primjena laserskih ure Đaja - geof.unizg.hrzlasic/primjena_laserskih_uredaja.pdf · kontinuiranim...

Prof. dr. sc. Zlatko Lasić

PRIMJENA LASERSKIH UREĐAJA

S k r i p t a

Zagreb, rujan 2008.g.

S V E U Č I L I Š T E U Z A G R E B U - G E O D E T S K I F A K U L T E T U N I V E R S I T Y O F Z A G R E B - F A C U L T Y O F G E O D E S Y

Zavod za primijenjenu geodeziju - Institute of Applied Geodesy Katedra za instrumentalnu tehniku F r a A n d r i j e K a č i ć a M i o š i ć a 26, 10 000 Z a g r e b, H r v a t s k a / C r o a t i a, Tel.: 00385 1 4639 370, Fax: 00385 1 4828 081

Z. Lasić: Primjena laserskih uređaja 2

SADRŽAJ 1. LASER ............................................................................................... 4

1.1 FIZIKALNI PROCESI U LASERU ........................................................... 4

1.2 PRIMJENA LASERA ................................................................................. 5

2. LASERSKI UREĐAJ KAO DODATAK DALEKOZORU ............ 5

3. ROTIRAJUĆI LASERSKI NIVELIRI ............................................. 7

3.1 PRINCIP RADA ROTIRAJUĆEG LASERSKOG NIVELIRA AGA GEOPLAN 300 ......................................................................................... 7

3.2 PRIMJENA ROTIRAJUĆIH LASERSKIH NIVELIRA ........................... 8

4. MJERENJE DUŽINA INTERFERENCIJOM SVJETLOSTI – INTERFEROMETRI ...................................................................... 8

4.1 FIZIKALNA OSNOVA .............................................................................. 8

4.1.1 Michelsonov interferometar ....................................................................................... 9

4.1.2 Dopplerov laserski interferometar ........................................................................... 10

4.2 PRIMJENA U GEODETSKOM LABORATORIJU ............................... 11

4.2.1 Komparacija nivelmanskih letava ............................................................................ 12

4.2.2 Ispitivanje teodolita .................................................................................................. 12

5. RUČNI LASERSKI DALJINOMJERI ........................................... 14

5.1 PRINCIP RADA RUČNOG LASERSKOG DALJINOMJERA ............. 14

5.2 BLOK SHEMA RUČNOG LASERSKOG DALJINOMJERA ............... 15

5.3 OPIS RUČNOG LASERSKOG DALJINOMJERA ................................ 15

5.4 TEHNIČKI PODACI RUČNOG LASERSKOG DALJINOMJERA ...... 16

5.5 PRIMJENA RUČNOG LASERSKOG DALJINOMJERA ..................... 17

6. LASERSKI GIROTEODOLIT ....................................................... 18

6.1 GIROTEODOLIT ..................................................................................... 18

6.1.1 Princip rada giroteodolita s mehaničkim giroskopom ............................................. 18

6.1.2 Opis rada mehaničkog giroteodolita ........................................................................ 20

6.1.3 Načini određivanja azimuta pomoću mehaničkog giroskopa .................................. 22

6.2 LASERSKI GIROTEODOLIT ................................................................. 22

6.2.1 Osnovni princip rada laserskog giroteodolita .......................................................... 22

6.2.2 Način određivanja azimuta pomoću laserskog giroskopa ........................................ 24

7. ODREĐIVANJE VISINA KORIŠTENJEM ROTACIJSKOG LASERA U KOMBINACIJI S GPS-om ..................................... 24

7.1 OSNOVE ................................................................................................... 24

7.2 PRINCIP RADA ....................................................................................... 24 7.3 „TOPCON LAZER ZONETM“ SUSTAV.................................................25 8. LASERSKI UREĐAJI ZA SKENIRANJE ..................................... 26

8.1 OSNOVE ................................................................................................... 26

8.2 NAČELO LASERSKOG SKENIRANJA ................................................ 28

8.2.2 Terestrički laserski skeneri ...................................................................................... 28

8.2.2.1 Podjela skenera prema načinu snimanja ............................................................ 28

8.2.2.2 Podjela skenera prema načinu mjerenja udaljenosti ......................................... 29


8.2.2.3 Podjela skenera prema načinu prikupljanja oblaka točaka ................................ 31

8.2.2.4 Prikupljanje i obrada podataka .......................................................................... 31

8.2.2.5 Primjena terestričkih laserskih skenera ............................................................. 32

8.2.2.6 O čemu razmišljati pri odabiru TLS-a ............................................................... 34

8.2.3 Lasersko skeniranje iz zraka – ALS ......................................................................... 35

8.2.3.1 Princip ............................................................................................................... 35

8.2.3.2 Matematički model ............................................................................................ 35

8.2.3.3 GPS + IMU komponente ................................................................................... 36

8.2.3.4 Impulsni laser .................................................................................................... 37

8.2.3.5 Mehanizam za skeniranje .................................................................................. 37

8.2.3.6 Princip obrade ALS podataka ........................................................................... 39

8.2.3.7 Primjene ALS-a ................................................................................................. 40

9. LASERSKO MJERENJE UDALJENOSTI DO SATELITA ......... 41

9.1 LASERSKA MJERNA TEHNIKA – SLR ............................................... 41

9.1.1 Zemaljski dio laserskog mjernog sustava SLR ........................................................ 41

9.1.2 Svemirski dio laserskog mjernog sustava SLR ........................................................ 43

9.2 RAZVOJNA TOČNOST SLR .................................................................. 43

9.3 PODRUČJA PRIMJENE SLR .................................................................. 44

9.3.1 Geometrijske veličine .............................................................................................. 44

9.3.2 Dinamičke veličine .................................................................................................. 44

9.3.3 Prednosti i nedostatci SLR ....................................................................................... 44

10. LASER U KOMBINACIJI S GPS-om ......................................... 45

LITERATURA .................................................................................... 47

POPIS URL-ova: ................................................................................. 47


1. LASER

Laser (eng. Light Amplification by Stymulated Emission of Radiation) – pojačanje svjetlosti pomoću stimulirane emisije zračenja; izvor i pojačalo vrlo usmjerenog snopa koherentnog svjetla, danas i u širem smislu koherentnog elektromagnetskog (infracrvenog, vidljivog i ultraljubičastog) zračenja. Zasniva se na kvantiziranim energetskim stanjima atoma i kvantiziranosti energije pri prijenosu zračenjem.

1.1 FIZIKALNI PROCESI U LASERU Laserska svjetlost, kao i svjetlost iz obične žarulje je emitirana pri prijelazu atoma iz višeg u niže energetsko stanje. Međutim, za razliku od običnih izvora svjetlosti, u laserima atomi djeluju zajedno da bi proizveli svjetlost sa sljedećim karakteristikama:

a) Laserska svjetlost je visoko monokromatska, tj. sastavljena od samo jedne frekvencije

b) Laserska svjetlost je vrlo koherentna c) Laserska svjetlost je jako usmjerena d) Laserska svjetlost može se oštro fokusirati

Laser se zasniva na međudjelovanju atoma ili molekula s vlastitim zračenjem. U optičkom i infracrvenom dijelu spektra emisija nastaje radijacijskim prijelazima atoma iz stanja više energije u stanje niže energije. Emisija svjetla nastaje kao posljedica promjene energije atomskog ili molekularnog skupa. Takva emisija može se shvatiti ako se promatra nastala svjetlost i skup atoma koji je tu svjetlost stvorio, kao zatvoreni sustav. Tada se dolazi do zakonitosti koje tumače pojačavanja svjetlosti u atomskoj sredini. Tako definirana atomska sredina s vlastitim poljem zračenja, zatvorena unutar optičkog rezonatora, daje laserske oscilacije uz određene uvjete. Izmjena energije zračenja s atomima ili molekulama zbiva se apsorpcijom (upijanjem), te spontanom i stimuliranom emisijom zračenja. Ta se izmjena može objasniti na jednostavnom modelu atoma s dvije energetske razine.

Slika 1. Izmjena energije zračenja


Izmjena energije jednaka je razlici energija E2 i E1: hv = E2 - E1

Stimulirana emisija zbiva se kada na atom u pobuđenom stanju djeluje zračenje energije. Zračenje nastalo stimuliranom emisijom širi se u istom smjeru kao i ono koje je stimuliralo atome na emisiju. Laserski uređaj se sastoji od aktivne tvari (sredstva), rezonatora, izvora napajanja, elektronike koja kontrolira rad lasera i izlazne optike (nije neophodna). Prema vrstama aktivne tvari laseri mogu biti:

a) Plinski laseri – obično se koriste plemeniti plinovi kao neon, orgon, CO2 kripton, ksenon i helij. Prvi i najpoznatiji je helijsko neonski laser

b) Čvrsti laseri – rubinski, stakleno-neodinski i granatski laseri. c) Tekućinski laseri – upotrebljavaju se anorganske i organske tvari d) Poluvodički laseri – obično se koristi galij-arsen (GaAs) dioda

Prema režimu rada lasere možemo podijeliti u impulsne lasere i lasere s kontinuiranim radom. U geodetskoj struci u impulsne lasere spadaju daljinomjeri, a s kontinuiranim radom rotacijski laserski niveliri.

1.2 PRIMJENA LASERA Posebnosti laserskog zračenja uzrokom su široke primjene lasera u mnogim granama ljudskog djelovanja. Prepreke za mnoge primjene lasera bile su male snage laserskog snopa. Konstruiranjem snažnih kontinuiranih lasera nestao je i taj nedostatak, što je omogućilo nove primjene. Moguće primjene lasera:

- Obrađivanje materijala laserom (obrada metala, zavarivanje...) - Laserske komunikacije - Precizno mjerenje pomoću lasera (interferometrija, telemetrija) - Lasersko mjerenje dužina - Lasersko navođenje - Primjena lasera u biologiji i medicini - ...

2. LASERSKI UREĐAJ KAO DODATAK DALEKOZORU

Vizurna os dalekozora određena je pravcem koji prolazi presjecištem glavnih niti nitnog križa i glavnom točkom objektiva. Pod pojmom vizure podrazumijeva se skup točaka kojima prolazi zraka svjetlosti od glavne točke objektiva do vizurne točke (signala). Zbog utjecaja refrakcije vizura će, u prostoru, biti blago zakrivljena linija (krivulja). Kod „običnog“ dalekozora objektiv projicira nitni križ u prostor predmeta i ta projekcija nitnog križa na putu do vizurne točke je nevidljiva. Laserski dalekozor ima posebnu konstrukciju okularnog dijela dalekozora zbog optičkog projiciranja nitnog križa pomoću laserskog snopa u prostor predmeta. Primjenom laserske svjetlosti vizura u prostoru predmeta postaje vidljiva. Kažemo da u tom slučaju vizura postaje „aktivna“. Laserski


dalekozori mmogu biti specijalno građeni dalekozori (danas u velikoj primjeni kod mjernih stanica), a kod klasičnih dalekozora obični okulari mogu se zamijeniti laserskim okularima. Laserski snop dovodi se u okularni dio posredstvom fleksibilnog svjetlosnog voda, optičkim vlaknima od izvora laserske svjetlosti. Primjenjuje se plinski helij – neonski laser s emisijom zračenja valne duljine 632,8 nm i snage 3 do 5 mW.

Slika 2. Shema laserskog uređaja kao dodatka dalekozoru

Na slici 2. prikazana je shema laserskog uređaja kao dodatka dalekozoru. Električna energija dovodi se od izvora energije (12 V baterija) do laserske cijevi (1). Emitirani laserski snop koncentrira se kondenzatorom (2) na snop promjera ≈ 0,08 mm. Laserska svjetlost vodi se optičkim vlaknima (3) do posebnog nitnog križa (4). Optička vlakna sastavljena su od jezgre sa staklom većeg indeksa loma i staklenog omotaća s manjim indeksom loma, tako da se uski svjetlosni snop vodi kroz jezgru na osnovi niza totalnih refleksija svjetlosti. Lasreska svjetlost osvjetljuje negativni nitni križ (dvije međusobno okomite pukotine ili krug) koji će se projicirati u prostor predmeta.

Slika 3. Nitni križ dalekozora s laserskom točkom

Zbog toga otklonjena je laserska svjetlost s nitnog križa pomoću staklene diobene točke (5) prema objektivu dalekozora. Time se u konjugiranoj ravnini u prostoru predmeta određenoj položajem prstena za izoštravanje slike dobiva realna slika laserskog nitnog križa. Laserska difuzna svjetlost otklonjena prema okularu apsorbira se pomoću filtra (6), tako da se može i okom promatrati kroz dalekozor.


Slika 4. Optički teodolit s dodatkom lasera

3. ROTIRAJUĆI LASERSKI NIVELIRI Prvi laserski niveliri s rotirajućom zrakom konstruirani su 70-ih godina prošlog stoljeća s glavnom namjenom primjene u graditeljstvu za plošni nivelman. Pomoću laserske zrake ostvarena referentna ravnina omogućuje mjerenje na svim okolnim točkama unutar polumjera do 250 m. U većini današnjih konstrukcija referentna ravnina može se, u prostoru, nagnuti. Jedan od prvih laserskih nivelira u industrijskoj proizvodnji bio je nivelir švedske tvrtke AGA Geoplan, model Geoplan 300 koji je imao ugrađen helij-neonski laser snage 1 mW.

3.1 PRINCIP RADA ROTIRAJUĆEG LASERSKOG NIVELIRA AGA GEOPLAN 300

Glava nivelira rotira oko glavne osi oko 10 okretaja u sekundi. Na njoj se nalaze dva

otvora kroz koja se propušta polarizirana laserska zraka, čiji se izvor nalazi u laserskoj diodi. Jedna je zraka otklonjena za mali elevacijski kut od referentne ravnine, a druga zraka je otklonjena za isti depresijski kut.


Slika 5. Odašiljanje i prijam laserskih snopova pomoću fotoelektričnog detektora

Fotodetektor se pomiče po nivelmanskoj letvi dok indikator ne bude na nuli tj. u referentnoj ravnini. Na prijamniku (fotodetektoru) nalaze se dvije fotodiode koje primaju svjetlosne impulse. Kada svjetlost padne na obje diode istim intenzitetom (ako je vrlo usko područje) indikator pokazuje da se prijamnik nalazi u referentnoj ravnini. Položaj prijamnika se visinski očita na centimetarskoj nivelmanskoj letvi.

U instrument može biti ugrađen kompenzator za automatsko dovođenje zrake u horizontalni položaj. Ovaj tip instrumenta se koristi kada treba u visinskom smislu snimiti veće površine, odrediti horizontalne i vertikalne ravnine pri gradnji i kontroli raznih objekata.

3.2 PRIMJENA ROTIRAJUĆIH LASERSKIH NIVELIRA Rotirajući laserski niveliri imaju široku primjenu u građevinarstvu, u visokogradnji i niskogradnji. Automatski samonivelirajući laseri koriste se za aplikacije koje zahtijevaju preciznu kontrolu nagiba, kao što su: izgradnja prometnica, precizna kontrola dubina za temelje i fine iskope, instaliranje podzemnih cijevi, upravljanje strojevima, te kontrola sustava baziranih na laserskim senzorima za buldožere, grejdere i slične strojeve.

4. MJERENJE DUŽINA INTERFERENCIJOM SVJETLOSTI – INTERFEROMETRI

4.1 FIZIKALNA OSNOVA Pojava interferencije svjetlosti primjenjuje se za najpreciznija mjerenja u različitim područjima tehničkih mjerenja. Interferencijom svjetlosti dva koherentna svjetlosna vala koja su prošla različite optilke putove sastavljaju se u rezultirajući val. Rezultat interferencije ovisi o razlici optičkih putova, amplitudi valova i valnim duljinama, odnosno o frekvenciji valova. Interferencijom valova u nekim prostornim točkama može se pojačati, a u drugima oslabiti svjetlosni intenzitet, ovisno o razlici faza. Interferencije dvaju točkastih izvora nastaju teoretski u čitavom prostoru, no uvjet je koherencija valova. Prostorna koherencija je korelacija faza valova koji su u isti trenutak emitirani s dva točkasta izvora. Vremenska koherencija je korelacija faza valova koji su u dva različita trenutka emitirani s istog točkastog izvora, odnosno s jedne točke izvora zračenja. Karakteristika vremenske koherencije je vremenski


interval ∆t, u kojem izvorna korelacija faza valova ostaje konstanta. Kako valovi mogu prijeći različite optičke putova, a to znači da se mogu razlikovati i u vremenskom trajanju puta, oni mogu interferirati samo ako vremenska razlika puta na prelazi veličinu vremenske koherencije. Veličina maksimalno dopuštene razlike optičkih putova, za koju je još moguća interferencija, naziva se duljina koherencije. Duljina koherencije jednaka je umnošku brzine širenja vala i vremenskog intervala ∆t. Svjetlost dvaju svjetlosnih izvora ne može vidljivo interferirati, jer se ne može postići koherencija valova. U interferometrijskim uređajima primjenjuju se različiti sustavi – djelitelji svjetlosnih valova, koji valove iz istog izvora dovode do sastavljanja. Vrlo važnu primjenu imaju lokalizirane interferencije. To su interferencije snopova paralelnih zraka svjetlosti koje prelaze različite optičke putove, a koje interferiraju u neizmjernosti odnosno u žarišnoj ravnini primijenjenoga optičkog sustava. Lokalizirane interferencije poznate su pod nazivom Fizeauove interferencije (pruge jednakih razmaka) i Haidingerove interferencije (pruge jednakih nagiba). Pruge jednakih razmaka su, npr. Newtonovi prsteni, čija je važna primjena kod ispitivanja sfernih ploha pri izradi leća u optičkoj industriji. Interferirati mogu analogno svjetlosnim valovima i ostali elektromagnetski valovi, no za precizno mjerenje dužina primjenjuju se samo elektromagnetski valovi optičkog spektra. Već sama činjenica da je mjerna jedinica u interferentnoj slici valna duljina primijenjenog zračenja upućuje na visoke točnosti optičke interferometrije uz valne duljine u vidljivom spektru 0,4 do 0,76 µm. Od različitih mogućnosti interferencija valova u mjernoj tehnici važni su slučajevi:

- interferencije dvaju valova iste frekvencije i iste amplitude - interferencije dvaju valova iste amplitude, ali različitih, a bliskih frekvencija

Slika 6. Hod zraka u Michelsonovu interferometru

4.1.1 Michelsonov interferometar

Uski snop zraka svjetlosti s monokromatskog izvora zračenja dolazi do djelitelja (u klasičnoj izvedbi poluprozirnog zrcala), gdje se referentne zrake S1 dijelom odbijaju do čvrstog, ravnog zrcala ZR, a drugi dio snopa (mjerne zrake S2) prolazi kroz zrcalo, te se odbija na pomičnome ravnom zrcalu ZP. Povratne zrake S1 i S2 sastaju se u prijamniku (dalekozor, fotodetektor), gdje interferiraju. Pomakne li se ZP do udaljenosti od poluprozirnog zrcala koja je jednaka udaljenosti ZR od istog zrcala (položaj R), razlika u optičkom hodu zraka jednaka je ništici i prijamnik registrira maksimum svjetlosne energije. Pri udaljavanju pomičnog zrcala samo za četvrtinu valne duljine zbog dvostrukog puta zraka S2 pojavljuje se minimum, tj. gašenje svjetlosti. Tako se pri pomaku zrcala ZP naizmjenično u prijamniku registriraju


svjetlosni maksimumi odnosno minimumi. Ako se pri pomicanju zrcala od referentne ravnine R broje te cikličke promjene, ukupni mjerni pomak može se odrediti brojem jedinica λ/2 promijenjene valne duljine monokromatskog zračenja λ: D = (k + ∆k)·λ/2, gdje je k red interferencije (prirodni cijeli broj). Valna duljina u zraku bit će: λ = λ0/n gdje je λ0 valna duljina monokromatske svjetlosti u vakuumu, a n indeks loma zraka duž mjerene dužine. Veličina ∆k određuje se u interferometriji metodom interpolacije vrlo visokim točnostima, no za precizna mjerenja često tu veličinu nije potrebno ni određivati, jer već polovica valne duljine u optičkom spektru iznosi nekoliko desetina mikrometra. Tom se metodom mogu mjeriti duljine u području duljine koherencije, pa se za mjerenja metarskih dužina primjenjuju laserski izvori svjetlosti, tj. laserski interferometri. Zbog tehničke složenosti uređaja interferometri se primjenjuju, uglavnom, u laboratorijima. Na točnost metode utječe ovisnost valne duljineo indeksu loma zraka na čitavom putu zrake svjetlosti, kao i promjena amplituda zbog optičke nestabilnosti zraka i oscilacija, što može otežati brojenje reda interferencije. Ravno zrcalo ZP treba voditi paralelno duž puta D u granicama nesigurnosti lučne sekunde. Zbog takve osjetljivosti ravnog zrcala primjenjuju se drugi oblici reflektora, posebno trostrane prizme (u kojima otklon zrake ne ovisi o zakretu prizme). Ipak, uređaj s reflektorom mora biti na posebnom nosaču sa saonicama odnosno vodilicama za pravilno pomicanje. Izvedeni su i uređaji s različitim oblicima interferentne slike, npr. s Haidingerovim prstenovima, koji u središtu (već prema smjeru pomaka zrcala) poniru ili iz središta izviru. Svaki prolaz prstena, tj. interferentne pruge kroz središte odgovara jedinici reda interferencije. Za brojenje se primjenjuju fotodiode, koje svjetlosne signale pretvaraju u električne; dalje se elektronički obrađuju i registriraju se podaci. Elektronička detekcija točnija je od vizualne, a nužna je pri mjerenju relativno većih dužina. Pri valnim duljinama svjetlosti već na 1m duljine postoji više milijuna impulsa . Ta apsolutna metoda interferometrijskog mjerenja primijenjena je za komparaciju preciznih nivelmanskih letava i preciznih mjerila, te za ispitivanje osjetljivosti libela.

4.1.2 Dopplerov laserski interferometar

Mjerni princip Dopplerova laserskog interferometra zasnovan je na načelu Michelsonova interferometra, no za mjerenja pomaka prizme upotrebljava se Dopplerov efekt (slika 7.). Izvor zračenja je He-Ne laser. Neonsko zračenje valne duljine 632,8 nm razdvaja se u aksijalno položenome magnetskom polju na dvije odvojene neonske linije s cirkularnom polarizacijom suprotnog smjera i s frekvencijama f1 i f2 (Zeemannov efekt). Pri ulasku u interferometar dio zračenja s frekvencijama f1 i f2 se odvaja, te se pomoću referentne diode formira referentni signal 1,8 MHz kao razlika frekvencija f1 - f2. U interferometru se dio zračenja s dvije frekvencije prvo dijeli u mjerni i referentni dio po analogiji s optičkim


Michelsonivim interferometrom, a zatim se odvajaju i frekvencije pomoću polarizacijskih filtara F1 i F2, tako da do pomičnoga mjernog reflektora dolazi zračenje s frekvencijom f1, a do referentnog reflektora zračenje s frekvencijom f2. Pomicanjem mjernog reflektora, na koji dolazi signal frekvencije f1, dobiva se Dopplerov pomak frekvencije ±∆f (Dopplerov efekt) s predznakom ovisnim o smjeru pomaka. Signali s referentnom frekvencijom f2 i mjernom frekvencijom f1 ± ∆f interferiraju, te se nakon prijama u mjernoj fotodiodi formira mjerni Dopplerov signal f1 - f2 ± ∆f u području 1,8 ± 1,55 MHz.

Slika 7. Dijagram Dopplerova laserskog interferometra (HP model 5525 A) Oba signala s referentne i mjerne fotodiode vode se preko pojačala i triggera uz udvostručenje frekvencije do odvojeni brojača. Jedinica za oduzimanje stalno formira razliku ∆f obaju brojača. Ugrađeno računalo računa brzinu i veličinu pomaka reflektora, te korigira valnu duljinu, ovisno o indeksu loma zraka.

4.2 PRIMJENA U GEODETSKOM LABORATORIJU Točnost mjerenja geodetskim instrumentima sve je veća, pa i točnost umjeravanja i ispitivanja mora biti mnogo veća nego što je bila u prethodnom razdoblju. Danas su nužni suvremeno opremljeni laboratoriji, koji omogućuju ispitivanja s točnostima koja su za jedan red veličine viša od točnosti pri praktičnim mjerenjima. Pretpostavke za to jesu:

- relativne nesigurnosti mjerenja 10-6 i manje - za ispitivanja najviših točnosti klimatiziran prostor (± 1 °C do ± 0,1 °C)

U geodetskom laboratoriju danas je, na osnovi takvih zahtjeva, laserski interferometar nužan. U poznatim laboratorijima u Europi takvi se urađaji stalno primjenjuju (npr. ETH, Zürich; Geodetski institut, München).


4.2.1 Komparacija nivelmanskih letava

Na slici 8. prikazan je komparator za nivelmanske letve duge 8 m uz primjenu laserskog interferometra HP 5526 A (ETH, Zürich). Crte podjele invarne letve viziraju se pomoću projekcijskog mikroskopa. Pri pomaku invarne letve pomiče se na nju pričvršćena pomična mjerna prizma interferometra. Svi mjerni podaci automatski se registriraju (pohranjuju), te se mogu ispisati pisačem.

Slika 8. Komparator za nivelmanske letve s laserskim interferometrom Prema ispitivanjima postignuta su standardna odstupanja mjerenja dužine 0,2 µm + 0,4 ppm (1ppm = 10-6 duljine).

Nesigurnost komparacije ovisi, međutim, o kvaliteti izvedbe crta podjele, o svojstvima mikroskopa i o točnosti viziranja. Standardno odstupanje iznosi za kvalitetne crte uz povećanje 20 x : 2 do 3 µm, a za lošije crte (za koje je povoljnije manje povećanje, npr. 10 x) : 4 do 10 µm (A. Elmiger).

4.2.2 Ispitivanje teodolita

Ako se pomična prizma laserskog interferometra pomiče po luku kruga, može se odrediti kut zakreta, kojim će pri ispitivanjima kutomjernih instrumenata biti dana kutna vrijednost. Polazeći od ishodišnog položaja prizme, kad laserska zraka pada okomito na ulaznu plohu prizme, moguće je za male kutove zakreta α (α < 1 gon) aproksimirati luk kruga s tangencijalnim pomakom ∆s radijusa R: ∆s = R·sin·α Primjenom dviju pomičnih prizmi na zajedničkom nosaču moguće je kut zakreta povećati do ± 8 gon uz razlučivanje kutne vrijednosti do 0,01 mgon. Na slici 9. (lijevo) prikazana je optička shema interferometrijskog sustava pri ispitivanju teodolita pomoću uređaja izvedenog u Geodetskom institutu TU München, a na slici 9. (desno) sam uređaj u


mjernom položaju. Na elektroničkom teodolitu KERN E2 vidi se pričvršćen nosač s prizmama s razmakom prizmi 636,6 mm.

Slika 9. (lijevo) Optička shema interferometrijskog sustava za ispitivanje teodolita (ishodišni položaj), (desno) Ispitivanje elektroničkog teodolita KERN E2 laserskim interferometrom

Laserska zraka dijeli se u magnetskom polju interferometra u dva dijela s bližim frekvencijama f1 i f2 (slika 9. lijevo). Pomoću polarizacijskog filtra (1) te se sastavnice dijele, a pomoću sustava prizmi (2) otklanjaju u dvije paralelne zrake (L1 i L2), koje se dovode mjernim prizmama (3) postavljenim na zajedničkom nosaču na ispitivanom teodolitu. Pri zakretu alhidade teodolita zajedno s nosačem prizama oko okretne točke 0 prizme će se okretati na dijametralnim stranama osi s malim linearnim pomacima suprotnog smjera (promatrajući laserske zrake L1 i L2), što će na osnovi Dopplerova efekta prouzročiti promjene frekvencija ∆f1 i ∆f2 različitog predznaka. Na osnovi veličine zakreta α dobit će se Dopplerova frekvencija ∆f na osnovi koje se dobiju linearne promjene ∆s, iz kojih se računa kut zakreta kao referentna vrijednost : ∆s = R1sinα + R2sinα = Rsinα, gdje je R razmak prizama. Proizlazi: sinα = ∆s/R, pa se te veličine mogu usporediti s odgovarajućim očitanjima horizontalnog kruga teodolita. Postupak ispitivanja može se znatno automatizirati primjenom malog sinkronog motora, kojim se pokreće vijak za fini pomak.


5. RUČNI LASERSKI DALJINOMJERI

5.1 PRINCIP RADA RUČNOG LASERSKOG DALJINOMJERA Razvoj poluvodičkih lasera, mikroprocesora i poluvodičkih integriranih elektroničkih sklopova omogućio je razvoj malih laserskih ručnih daljinomjera. Prvi ručni laserski daljinomjer izložen je 1994.g. na sajmu graditeljstva u Parizu, kao novi proizvod tvrtke Leica iz Švicarske. Iz ručnog laserskog daljinomjera laser odašilje uski snop crvene svjetlosti (valne duljine 670 µm; infracrveno zračenje) amplitudno modulirane frekvencijom 50 MHz. Uz brzinu širenja svjetlosti od cca 300 000 km/s, te frekvenciju 50 MHz iz daljinomjera se odašilje crvena svjetlost lasera amplitudno modulirana valnom duljinom λ1 = 6m. Svjetlost na putu od daljinomjera do reflektora i natrag prijeđe put 2D. Na slici ... vidi se da se u duljini 2D nalazi cijeli broj (n) valnih duljina (λ1) i dio valne duljine (∆ λ1).

Slika 10. Princip faznog načina mjerenja dužina vidljivom svjetlošću ili pomoću infracrvenog zračenja

Proizlazi da je:

2D = n λ1+ ∆ λ1

Nakon što se izmjeri cijeli broj valnih duljina („grubo“ mjerenje), ostatak valne duljine (D λ1) određuje se faznim mjeračem, mjerenjem razlike faze (f1) između odaslanog i primljenog signala u istom trenutku, tj. određuje se tzv. „fino“ mjerenje kojim se dobije ostatak duljine. Kombinacija amplitudne i fazne modulacije, uz pomoć mikroprocesora ugrađenog u daljinomjer, omogućuje da se istovremeno obavi „grubo“ i „fino“ mjerenje.


5.2 BLOK SHEMA RUČNOG LASERSKOG DALJINOMJERA Mikroprocesor upravlja oscilatorom i faznim modulatorom (slika 11.), tako da u mikroprocesoru postoji odaslani digitalizirani signal niske frekvencije, a laserski je snop amplitudno moduliran visokom frekvencijom 50 MHz i fazno moduliranom frekvencijom 1,042 MHz. Reflektirajuću lasersku svjetlost od zida, stijene ili refleksne pločice do koje se mjeri dužina, objektiv fokusira na fotodiodu. Fotodioda modulirani svjetlosni signal pretvara u električni signal kojeg pojačalo pojačava. Analogno-digitalni pretvarač (A/D) primljeni analogni signal iz mješača i filtera niske frekvencije pretvara u digitalni signal. Mikroprocesor računa fazni pomak između odaslanog i primljenog signala. Fazni pomak f određuje se za sto perioda valova i uzima srednju vrijednost, radi veće točnosti mjerenja. Mikroprocesor neprekidno mjeri fazni pomak između odaslanog i primljenog signala za unutarnji i vanjski put svjetlosti i uzima ih u obzir prije prikazivanja konačnog rezultata mjerenja na pokazivaču (engl. display).

Slika 11. Blok shema daljinomjera Leica DISTO

5.3 OPIS RUČNOG LASERSKOG DALJINOMJERA

Visoka preciznost mjerenja, minimalna veličina daljinomjera i jednostavna upotreba osnovne su karakteristike ručnog laserskog daljinomjera. Digitalnim tragačem zrake brzo se i jednostavno pronalazi cilj uz mogućnost primjene digitalnog povećanja (engl. zoom) s nitnim križem (osobito važno pri mjerenju velikih udaljenosti i za rad po Suncu). Ručni laserski daljinomjer u sebi ima ugrađen inklinometar, te se može mjeriti i nagib postavljanjem instrumenta na podlogu. Ugrađena libela omogućava horizontiranje instrumenta, a samim time i lasersku zraku u prostoru.


Proces mjerenja nije završen prikazom mjerene vrijednosti i pohrane podataka; integrirana bežična tehnologija (engl. bluetooth) u kombinaciji sa software-om omogućuje prijenos podataka u terenski Pocket PC ili Notebook, te na daljnju obradu u različite programe (MS Word, MS Excel, AutoCAD).

Opis ručnog laserskog daljinomjera Leica „DISTO“:

Slika 12. Opis ručnog laserskkog daljinomjera Leica DISTO

2- prednji rub do kojeg daljinomjer mjeri dužinu 3- stražnji rub do kojeg daljinomjer mjeri dužinu 4- otvor kroz koji izlazi laserski snop iz daljinomjera 5- objektiv kroz koji u daljinomjer dolazi reflektirani laserski snop (od reflektirane točke

do koje se mjeri dužina) 6- donja strana kućišta daljinomjera prilagođena za držanje u ruci mjeritelja 7- utičnica za kabel (za punjenje struje akumulatora u daljinomjeru) 8- urezi za namještanje gumenog omotača oko daljinomjera i postavljanje zaštitnog

poklopca objektiva 9- poklopac za zaštitu objektiva (dio „a“ služi za mjerenje kratkih dužina kao refleksna

pločica, a dio „b“ služi da bi se lakše kroz crveni filtar vidio laserski snop) 10- zaštitni omotač 11- potporni držač daljinomjera

5.4 TEHNIČKI PODACI RUČNOG LASERSKOG DALJINOMJERA Različiti proizvođači ručnih laserskih daljinomjera u svojim specifikacijama navode

različite tehničke podatke za različite tipove daljinomjera. Kod starijih tipova daljinomjera doseg mjerenja dužine do ciljne točke bio je od 30 cm do 100 m, s mjernom nesigurnošću od ± 3 mm, dok se danas modernim laserskim daljinomjerima dužina može izmjeriti od 5 cm do 200 m, s mjernom nesigurnošću ± 1,5 mm. Vrijeme mjerenja dužine je od 0,4 do 4 s. Širina


laserskog snopa je između 6 mm i 60 mm ovisno o udaljenosti do ciljne točke. U novijim daljinomjerima ugrađena je tzv. Power Range tehnologija koja omogućava mjerenje dužine do 100 m bez ciljne ploče.

Izvor napajanja može biti kabel za punjenje struje akumulatora ili, najčešće, baterije od 1,5 V. Dimenzije ručnog laserskog daljinomjera variraju od modela do modela (npr. 102x58x33 mm), a masa im je između 0,36 kg, pa sve do laganih 0,16 kg.

5.5 PRIMJENA RUČNOG LASERSKOG DALJINOMJERA

Ručni laserski daljinomjeri su, u velikoj mjeri, zamijenili dosadašnje geodetske

mjerače relativno malih udaljenosti kao što su mjerna vrpca, dvometar i sl. Upotreba ručnih laserskih daljinomjera našla je primjenu ne samo u geodeziji, nego i u

srodnim strukama, kao što je građevina, arhitektura, itd. Primjena ručnog laserskog daljinomjera: - mjerenje dužine - mjerenje visine - mjerenje nagiba - izračun površine - izračun volumena Praktična primjena: mjerenje dužine ili širine zidova objekta, mjerenje visine na

nedostupnim mjestima na gradilištu, mjerenje dijagonale (od kuta do kuta), mjerenje i izračun površine, te volumena prostorija (npr. kvadratura stana), mjerenje profila tunela (poluautomatsko određivanje profila tunela laserskim daljinomjerom razvijeno na Geodetskom fakultetu Sveučilišta u Zagrebu), itd.

Slika 13. Moderni ručni laserski daljijnomjer


6. LASERSKI GIROTEODOLIT

6.1 GIROTEODOLIT Azimut na neku točku može se odrediti pomoću astronomskih opažanja na zvijezde, Sunce i druga nebeska tijela. Međutim, u tunelima se astronomska metoda ne može upotrijebiti. Zbog toga su znanstvenici tražili razne načine kako bi konstruirali takve instrumente pomoću kojih će se bez astronomskih opažanja moći odrediti azimut na neku točku. Rješenje se našlo uz primjenu mehaničkih giroskopa, a zatim u nešto novije vrijeme uz primjenu laserskih giroskopa.

6.1.1 Princip rada giroteodolita s mehaničkim giroskopom

U giroteodolit je ugrađen mehanički giroskop koji rotira s velikom kutnom brzinom oko svoje osi (oko 22 000 okreta u minuti). Budući da i Zemlja istodobno rotira oko svoje osi, nastaje giroskopski moment. On nastoji mehanički giroskop (koji ima dva stupnja slobode gibanja) zakrenuti u ravninu meridijana. Na osnovi tog učinka može se odrediti položaj ravnine meridijana, tj. azimut prema nekoj točki na Zemlji. Iz približne teorije giroskopa (mehanike) zna se da se giroskopski moment pojavljuje ako giroskop rotira oko svoje osi s kutnom brzinom ωg, a ta njegova os još rotira u prostoru. Takav slučaj pojavljuje se i pri rotaciji giroskopa u giroteodolitu. Naime, Zemlja rotira oko svoje osi, te na taj način os giroskopa u giroteodolitu koji je postavljen na Zemlji rotira u svemirskom prostoru s kutnom brzinom roracije Zemlje ωZe. Zbog toga se pojavljuje giroskopski moment koji se, prema jednadžbi približne teorije giroskopa, može izraziti ovim vektorskim produktom: Mg = Ig · (ωg х ωZe), gdje je Mg – vektor giroskopskog momenta, Ig – moment tromosti giroskopa s obzirom na os oko koje rotira giroskop, ωg – vektor kutne brzine s kojom giroskop rotira oko svoje glavne osi, ωZe – vektor kutne brzine rotacije Zemlje (kutna brzina s kojom os giroskopa rotira u svemirskom prostoru).

Slika 14. Mehanički giroskop i njegove glavne osi tromosti


Kutna brzina rotacije Zemlje, kao što se vidi na slici 15., može se projicirati na pravac vertikale i na horizontalnu ravninu, te se može napisati da je: ωZev = ωZe · sin φ ωZeh = ωZe · cos φ, gdje ωZev – projekcija vektora kutne brzine rotacije Zemlje na pravac vertikala, ωZeh – projekcija vektora kutne brzine rotacije Zemlje na ravninu horizonta, φ – geografska širina mjesta mjerenja.

Slika 15. Projekcija vektora kutne brzine rotacije Zemlje nas pravac vertikala i na horizont

Može se naglasiti da projekcija kutne brzine rotacije Zemlje na horizont „pada“ u ravninu meridijana. Razmotrit će se gibanje okvira giroskopa s dva stupnja slobode gibanja, koji je prikazan na slici 16. Giroskop, kao što se vidi na slici, u ovom slučaju može rotirati oko svoje osi AB u horizontalnoj ravnini i zajedno s okvirom oko osi CD. Korisnika giroteodolita zanima zašto dolazi do rotacije giroskopa zajedno s okvirom oko vertikalne osi CD, tj. do njihovog njihanja oko ravnine meridijana (pravca sjever-jug). Tu rotaciju (njihanje) okvira giroskopa oko vertikalne osi CD može izazvati jedino vetikalna sastavnica giroskopskog momenta, što se može matematički izraziti vektorskim produktom: Mgv = Ig · (ωg х ωZeh), gdje je Mgv – vertikalna sastavnica vektora giroskopskog momenta, ωZeh – projekcija vektora kutne brzine rotacije Zemlje na ravninu horizonta. Modul dobivenog vektora iz vektorskog produkta jednak je: Mgv = Ig · ωg · ωZeh · sin β, gdje je β – kut između vektora ωg i ωZeh, tj. kut između vektora ωg i ωZeh, tj. kut između ravnine okvira giroskopa i meridijanske ravnine. Pravac rezultantnog vektora okomit je na ravninu vektora ωg i ωZeh, a smisao mu je određen po pravilu desnog vijka i to rotacijom najkraćim putem vektora ωg i ωZeh. U slučaju prikazanom na slici 16. vektor Mgv bit će usmjeren prema gore. Iz gore navedenih formula može se pisati:


Mgv = Ig · ωg · (ωZe · cos φ) · sin β Iz dinamike krutog tijela zna se da diferencijalna jednadžba rotacijskog gibanja krutog tijela oko stalne osi rotacije glasi: I · ε = MFV, gdje je I – moment tromosti tijela oko osi koje ono rotira, ε – kutno ubrzanje tijela, MFV – moment vanjskih sila koje djeluju na tijelo. Ako se ta jednadžba promijeni na rotaciju okvira giroskopa s giroskopom oko osi CD bit će: Igv+0 · ε = - Mgv, gdje je Igv+0 – jednak zbroju momenata tromosti giroskopa oko vertikalne osi plus moment tromosti okvira oko osi CD. Predznak giroskopskog momenta Mgv je negativan jer u promatranom slučaju kut β, kao što se vidi iz slike16., raste u smjeru kretanja kazaljke na satu, a vertikalna sastavnica giroskopskog momenta Mgv u smjeru kretanja suprotnom od kazaljke na satu.

Slika 16. Mehanički giroskop s dva stupnja slobode gibanja

6.1.2 Opis rada mehaničkog giroteodolita

Njihanje giroskopa oko vertikalne osi okvira giroskopa CD može se podijeliti u nekoliko faza i riječima opisati ovako:


1. Faza

Djelovanjem vertikalne sastavnice giroskopskog momenta Mgv (ako je giroskop otklonjen od ravnine meridijana za neki kut β), giroskop će poćeti ubrzano rotirati oko vertikalne osi CD prema ravnini meridijana.

2. Faza

Kad giroskop dođe u ravninu meridijana, tj. kada je kut β = 0, vertikalna sastavnica giroskopskog momenta bit će jednaka nuli, jer je sin 0° = 0. Međutim, postojat će kutna brzina rotacije giroskopa oko vertikalne osi ωgv dobivene od vertikalne sastavnice giroskopskog momenta Mgv u onim položajima kad je giroskop bio otklonjen za neki kut β od ravnine meridijana. Zbog toga će giroskop i njegov okvir, po zakonu tromosti, nastaviti rotaciju na drugu stranu od ravnine meridijana.

3. Faza Nakon prijelaza glavne osovine giroskopa na drugu stranu ravnine meridijana, pojavi se vertikalna sastavnica giroskopskog momenta suprotnog smjera od sastavnice u prvoj fazi. Zato će sada moment Mgv u početku kočiti rotaciju giroskopa oko vertikalne osovine CD dok je konačno ne zaustavi. Nakon zaustavljanja rotacije giroskopa oko vertikalne osi pod djelovanjem te iste vertikalne sastavnice giroskopskog momenta, giroskop će početi ubrzano rotirati u suprotnom smislu, tj. prema ravnini meridijana. To će se tako neprestano ponavljati, tj. pojavit će se njihanje giroskopa s okvirom oko ravnine meridijana. Kada se očitaju maksimalni otkloni giroskopa (u slučaju da se otpori mogu zanemariti), položaj ravnine meridijana (pravca sjevera) bit će točno u sredini između tih otklona giroskopa.

Slika 17. Faze rada giroteodolita i krajnji otkloni giroskopa


6.1.3 Načini određivanja azimuta pomoću mehaničkog giroskopa

U idealnim uvjetima, oscilacije mehaničkog giroskopa zajedno s njegovim okvirom bile bi neprigušene, pa bi se pravac sjevera nalazio točno u sredini između maksimalnih otklona giroskopa. Međutim, u realnom gibanju giroskopa zajedno s okvirom pojavljuju se otpori koji prigušuju oscilacije, pa dolazi do smanjivanja amplituda.

Zbog toga se pri točnom određivanju azimuta mora uzeti i taj utjecaj od prigušenja, kao i utjecaj od torzije vrpce (niti), tj. pojavu suprotstavljanja rotacije vrpce (niti) oko njezine uzdužne osi izazvane zakretanjem giroskopa oko vertikalne osi. Postoje nekoliko metoda određivanja azimuta:

a) reverzijska metoda b) amplitudna metoda c) metoda prolaza (vremenska metoda) d) kombinirana metoda

6.2 LASERSKI GIROTEODOLIT

6.2.1 Osnovni princip rada laserskog giroteodolita

Razvoj laserskih svjetlosnih izvora monokromatske koherentne svjetlosti omogućio je konstrukciju novih tehničkih uređaja za mjerenja kutnih brzina koji su dobili naziv laserski giroskopi ili optički giroskopi. Laserski giroskop je zatvoreni rezonator u kojem kruže dva suprotno usmjerena koherentna svjetlosna toka monokromatske svjetlosti. Općenito, laserski giroskop može biti izrađen s tri ili više zrcala, odnosno kanala, u kojima prolaze dva svjetlosna toka koji idu jedan u susret drugom.

Slika 18. Laserski giroteodolit

Kako se u laserskom giroskopu ostvaruju dva suprotno usmjerena svjetlosna snopa može se pojasniti u primjeru četiri zrcala. U laserskom giroskopu svjetlost se iz lasera dijeli na dva dijela:


- dio svjetlosti 1 prvo se reflektira od poluprozirnog zrcala (slika 19. „b“), zatim i od ostala tri zrcala, da bi se po povratku na poluprozirno zrcalo ponovno reflektirao i prošao kroz prizmu i ušao u fotodetektor

- dio svjetlosti 2 prolazi kroz poluprozirno zrcalo (slika 19. „c“), a zatim se reflektira na ostala tri zrcala, da bi po povratku ponovno prošao kroz poluprozirno zrcalo, a zatim i prizmu i ušao u fotodetektor.

Slika 19. Laserski giroskop s četiri zrcala

Pri rotaciji takve zatvorene svjetlosne figure oko osi okomite na njezinu ravninu: - put svjetla koji ona prelazi po opsegu svjetlosne figure u smjeru vrtnje bit će duži

(slika 20. „b“) - put svjetla koji ona prelazi po opsegu svjetlosne figure u suprotnom smjeru od

smjera vrtnje bit će kraći (slika 20. „c“)

Slika 20. Promjena duljina prijeđenih puteva svjetla u laserskom giroskopu izazvana rotacijom oko okomite osi na ravninu giroskopa

Zbog rotacije laserskog giroskopa oko osi okomite na ravninu giroskopa doći će do doplerovskog pomaka frekvencije svjetla, tj.:

- frekvencija svjetla koja prelazi veći put smanjuje se - frekvencija svjetla koja prelazi manji put povećava se Pomak frekvencije svjetla uzrokovan rotacijom može se izmjeriti optičkim načinom.

Naime, u prizmi se lomi svjetlost i tako odvaja po frekvenciji, pa se u fotoelektričnom uređaju može odrediti koliki je Dopplerov pomak frekvencije, tj. kolika je razlika frekvencija iz jednog i drugog smjera laserske svjetlosti.


6.2.2 Način određivanja azimuta pomoću laserskog giroskopa

Da bi se laserskim giroskopom odredio položaj meridijana u prostoru potrebno je ravninu osjetljivosti laserskog giroskopa postaviti vertikalno i zatim ga okretati oko pravca vertikala, sve dok razlika frekvencija u fotoelektričnom uređaju ne postane jednaka ništici. To se može objasniti tako da je u tom slučaju projekcija vektora kutne brzine rotacije Zemlje ωZe oko njezine osi na os osjetljivosti laserskog giroskopa (tj. na pravac okomit na ravninu giroskopa) jednaka ništici. Naime, u tom slučaju vektor kutne brzine Zemlje leži u ravnini osjetljivosti laserskog giroskopa, pa nema u njemu pomaka frekvencije svjetlosti. Podjela giroskopa prema točnosti:

- giroskop visoke točnosti (standardno odstupanje ≤ 2“) - giroskop srednje točnosti (standardno odstupanje 10“ do 15“) - giroskop manje točnosti (standardno odstupanje 1')

Danas se, uglavnom, proizvode giroskopi visoke točnosti s mjernom nesigurnošću do 1“.

7. ODREĐIVANJE VISINA KORIŠTENJEM ROTACIJSKOG LASERA U KOMBINACIJI S GPS-om

7.1 OSNOVE Određivanje visina nivelirom s dodatkom planparalelne ploče do danas je bio jedini način da bi se ostvarila milimetarska preciznost. Samostalnim korištenjem GPS-a ovakva visoka preiznost se ne može ostvariti, već su se najbolji rezultati u visinskom smislu ostvarivali u rasponu od 1 do 4 cm. U novije vrijeme razvijena je tehnologija koja omogućava određivanje visina s milimetarskom preciznošću. Jedan od proizvođaća geodetskih instrumenata tvrtka Topcon razvila je ovu tehnologiju pod nazivom „Topcon LazerZone

TM“. Sustav se koristi u kombinaciji s Topcon GPS RTK HiPer Pro uređajem koji određuje položaj točke čija se visina određuje. TLZ sustav sastoji se od laserskog odašiljača (modificirani rotacijski laserski nivelir) i laserskog senzora (prijamnik).

7.2 PRINCIP RADA Cjelokupni sustav sastoji se od Topcon GPS RTK HiPer Pro uređaja kojim se određuje položaj točke (y, x) i TLZ sustava koji određuje visinu točke (z). Ovako integriran sustav radi na sljedeći način. Referentni (bazni) GPS uređaj postavlja se na točku poznatu po koordinatama (y, x, z), te šalje sve korekcije putem radio ili GSM veze pokretnom (eng. rover) GPS uređaju. Na pokretnom GPS uređaju nalazi se laserski prijamnik koji prima lasersku svjetlost od laserskog odašiljača postavljenog na točku koja ima poznatu visinu. Laserski odašiljač postavljen je na stativ sa fiksnom visinom. Pokretni GPS uređaj određuje koordinate nepoznate točke, a laserski prijamnik, koji se nalazi na držaću ispod GPS antene


prima laserski signal, te trenutno određuje visinsku razliku između laserskog odašiljača i pokretnog GPS uređaja s milimetarskom preciznošću. 7.3 „TOPCON LAZER ZONETM“ SUSTAV TLZ sustav sastoji se od laserskog odašiljača PZL-1 (slika 22.) i laserskog prijamnika (senzora) PZS-1 (slika 23.). Laserski odašiljač ne šalje horizontalnu lasersku zraku kao što je to običaj sa rotacijskim laserskim nivelirom, već šalje laserski snop visine 10 m u radijusu od 300 m. (slika 21.).

Slika 21. Topcon LazerZoneTM sustav

Gdje god se nalazio senzor unutar područja od 10 m, prima laserski signal od odašiljača i računa visinsku razliku.

Slika 22. Laserski odašiljač PZL-1

Tehničke karakteristike: • Širina laserskog snopa: ±10° (0-30 m),

±5m (30-300 m) • Radijus laserskog snopa: 300 m • Točnost laserskog snopa: rezolucija - 1arc

sekunda • Automatsko horizontiranje: ±5° • Brzina vrtnje lasera: 600 okr/min • Klasa lasera: 1 • Bežična veza (Bluetooth), RS - 232C veza • Baterije-interne Ni-MH za 15 sati rada • Aluminijsko kučište, vodootporno • Raspon rada -20 °C do 50 °C


Slika 23. Laserski senzor PZS-1

Tehničke karakteristike:

• Detektiranje laserskog signala: "prozor" širine ±10° sa ±10°

• RS - 232C veza

• Baterije - interne Li-Ion za 8 sati rada

• Aluminijsko kučište, vodootporno

• Raspon rada -20 °C do 50 °C

• Težina 1,00 kg

Laserski senzor prima laserski signal od odašiljača i trenutno računa visinsku razliku svoje pozicije u odnosu na položaj odašiljača s preciznošću od ± 2,5 mm/50 m. Neograničen broj laserskih senzora može raditi istovremeno u djelokrugu rada jednog laserskog odašiljača.

Opisani sustav, osim u svakodnevnim geodetskim poslovima iskolčenja i izmjere, nalazi široku primjenu pri upravljanju i navođenju građevinskih strojeva na gradilištima (slika 24. a i b). Od građevinskih se strojeva, ovisno o namjeni, traži različita položajna i visinska točnost izvođenja radova zadanih projektom.

Za projekte koji su zahtijevali milimetarsku visinsku točnost do danas se u sustavu navođenja nije mogla koristiti GPS RTK mjerna tehnika za određivanje položaja strojeva, zbog nedovoljne točnosti u visinskom smislu. Instaliranjem PZS-MC senzora (slika 24. c) uz GPS RTK prijamnike na različite građevinske strojeve (finišere, grejdere, buldožere i ostale strojeve) svodi se visinska točnost na milimetarsku razinu, te je kao takav sustav pogodan za gotovo sve radove na gradilištu.

Upotreba "Topcon LazerZoneTM" sustava za upravljanje i navođenje građevinskih

strojeva značajno smanjuje potrebno vrijeme za mjerenja te povećava kvalitetu rada građevinskih strojeva, a samim time povećava se produktivnost i smanjuje troškove građevinskih radova.

Slika 24. Topcon LazerToneTM sustav u praksi (a, b) i PZS-MC senzor (c)

8. LASERSKI UREĐAJI ZA SKENIRANJE

8.1 OSNOVE Opisivanje trodimenzionalnih svojstava realnih objekata u našem okruženju, te njihova pohrana u digitalnom obliku, postali su stvarnost u mnogim područjima ljudske aktivnosti. Osim toga, stalni napredak računalne tehnike i njena sve šira rasprostranjenost dovode do

(a) (b) (c)


potražnje za sve većom količinom kvalitetnih i detaljnih podataka naročito o prostoru ljudske aktivnosti i objektima koji ih okružuju. S obzirom na njihovu kompleksnost i izvanrednu raznolikost, prije svega u geometrijskom smislu, za kvalitetno opisivanje je potrebna izuzetno velika količina mjerenih podataka. Toliku količinu podataka ne bi bilo moguće prikupiti dovođenjem mjerne naprave u fizički kontakt sa objektom, za svaku mjerenu točku. Stoga se već čitavo stoljeće koristi fotogrametrija kao efikasan i kvalitetan način izmjere bez neposrednog kontakta s objektom. Zadnjih desetak godina se afirmirala i tehnologija prostornog laserskog skaniranja, kao potpuno automatizirana i izuzetno efikasna metoda prikupljanja prostornih podataka. Ova tehnologija se uobičajeno označava pojmom LiDAR od engl. Light Detection And Ranging, iako je bilo sugestija da se uvede pojam LaDAR (eng. Laser Detection And Ranging, Wehr & Lohr 1999.), zbog naglašavanja da se radi o primjeni lasera. Općenito se može uzeti da je LiDAR potpuno automatiziran, aktivan, optičko-mehanički postupak prikupljanja prostornih podataka dostupnih s aktualnih snimališta.

Interesantno je napomenuti da se LiDAR ne koristi samo za prostorno skeniranje, već i za praćenje fizikalnih procesa u atmosferi, jer omogućuje vrlo precizno mjerenje brzine, smjera kretanja, te gustoće čestica u atmosferi. Ova tehnologija se obilježava kraticom DIAL (eng. DIfferential Absorption LIDAR).

Mjerenje laserskim skeniranjem u načelu je zasnovano rasterskim vođenjem laserske zrake u dva karakteristična smjera motornim pogonom mehaničkih i optičkih dijelova. Na slici 25. prikazan je osnovni princip kako se na osnovi mjerenih zakreta zrcala i mjerene duljine određuju koordinate Y, X, Z za pojedinu skeniranu točku. Dodatno se tim koordinatama registrira intenzitet reflektiranog laserskog signala ovisan o stupnju odbijanja površine i o prostornoj orijentaciji plohe u odnosu prema smjeru laserske zrake. U rasterskom obliku snimanja dobija se prostorna slika i slika razdiobe intenziteta, pa se govori i o 4D laserskom skeniranju.

Slika 25. Princip laserskog skeniranja


8.2 NAČELO LASERSKOG SKENIRANJA Tehnologija prostornog laserskog skeniranja dijeli se na:

- Lasersko skeniranje sa Zemlje (eng. Terrestrial Laser Scanning) – TLS - Lasersko skeniranje iz zraka (eng. Airborne Laser Scanning) – ALS

Velike površine terena najčešće se skeniraju korištenjem zrakoplova kao platforme koja nosi skener. Ograničena područja kao što su strme površine terena (kamenolomi), izrada detaljnih modela zgrada, mostova, tunela, te pojedinačne skulpture pogodnije su za skeniranje s nepomičnih snimališta. Lasersko skeniranje nije zamjena za postojeće tehnike geodetskog snimanja, ali je varijanta koja se može upotrijebiti u većini godetskih poslova. Skeniranje se odvija, kako je već navedeno, metodom registracije kuta i udaljenosti do određene točke u području snimanja. Rezultat ovakvog načina snimanja je skup trodimenzionalnih točaka, vremenski određenih, a naziva se „oblak“ točaka. Prostorna udaljenost između susjednih snimljenih točaka unutar oblaka točaka ovisi o blizini objekta snimanja i tehničkoj specifikaciji samog instrumenta. Većina današnjih skenera može snimiti vrlo guste oblake točaka, pa je tako moguće dobiti točke na snimljenom objektu međusobno udaljene tek jedan milimetar. Oblak točaka može uz svoje prostorne, relativne ili apsolutne koordinate sadržavati i intenzitet RGB (eng. Red, Green, Blue) boje reflektirane površine. To znači; reflektira li se laserska zraka od zelenog lista na drvetu, ta točka će uz pripadajuće koordinate sadržavati i podatak o boji i intenzitetu reflektirane zrake. Budući da se laserskim skenerom često prikupi i više milijuna točaka po stajalištu, vođenje detaljne skice je nepotrebno, jer se iz oblaka točaka može dobiti i više nego dovoljno informacija za identifikaciju svih snimljenih objekata, te izradu plana situacije. Kao primjer izvrsno može poslužiti snimljena (skenirana) cesta, te uz cestu postavljena ploča na kojoj piše ime ulice. Iz oblaka točaka lako je pročitati naziv ulice na ploči, jer je uz nekoliko stotina točaka dobiven oblik i informacija o boji (npr. bijela slova na plavoj podlozi).

8.2.2 Terestrički laserski skeneri

8.2.2.1 Podjela skenera prema načinu snimanja

U današnje vrijeme moguće je razlikovati tri vrste TLS prema načinu snimanja,

međutim još ne postoji standard za usmjeravanje laserske zrake tako da svaki proizvođač ima svoj sistem za posebne aplikacije.

Tri uobičajene vrste skenera prema načinu snimanja su: - Skeneri-kamere: ograničeni prozor snimanja - FOV (Field Of View) npr. 40°x40°.

Može se usporediti s fotogrametrijskim kamerama, što znači, skeniraju sve što se nalazi u trenutačnom prozoru snimanja, npr. CYRA 2500 (Leica) ili ILIRIS 3D (OPTECH). Snimanje se izvodi pomoću dva sinkronizirana ogledala (horizontalno i vertikalno) koja usmjeravaju lasersku zraku. Ovaj način snimanja zna biti vrlo nepraktičan zbog uskog područja snimanja, ali često ovaj tip skenera ima vrlo veliki domet (i više od 1000m), što nadoknađuje navedeni nedostatak.

- Panoramski skeneri: FOV je limitiran samo bazom instrumenta, što znači da skenira sve oko sebe osim područja ispod postolja na kojem se nalazi u trenutku skeniranja,


npr. IMAGER 5003 (Zoller+Frohlich) ili HDS4500 (LEICA). Snimanje se izvodi rotacijom jednog ogledala koje usmjerava lasersku zraku u vertikalnom kutu od otprilike 310° te rotacijom cijelog postolja instrumenta za 360° oko vertikalne osi. Na taj način dobiva se snimak od 310°x360°. Prednost ovog tipa skenera je u njihovoj brzini prikupljanja podataka i veličini područja skeniranja. Nedostatak je kratki domet te im je uporaba u većini slučajeva ograničena na interijere objekata.

- Hibridni skeneri: FOV u horizontalnoj osi je 360° dok je po vertikalnoj osi limitiran na otprilike 60°. Ovaj tip skenera sadrži rotacijsku prizmu ili ogledalo koji se rotiraju oko horizontalne osi i skenira sve u vertikalnom kutu od 60°, a u trenutnom smjeru gledanja. Cijeli (ili dio) instrument se rotira oko vertikalne osi za 360°, npr. GX (TRIMBLE) ili LMS Z 360 (RIEGL). Na taj način dobiva se snimak od 60°x360°. Ovaj tip instrumenta je najčešći u praksi zbog njegove svestranosti.

Slika 26. Shematski prikaz tri uobičajene vrste skenera prema načinu snimanja

Jedinstvenu kategorizaciju TLS-a je vrlo teško napraviti jer se primijenjena tehnologija bitno razlikuje od modela do modela. Vrlo je važno naglasiti da ne postoji univerzalni skener za sve primjene. S obzirom na njihovu tehničku izvedbu i tehničke specifikacije kojima se odlikuju, neki skeneri su bolji za interijere i detalje dok su drugi bolji za eksterijere i velike objekte.

8.2.2.2 Podjela skenera prema načinu mjerenja udaljenosti

Terestričke laserske skenere moguće je kategorizirati i po načinu mjerenja udaljenosti. Tehnologija mjerenja udaljenosti direktno utječe na domet i točnost skeniranja. Danas se koriste tri različite tehnologije mjerenja udaljenosti laserskim skenerima, i to pulsna, fazna i triangulacijska metoda. Navedene tehničke izvedbe obično se koriste samostalno, ali moguće ih je kombinirati kako bi se dobio raznovrsni sustav za skeniranje.


Terestrički laserski skeneri kategorizirani po načinu mjerenja udaljenosti su: - Pulsni (eng. Time Of Flight) - TOF - radi na principu mjerenja vremena između

odaslanog i primljenog signala. Domet ovog načina mjerenja udaljenosti može biti preko 1 km. Prednost ostvarena mjerenjem velike udaljenosti, nažalost, podrazumijeva i smanjenu točnost.

- Fazni (eng. phase) - radi na principu mjerenja razlike u fazi između odaslanog i primljenog signala. Nedostatak je ograničenost dometa na stotinjak metara, ali točnost ovog načina mjerenja udaljenosti je u granicama od nekoliko milimetara.

- Triangulacijski (eng. triangulation) - radi na principu optičke triangulacije. Laserska zraka se projicira na objekt i registrira se na senzoru koji je smješten na poznatoj udaljenosti od izvora zrake. Ovaj način mjerenja udaljenost nema veliku korisnost u geodetskoj izmjeri jer je domet ograničen na nekoliko metara, ali su zato točnosti koje se mogu postići ovom metodom u granicama mikrometra.

Od navedenih načina mjerenja, pulsno mjerenje udaljenosti se najviše koristi u terestričkoj laserskoj izmjeri. Dobivena udaljenost se kombinira s izmjerenim prostornim kutovima (horizontalni i vertikalni) za dobivanje trodimenzionalnih koordinata.

a)

b)

c)

Slika 27. Shematski prikaz pulsnog (a), faznog (b) i trangulacijskog (c) načina mjerenja udaljenosti kod različitih izvedbi terestričkih laserskih skenera


8.2.2.3 Podjela skenera prema načinu prikupljanja oblaka točaka

Skeneri se također mogu podijeliti po načinu prikupljanja podataka tj. oblaka točaka. Naime, postoje dva tipa oblaka točaka, apsolutni (georeferencirani) i relativni (lokalni) oblak točaka. Većina skenera nije prvotno rađena za geodetske potrebe, pa direktno georeferenciranje nije niti bilo potrebno.

U današnje vrijeme pojavila se potreba za direktnim georeferenciranjem podataka na terenu, pa određeni skeneri novije generacije imaju tu mogućnost (npr. Trimble GX, Leica ScanStation). Bitna novost kod ovih skenera je što imaju ugrađene horizontalne i vertikalne kompenzatore kao i klasični geodetski instrumenti. Ova tehnička izvedba ima određenih prednosti, ali i nedostatka u usporedbi sa skenerima bez kompenzatora. Prednost ovakvih skenera je u tome što je moguće izvoditi mjerenja na jednak način kao i klasičnim geodetskim instrumentima, razvijanje poligonskog vlaka, iskolčenje točaka, mjerenje samo jedne karakteristične točke i sl. Tako prikupljeni podaci (oblak točaka) mogu se georeferencirati već na terenu i nije potrebno uklapanje snimljenih oblaka točaka naknadnom obradom. To ne znači da skeneri koji nemaju direktno georeferenciranje ne mogu imati georeferencirani oblak točaka, već samo da se taj postupak, bez većih poteškoća, radi naknado u obradi.

Budući skeneri koji imaju ugrađen kompenzator i mjere na klasični geodetski način, moraju ispuniti zahtjev da vertikalna os bude vertikalna u prostoru. Time je međutim onemogućeno naginjanje i usmjeravanje skenera u različitim smjerovima. Također su upravo zbog prisutnosti kompenzatora puno osjetljiviji na podrhtavanja u okolini.

8.2.2.4 Prikupljanje i obrada podataka

Kod većine skenera prikupljanje podataka se vrši uz pomoć računalnog programa (aplikacije) isporučenog zajedno sa skenerom. Aplikacija je instalirana na prijenosnom računalu ili dlanovniku, te se putem mrežnog kabela ili bežične veze (eng. Bluetooth) spaja na skener. Svaka aplikacija za prikupljanje podataka je drugačija, ali rezultat je na kraju isti: oblak točaka. Većina skenera prikuplja lokalne oblake točaka koji se naknadnom obradom moraju spojiti zajedno i ako je potrebno, georeferencirati. Spajanje oblaka točaka se najčešće vrši pomoću spajanja identičnih točaka unutar oblaka točaka. Postoje i algoritmi koji mogu automatski prepoznati geometrijske oblike unutar oblaka točaka. Međutim, zbog složenosti nisu uvijek primjenjivi, pa se ovaj način rijetko koristi u praksi. Kod skenera koji imaju mogućnost direktnog georeferenciranja nema potrebe za ovim korakom, jer oblaci točaka dobiveni na ovaj način već su na terenu postavljen u stvarni prostor. Sam postupak spajanja oblaka točaka i georeferenciranja nije kompleksan i često se već poluautomatski izvodi na terenu.


Tablica 1: Usporedba TLS-a s klasičnom mjernom stanicom

8.2.2.5 Primjena terestričkih laserskih skenera

Mogućnosti primjene velike količine podataka prikupljenih terestričkim laserskim skenerima danas su vrlo velike. Stalno povećanje procesne snage modernih računala praktički svakodnevno otvara i nove mogučnosti. Mnoštvo točnih 3D prostornih podataka prikupljenih u jednom trenutku snimanja nekog objekta istovjetno je fotografiji. Razlika između njih je, dakako, za cijelu jednu dimenziju u korist prvih. Njihovom naknadnom obradom moguće je izvoditi uopćene modele s obzirom na konkretne potrebe, a izvorni podaci mjerenja ostaju kao bogat i brzo dostupan izvor informacija o promatranom objektu ili cijelom sustavu. a) Topografska izmjera Opsežni radovi na detaljnoj topografskoj izmjeri mogu biti izvedeni laserskim skenerima. Izmjera arheoloških iskopina za potrebe dokumentacije zahtjeva visoku točnost i gustoću. Primjena skenera kod izrade digitalnih modela kamenoloma. b) Izmjere na gradilištu Laserski skeneri nalaze veliku primjenu kod snimanja mostova, cesta, zgrada i tunela. Valja napomenuti da modeliranje navedenih objekata zahtjeva jako puno obrade, bez obzira kako su snimljeni podaci na terenu.

Klasična mjerna stanica Terestrički laserski skener - mjerenje karakterističnih točaka - mnogo truda za malo točaka - uloženi trud po točki je velik - geometrija snimljenih točaka je

deskriptivna - točke snimanja odabiru se na terenu

(iskustvo) - odabir snimljenih točaka određuje

kvalitetu snimka

- pojedinačna mjerenja - ne mjere se karakteristične točke - nekontroliran odabir točaka - snimak nema geometrijskog značenja

(simbolika) - uloženi trud po točki je mali - odabir snimljenih točaka u uredu

(postprocessing) - kvaliteta opisnog karaktera – ovisi o

snimljenim elementima


Slika 28. Fotografija skeniranja tunela (lijevo) i dobiveni oblak točaka (desno)

c) Mjerenje deformacija Pri strukturalnom nadgledanju, lasersko skeniranje može se smatrati naprednijim od ostalih geodetskih metoda (klasična izmjera, GPS), koje mogu pratiti deformaciju na samo ograničenom broju točaka, dok skener može mjeriti deformacijsku plohu. Laserski su skeneri više nego pogodni za praćenje deformacija na kapitalnim građevinskim objektima. d) Industrijska izmjera Laserski skeneri našli su svoje mjesto u svakoj grani ljudske djelatnosti koja zahtjeva prikupljanje velike količine točnih 3D podataka. Jedna od primjena je u zrakoplovnoj industriji, projektiranje vlakova, brodova i dr. e) Izmjera objekata kulturnog naslijeđa Prilikom izmjere pročelja i ostalih dijelova zgrada kulturnog naslijeđa, lasersko skeniranje daje, samostalno ili u kombinaciji s metodama terestričke fotogrametrije, dobar odnos uloženog i dobivenog. Detaljan i brzo dostupan digitalni visinski model pročelja zgrade uveliko će olakšati postupak obnove kulturnog naslijeđa.

Slika 29. Usporedba oblaka točaka i fotografija pročelja bivše Kraljevske sveučilišne knjižnice, danas Hrvatski

državni arhiv (s lijeve strane) i Hrvatskog narodnog kazališta (s desne strane)


f) Izmjera unutarnjih prostora

8.2.2.6 O čemu razmišljati pri odabiru TLS-a

Jedan od osnovnih kriterija je točnost. Naprimjer, za snimanje litice brda, kamenoloma i sl. (gdje se ne traži visoka točnost ispod centimetra), može se koristiti dalekometni skener koji će brzo i kvalitetno izvršiti zadatak. Međutim, snimanje kipa ili drugog objekta u svrhu njegove obnove ili arhiviranja (gdje se zahtjeva milimetarska točnost), skener s točnošću od nekoliko centimetra neće zadovoljiti postavljene kriterije. Osim kriterija točnosti, potrebno je obratiti pažnju i na brzinu skeniranja. Možda se čini da je brzina od 2000 točaka u sekundi puno, ali da bi se dobio kvalitetan i točan model iz oblaka točaka, često je potrebno prikupiti nekoliko milijuna točaka. Panoramski skeneri su najbrži zbog svoje tehničke izvedbe dok su hibridni sporiji, a korištenjem hibridnih skenera sa kompenzatorom brzina skeniranja drastično opada.

Kao što je ranije u tekstu spomenuto jedan od rezultata skeniranja je i RGB model boja snimljene točke. Boja je dobivena kamerom, bilo unutarnjom (ugrađenom) ili vanjskom (kombinacija).

Ako projektni zadatak zahtijeva kvalitetni ortofoto ili kvalitetno obojani oblak točaka, a u svrhu vizualizacije ili prezentacije, potrebno je koristiti skener s opcijom vanjske kamere. Razlika u kvaliteti između unutarnjih i vanjskih kamera je velika i ne smije se nikako zanemariti. Kvaliteta boje kod vanjskih kamera je izuzetna, jer se često koristi profesionalna DSLR (eng. Digital Single-Lens Reflex) tehnologija. Neki tipovi skenera nemaju mogućnost ugradnje vanjske kamere, pa se bojanje točaka može izvesti posebnim algoritmima unutar različitih aplikacija, što iziskuje dodatni rad na terenu, te posebno kasnije u uredu, ali često ne daje tako kvalitetan rezultat.

Robusnost i radna temperatura također su bitni kod odabira skenera. Terestrički skeneri su u većini slučajeva vrlo osjetljivi na okolinu. Jedna od bitnijih stvari na koje treba misliti pri odabiru skenera je okolina u kojoj će se izvoditi radovi. Rad u tunelima na +10°C ne bi trebao predstavljati problem niti jednoj izvedbi skenera, ali rad pri +40°C na gradskom asfaltu mogao bi nekim izvedbama predstavljati problem.

Slika 30. Primjeri: (a) kamera skeneri, (b) panoramski skeneri, (c) hibridni skeneri i robotska totalna stanica sa ugrađenom mogućnosti laserskog skeniranja (d)


8.2.3 Lasersko skeniranje iz zraka – ALS

8.2.3.1 Princip

Područje, koje je predmet izmjere, nadlijeće se zrakoplovom, koji s donje strane nosi

LiDAR. Ovisno od vidnog kuta skenera (engl. Field Of View - FOV) i visine leta moguće je tijekom jednog preleta izmjeriti pojas na terenu odgovarajuće širine, tj. jedan niz. Cijelo područje se po potrebi nadlijeće više puta, kako bi se snimilo s potrebnim brojem nizova. Da se osigura sigurno pokrivanje cjelokupnog područja izmjere i radi izjednačenja svih nizova u bloku, visinski i položajno, između nizova se ostavlja preklop (slika 31.).

Slika 31. Princip snimanja u nizovima

8.2.3.2 Matematički model

Prostorne koordinate svake mjerene točke određuju se polarnom metodom. Stoga se za

svaku mjerenu točku mora poznavati prostorna pozicija pôla skenera, te prostorni vektor od

pôla do mjerene točke LSrr

(slika 32.).

Slika 32. Osnovne komponente ALS-a i princip određivanja koordinata


Prostorna pozicija pola skenera u referentnom koordinatnom sustavu (X,Y,Z) se određuje GPS RTK mjerenjima integriranim sa inercijalnim mjernim sustavom (engl. Inertial

Measuring Unit - IMU), radi boljeg praćenja kinematike kretanja pola laserskog skenera (LS) u prostoru. Osim toga IMU mjeri trenutne kutne komponente (ω,ϕ,κ) referentne osi LS u prostoru. Trenutni otklon laserske zrake od referentne osi LS određuje uređaj za skeniranje.

Time je određeno hvatište i smjer vektora LSrr

, a njegova duljina se mjeri laserskim

daljinomjerom (slika 32.). Budući da se ALS smješta s donje strane zrakoplova, a GPS antena

mora biti s gornje strane, potrebno je odrediti i vektor CALrr

, koji ima hvatište u faznom

centru GPS antene i vrh u polu skenera. Ovaj vektor se određuje u postupku kalibracije cjelokupnog sustava. Matematički se ovi odnosi mogu izraziti kao:

LSCALGPST rrrrrrrr

++=

Iz gore navedenog principa određivanja koordinata i slike 32. vidljivo je da je ALS

sustav u kojem su integrirane 3 osnovne komponente: GPS, IMU i LS. IMU i GPS se najčešće nude u jedinstvenom tzv. POS (eng. Position and Orientation

System) rješenju, zbog potrebe izuzetno tijesne integracije na hardverskoj ali i softverskoj razini, kako bi se dobili kvalitetni elementi vanjske orijentacije senzora, neophodni za direktno georeferenciranje mjerenih podataka. Osim ovih elemenata, za efikasno upravljanje postupkom skeniranja, sustav se dopunjuje upravljačkim terminalom – koji omogućuje potpunu kontrolu rada LiDAR-a i navigacijskim terminalom u pilotskoj kabini za što vjerniju realizaciju plana leta (slika 33.).

Slika 33. LEICA ALS50-II, kompletan sustav za lasersko skeniranje iz zraka s integriranim POS-om, računalom za akviziciju i navigaciju, terminalom za upravljanje i terminalom za navigaciju

8.2.3.3 GPS + IMU komponente

Radi točnog određivanja trenutne pozicije i orijentacije ALS za svaku mjerenu prostornu točku potrebno je vrlo kvalitetno izvršiti integraciju GPS + IMU u tzv. POS. Stoga pojedine tvrtke nude uređaje s već integriranim rješenjima (Applanix, IGI, iMAR), te softverskom podrškom za naknadnu obradu rezultata mjerenja radi postizanja najviše moguće točnosti.


Slika 34. IGI AEROControl II POS

8.2.3.4 Impulsni laser

Impulsni laseri, općenito, omogućuju daleko veće snage odaslanog impulsa, koje u topografskim primjenama mogu ići čak do 2MW. Imaju vrlo dobru usmjerenost i koherenciju, a najčešće se koristi Nd:YAG laser, koji emitira svjetlost valne duljine λ=1064nm (blisko IC-područje). Blisko IC-područje se koristi, prije svega zato što ljudsko oko nije osjetljivo na taj dio spektra EM-zračenja i stoga se mogu koristiti puno veće snage laserskog zračenja, bez opasnosti po oštećenje vida. Zbog toga što voda snažno upija IC-zračenje, prodiranje IC-zračenja kroz vodu i mjerenje terena ispod površine vode je gotovo onemogućeno. Stoga se za takve primjene koristi zračenje valne duljine λ=532nm (zelena svjetlost), koje se dobije udvostručavanjem osnovne frekvencije zračenja Nd:YAG lasera. Batimetrijski LiDAR koristi obje frekvencije istodobno, kako bi uz digitalni model dna odredio i razinu vodnog lica, te iz njihove razlike direktno odredio dubinu.

Slika 35. Princip batimetrijskog LiDAR-a (lijevo) i prikaz potopljenog broda dobivenog batimetrijskim LiDAR-om (desno)

8.2.3.5 Mehanizam za skeniranje

Mehanizam za skeniranje otklanja lasersku zraku od referentne osi LS tako da se omogući izmjera što šireg područja sa što gušćim rasporedom točaka u jednom preletu. Budući da zrakoplov nosi LiDAR u smjeru leta, dovoljno je otklanjati lasersku zraku samo u poprečnom smjeru, a da se ipak postigne plošno pokrivanje. Stoga se kod ALS u pravilu


primjenjuju jednoosni skeneri. Postoji više različitih konstrukcija mehanizama za skeniranje od kojih svaki ima specifičnu geometriju skeniranja. Danas se najčešće upotrebljavaju slijedeće konstrukcije: a) Skener s njišućim zrcalom

Slika 36. Skener s njišućim zrcalom – princip skeniranja (lijevo), geometrija skeniranja (desno)

b) Skener s rotirajućom prizmom

Slika 37. Skener s rotirajućom prizmom – princip skeniranja (lijevo), geometrija skeniranja (desno)

c) Skener s optičkim vlaknima (eng. fiber - scanner)


Slika 38. Skener s optičkim vlaknima – geometrija skeniranja (lijevo), princip skeniranja (desno)

8.2.3.6 Princip obrade ALS podataka

Tijekom leta, ALS prikuplja podatke sa svakog od svojih senzora zasebno, najčešće u

tzv. sirovom formatu, kako bi se što više smanjilo vrijeme potrebno za procesiranje i povećala propusnost i kapacitet ALS sustava. Radi objedinjavanja podataka sa svih senzora, izuzetno točna njihova međusobna vremenska sinhronizacija je od najvećeg značaja za točnost cjelokupnog sustava. Objedinjavanje mjerenih podataka se stoga radi nakon leta i obuhvaća slijedeće faze:

a) Direktno georeferenciranje mjerenih podataka b) Izjednačenje nizova i kalibracija ALS sustava c) Segmentacija oblaka točaka d) Klasifikacija i filtriranje ALS podataka e) Prorjeđivanje podataka (eng. data thinning)

a) Direktno georeferenciranje mjerenih podataka Najprije se računaju približne pozicije skeniranih točaka temeljem objedinjenih podataka sa POS (GPS+IMU) senzora i laserskog skenera. Tijekom ove faze računaju se definitivne koordinate faznog centra GPS antene tijekom leta i objedinjavaju se sa IMU podacima upotrebom kalmanovog filtera. Zatim se prema formuli

LSCALGPST rrrrrrrr

++= računaju približne koordinate svake mjerene točke.

b) Izjednačenje nizova i kalibracija ALS sustava

Izjednačenje ALS podataka se provodi u visinskom smislu, minimiziranjem visinskih odstupanja unutar homolognih uzoraka (engl. patches) susjednih nizova. Postupak se provodi automatski, a uzorci se odabiru tako da sadrže oko 20-tak mjerenih točaka. Početni elementi kalibracije sustava se određuju neposredno nakon instalacije sustava u avion i to linearnim i kutnim mjerenjima. Definitivni se elementi određuju istovremeno sa izjednačenjem nizova, naročito na odabranim test poljima. Za test-polja se standardno koriste velike ravne, horizontalne površine (npr. aerodromi, stadioni).


c) Segmentacija oblaka točaka

Radi efikasnije kasnije klasifikacije i filtriranja ALS podataka potrebno je grupirati podatke prema geometrijskim karakteristikama objekta na koji se odnose. Pri tome su presudna dva osnovna kriterija: susjedstvo i morfometrijska sličnost. Zbog ogromne količine podataka u pojedinom skupu, moguće je ovaj postupak provoditi potpuno automatizirano. Budući da se radi o izuzetno kompleksnoj problematici, danas su metode segmentacije oblaka točaka predmet intenzivnog razvoja.

d) Klasifikacija i filtriranje ALS podataka

Općeniti zadatak filtriranja je izdvajanje korisnih informacija od neželjenih, a klasifikacijom se korisne informacije razvrstavaju u razrede (klase). Kod topografskih primjena ALS-a se danas najčešće koriste tri klase: vegetacija, građevine i teren. Već za vrijeme skeniranja bilježi se prijamni signal, digitaliziran u vremenskoj domeni, što omogućava provođenje tzv. „first pulse – last pulse“ klasifikacije. e) Prorjeđivanje podataka Osnovni problem ALS skupa podataka leži u količini podataka sadržanih u njemu. Time je jako ograničena primjena ovih mjerenja, jer količina podataka nadilazi kapacitet uobičajene računalne i softverske opreme. Standardni CAD softver ne može niti učitati toliku količinu podataka bez dodatnih softverskih rješenja (tzv. plug-in –ova). Stoga je zadatak prorijeđivanja podataka zadržati minimalni skup podataka, koji još uvijek mogu (ovisno o primjeni) opisati predmet izmjere sa zadovoljavajućom kvalitetom.

8.2.3.7 Primjene ALS-a

U početku razvoja ALS-a prvenstvena namjena je bila omogućiti kvalitetnu izmjeru područja, kod kojih je primjena klasičnih fotogrametrijskih metoda izmjere otežana ili nemoguća. Stoga su prve primjene ALS-a uglavnom bile koncentrirane na topografsku izmjeru šumovitih područja, te područja s neizražajnom teksturom (npr. pješčane pustinje, područja pod snijegom i ledom). Napretkom tehnologije ALS-a proširilo se područje primjene i danas uglavnom obuhvaća prostorno modeliranje, prostornu vizualizaciju i detekciju promjena.

Najčešći zadaci ALS-a su:

- topografska izmjera - određivanje visine vegetacije i količine biomase - izmjera obalnih područja - praćenje erozije, zaštita od lavina - izmjera ledenjaka - digitalni modeli gradova - praćenje ugroženosti dalekovoda vegetacijom - praćenje kubatura kod otvorenih kopova i deponija otpada


9. LASERSKO MJERENJE UDALJENOSTI DO SATELITA

9.1 LASERSKA MJERNA TEHNIKA – SLR SLR (eng. Satellite Laser Ranging) je najprecizniji laserski mjerni sustav za mjerenje udaljenosti između Zemlje i opažanog satelita, tj. tehnika mjerenja trenutačnog vremena putovanja/leta ultrakratkog laserskog impulsa između Zemaljskog stajališta (laserskog teleskopa) i opažanog satelita (reflektora). Laserski mjerni sustav SLR sastoji se od dva segmenta, a to je: - Zemaljski dio - Svemirski dio

9.1.1 Zemaljski dio laserskog mjernog sustava SLR

Zemaljski dio laserskog mjernog sustava SLR sadrži više komponenti: - Generator laserskog impulsa (laser) - Prijenosni optički sustav - Laserski teleskop (odašiljač i prijamnik) - Sustav za detekciju i analizu odaslanog/primljenog signala - Sustav za mjerenje vremena (atomska ura) - Računalni sustav - Avionski detektor

Slika 39. Shematski prikaz Zemaljskog dijela laserskog mjernog sustava SLR


Zemaljski dio uređaja može se nalaziti u: - nepomičnim građevinskim objektima (slika 40.)

Slika 40. Laserski sustav SLR u nepomičnim građevinskim objektima - pomičnim (pokretnim) objektima (kontejnerima) (slika 41.)

Slika 41. Laserski sustav SLR u pomičnim objektima (kontejnerima)


9.1.2 Svemirski dio laserskog mjernog sustava SLR

Svemirski dio laserskog mjernog sustava SLR sastoji se od Zemljinih umjetnih satelita, kao što su Starlette, Lageos 1, Lageos 2, Ajisaji, Etalon 1, Etalon 2, Stella, Ers 1, Ers2, Gps 35, Gps 36, Glonass 40, Glonass 41, Mir, Jason 1, Grace A, Grace B, Galileo...

Slika 42. Stella, francuski geodetski satelit (lijevo) i Jason 1 geodetski satelit (desno)

9.2 RAZVOJNA TOČNOST SLR Točnost je strogo korelirana s dužinom i rezolucijom laserskog impulsa.

Slika 43. Razvojna točnost SLR


9.3 PODRUČJA PRIMJENE SLR Navedeni sustav se koristi u: - Geodeziji - Geodinamici - Geodetskoj i fundamentalnoj astrometriji - ... U okviru ovih mjerenja određuju se geometrijske i dinamičke veličine.

9.3.1 Geometrijske veličine

- Određivanje položaja (koordinata) i promjene položaja - Ostvarenje vanjskog referentnog okvira - Određivanje Zemljinih orijentacijskih parametara - Određivanje koordinata pola (gibanje polova) - Određivanje varijacije Zemljine rotacije

9.3.2 Dinamičke veličine

- Određivanje varijacije Zemljinog polja sile teže i satelitskih orbita - Istraživanje dinamike Zemlje/atmosfere/oceana - Određivanje vremenskih redistribucija masa atmosfere, hidrosfere i čvrste Zemlje - Neposredno određivanje topografije oceana - Dugoročno praćenje promjena morskih i ledenjačkih razina - ...

9.3.3 Prednosti i nedostatci SLR

a) Značajne prednosti - Potencijalno vrlo visoka točnost - Dugovječni sateliti bez aktivnih elemenata - Transportabilni i mobilni sustavi b) Mogući nedostatci - Mjerenja jako ovise o vremenskim prilikama - Visoka cijena gradnje i veličina Zemaljskog segmenta


10. LASER U KOMBINACIJI S GPS-om

Rad na terenu zahtijeva mnoge vještine, te se terenske ekipe suočavaju s mnogo

različitih problema, pogotovo ako se radi o prikupljanju podataka za GIS. U današnje vrijeme bez upotrebe GPS-a to ne bi bilo moguće, ali opet takav način prikupljanja podataka ima ograničenja. Često puta signal satelita je blokiran i to najčešće zbog drveća, visokih zgrada i nebodera, a klasični GPS uređaj računa poziciju centra antene, što znači da se na takvim mjestima gdje je signal blokiran ne može mjeriti. U takvim slučajevima može se upotrijebiti uređaj koji je dodatak GPS-u, a zove se „Encoder“.

Prednost mjerenja sa „Encoder“ uređajem u kombinaciji s GPS-om: - Lakše prikupljanje podataka u „neprijateljskom“ okruženju - Veća sigurnost mjerenja na opasnim mjestima - Smanjuje vrijeme mjerenja (odlazak do detaljne točke) - Smanjuje broj osoba koje su potrebne prilikom mjerenja - Štedi vrijeme i novac

Koordinate detaljnih točaka mogu se dobiti bez potrebnih dodatnih mjerenja

upotrebom lasera koji se nalazi u „Encoderu“. Instaliranjem lasera i elektroničkog kompasa (koji osiguravaju dužinu, inklinaciju i azimut) u GPS uređaj, dobije se uređaj koji značajno olakšava posao na način da se fizički ne mora stati na točku koja se želi snimiti. To omogućava ostanak na jednom mjestu i snimanje svih potrebnih detaljnih točaka do kojih se ne može doći s GPS-om.

Poslovi u kojima je vrlo važna pomoć „Encoder“ uređaja u kombinaciji s GPS-om:

- Snimanje detalja na nepristupačnim terenima - Sigurno mjerenje u blizini prometnica - Mjerenje na pozicijama gdje nema GPS signala - Mjerenje točaka na privatnim zemljištima na koje se ne može ući - ...

Trenutačno postoje dva osnovna tipa „Encoder“ uređaja, a važno je napomenuti da oba

tipa uređaja koriste laserski daljinomjer za mjerenje dužina.

a) MapStar Angle Encoder - (MSAE) - uređaj za kodiranje kutova MSAE računa horizontalne kutove između stajališta i opažane detaljne točke. Te

dodatne informacije daju položaj detaljne točke odnosno sve tri koordinate X, Y i Z. U kombinaciji s GPS-om, MSAE daje točnost od +/- 0.1°. Najznačajnija funkcija tog uređa je što ga ne pogađa lokalna magnetska smetnja.


Slika 44. MapStar Angle Encoder

b) MapStar Compas Modul II - (MSCM II)

MSCM II uređaj računa azimut prema referentnom magnetskom sjeveru, odnosno prema korisnički definiranim koordinatama. Ta vrijednost azimuta je zatim uklopljena s dužinom, na temelju čega se računaju potrebne koordinate X, Y i Z. Kombiniranjem ovog sustava s GPS-om može se dobiti točnost od +/- 0.3° za računanje položajnih koordinata. Ova nova generacija elektroničkih kompasa zahtjeva kalibraciju da bi se prilagodila lokalnom magnetskom polu, što traje 60 sekundi.

Slika 45. MapStar Compas Modul II


LITERATURA

Benčić, D. (1990.): Geodetski instrumenti, Školska knjiga, Zagreb. Deumlich, F., Staiger, R. (2002.): Instrumentenkunde der Vermessungstechnik, Herbert

Wichmann Verlag, Heidelberg. Fialovszky, L. (1991.): Surveying instruments, Akadémiai Kiadó, Budapest. Gajski, D. (2007.): Osnove laserskog skeniranja iz zraka, Ekscentar no. 10, Zagreb, str. 16. -

22. Kahmen, H. (1977.): Elektronische Meβverfahren in der Geodäsie, Herbert Wichmann

Verlag, Karlsruhe. Macarol, S. (1961.): Praktična geodezija, Tehnička knjiga, Zagreb. Miler, M., Đapo, A., Kordić, B., Medved, I. (2007.): Terestrički laserski skeneri, Ekscentar

no. 10, Zagreb, str. 35. – 38. Paar, R., Marendić, A. (2007.): Određivanje visina GPS-om u kombinaciji s laserskom

tehnologijom, Simpozij o inženjerskoj geodeziji, Zbornik radova, Beli Manastir, str. 243. – 250.

Špoljarić, D. (2006.): Posebne metode geodetske astronomije, Sveučilište u Zagrebu, Geodetski fakultet, interna skripta.

POPIS URL-ova:

URL 1. Leica Geosystems, http://www.leica-geosystems.com, (16.6.2008.).

URL 2. Topcon Total Stations, http://www.topconpositioning.com, (07.5.2008.).

URL 3. Sokkia - Europe, http://www.sokkia.net/eu-index.html, (15.2.2008.).

URL 4. GeoWILD, http://www.geowild.hr, (22.4.2008.) URL 5. Geomatika Smolčak, http://www.geomatika-smolcak.hr, (18.3. 2008.)

primjena laserskih ure Đaja - geof.unizg.hrzlasic/primjena_laserskih_uredaja.pdf · kontinuiranim...

Documents