙10-8 s odpovídá vzdálenosti 3 m, pro 3 mm je to 2∙10-11 s, tj. 20 ns).

24

6. Principy měření délek6. Principy měření délek


- optický (triangulace ze známé základny),

Nevýhodou této metody je pokles přesnosti s rostoucí měřenou délkou, omezujícím faktorem je zde délka základny. Tato metoda je vhodná na velmi krátké vzdálenosti (skenování blízkých předmětů), kde dosahuje vysoké přesnosti.

P

Z á k l a d n a

- je založeno na řešení obecného rovinného trojúhelníku, ve kterém je známa délka jedné strany (tzv. základny) a k ní přilehlé úhly jsou známy nebo měřeny (jeden měřen, druhý známý).

25

7. Metody rozmítání svazku7. Metody rozmítání svazku


- skenery určují souřadnice bodů v po sobě následujících profilech,

- profily se vytváří rozmítáním svazku paprsků (obvykle laserového záření).

Metody:

- pomocí rotujícího (kmitajícího) zrcadla,

- pomocí rotujícího odrazného hranolu,

- rotací zdroje záření,

- pomocí optických vláken,

- pomocí statického optického elementu.

26



- pomocí zrcadla, odrazného hranolu, rotací zdroje, pomocí optických vláken, pomocí statického optického elementu.

- Rotující (kmitající) zrcadlo

L A S E R

Z R C A D L O

27



- rotující odrazný hranol

Výhody oproti zrcadlům:

- neslepne,

- vyšší rychlost pohybu svazku paprsků (v závislosti na počtu hran),

- nemusí se vracet, příp. nemá mrtvou zónu.

28



- rotace zdroje záření

29



- pomocí optických vláken

Základem je rotující zrcadlo, které rozmítá záření do optických vláken, které pak určují konečný počátek a směr šíření svazku paprsků.

30



- pomocí statického optického elementu

Vytváří v prostoru výseč světelné roviny, oproti ostatním trvale. Používá se u skenerů s měřením délky pomocí optické základny.

31

8. Bezpečnost práce8. Bezpečnost práce


-podrobně zpracována v [1], zde pouze:

Legislativa: Směrnice č. 61 ministerstva zdravotnictví ČSR z roku 1982.

ČSN EN 60825 a nařízení vlády č. 480/2000 Sb. o ochraně zdraví před neionizujícím zářením.

Upozornění:- pozorně studovat návod, respektovat zacházení s přístrojem podle bezpečnostní třídy,

- i když svazek paprsků není vidět, může oko poškodit (infračervené záření

apod.).

32

8. Bezpečnost práce8. Bezpečnost práce


- bezpečnostní třídy:

I. : možno trvalý pohled do svazku paprsků,

II. : kontinuální a viditelné záření, přímý pohled do zdroje možný,

oko ochrání mrkací reflex,

III. a) : totéž jako II., ale oko již může být poškozeno za pohledu do

zdroje pomocí optické soustavy (např. dalekohled),

III. b) : nebezpečí poškození oka, nutno používat ochranné pomůcky

(i při pozorování odrazu), max. emise 0,5 W,

IV. : totéž jako III. b), emise překračuje výkon 0,5 W.

V geodézii se obvykle používají přístroje tříd II a III. a).

(pro srovnání: běžně používaná laserová ukazovátka mají výkon 1 – 5 mW).

33


KONEC

laserové skenování 154lsk ing. martin Štroner, ph.d. katedra speciální geodézie

Documents