Naziemny skaning laserowy (TLS – Terrestrial Laser Scanning)

Technologia skaningu naziemnego, dostarczająca dużej liczby precyzyjnych pomiarów przestrzennych (3D), przy dużej automatyzacji przetwarzania i klasyfikacji chmury punktów, jest od lat uznanym narzędziem architektów, inżynierów budowlanych i konstruktorów.

Naziemny (terenowy) skaning laserowy (ang. Terrestrial Laser Scanning – TLS) dostarcza chmury punktów pomiarowych o współrzędnych X, Y, Z. System TLS składa się zazwyczaj z nadajnika, tj. modułu generującego światło lasera (diody), systemu wirujących luster, zadaniem których jest równomierne odchylenie kątowe (pionowe i poziome) wiązki lasera i jej rozrzucenie po powierzchni obiektów, teleskopu optycznego, skupiającego powracające odbite promieniowanie, oraz detektora, zamieniającego energię światła na impuls zapisywany w module rejestracji (HDD, karta pamięci) i kontroli (ryc. 14.5.2.1). Zarówno nadajnik, jak i detektor podlegają jednostce kontrolującej, sterowanej mikroprocesorem.
tls_1

Urządzenie obraca się precyzyjnie wokół własnej osi o ustalony kąt, gwarantujący uzyskanie założonej rozdzielczości. Skaner montowany jest na stabilnej podstawie, np. na statywie geodezyjnym.
Działanie naziemnego skanera laserowego polega na pomiarze odległości oraz kąta pomiędzy urządzeniem a badanym obiektem (celem), które pozwalają na wyznaczenie współrzędnych X, Y, Z, tworzących tzw. chmurę punktów. Reprezentują one powierzchnię obiektu (np. pień) odbijającego promieniowanie lasera (ryc. 14.5.2.2). Część plamki lasera padającej na krawędź obiektu (np. gałęzi) może nie być całkowicie odbita, odbicie następuje dopiero od dalszych celów. Mówimy wtedy o pierwszym lub ostatnim bądź też kolejnych odbiciach (echach) sygnału.

Skanowanie drzewostanu przeprowadza się zazwyczaj w trybie jednostanowiskowym (np. ze środka powierzchni kołowej) lub wielostanowiskowym (np. z czterech lub więcej stanowisk; ryc. 14.5.2.3), co wydłuża oczywiście czas pracy w terenie, ale zapewnia możliwość pozyskania danych reprezentujących w pełni pnie drzew (3D), a nie tylko fragmenty płaszczyzny walca obserwowane z jednej pozycji (ryc. 14.5.2.2). Podczas skanowania stosuje się najczęściej lokalny układ współrzędnych (0, 0, 0), gdyż zdecydowana większość skanerów naziemnych nie ma zintegrowanego odbiornika GNSS (GPS) ani też elektronicznego kompasu. Z tego względu w celu połączenia ze sobą chmur punktów z poszczególnych stanowisk stosuje się np. specjalne kule referencyjne o znanym promieniu i wysokim albedo (ryc. 14.5.2.4). Identyfikowalne na obrazach (np. min. 3 z 5 kul), pozwalają na uzyskanie reprezentacji 3D drzewostanu, jego wizualizację i dalsze analizy, np. pasowanie figur geometrycznych. W niektórych rozwiązaniach w celu nadania georeferencji należy określić współrzędne X, Y, Z lustra skanera bądź innych identyfikowalnych w chmurze obiektów (np. tarcz). Odległość obiektów od skanera decyduje także o wielkości plamki lasera padającej na obiekt, a tym samym o rzeczywistej dokładności skanowania. Skaner poza kątem i odległością rejestruje także wartość energii, tzw. intensywność odbitego sygnału. Może być wykorzystany do wizualizacji chmury punktów w postaci tzw. widoku planarnego 2D (ryc. 14.5.2.5), a w przyszłości wspomagać klasyfikację chmury punktów (ryc. 14.5.2.6). Dodatkowo, stosując kamerę cyfrową, można chmurze punktów nadać wartość RGB pikseli z matrycy aparatu i uzyskać realistyczny obraz 2D lub 3D (ryc. 14.5.2.7).

Specjalistyczne oprogramowanie stosowane do przetwarzania chmury punktów TLS, poza jej wizualizacją w różnych rzutach (znane z oprogramowania CAD; ryc. 14.5.2.8), umożliwia dokonanie także szeregu operacji związanych z pomiarami bezpośrednimi i obliczeniami, np. objętości (modelowanie chmury do figur geometrycznych i powierzchni).

Podstawową czynnością operatora oprogramowania jest np. pomiar pierśnicy czy wysokości drzewa, co może być dokonywane w programie FARO Scene albo w pełni manualnie (tzw. metoda PIXEL), bądź też przy wspomaganiu komputera (pasowanie np. figury walca na wycinek pnia w celu określenia średnicy), (ryc. 14.5.2.9).

Możliwości modelowania 3D chmury punktów pomiarowych TLS są bardzo duże i pozwalają na generowanie powierzchni (Geomagic; ryc. 14.5.2.10) czy też modelowanie poszczególnych fragmentów pnia, wpasowując w nie walce lub ścięte stożki (Leica Cyclon).

Stosowane obecnie urządzenia do skaningu naziemnego mogą być klasyfikowane wg. różnych kryteriów, w tym m.in.:

– metody pomiaru odległości – większość z producentów sprzętu stosuje technologię pulsacyjnych skanerów (ang. time-of flight), których dokładność określenia odległości jest ograniczona do około 5-10 mm. Niektóre urządzenia wykorzystują modulowanie fali (CW) osiągając dokładności rzędu 1-3 mm. Wadą jednak tego typu urządzeń jest niewielki zasięg i dwuznaczność w interpretacji odbitego promieniowania;

– pola obserwacji – znaczna część skanerów oferuje panoramiczne obrazowanie (ang. panoramic view scanners): 360° horyzontalnie oraz kąt pionowej obserwacji od 80° (np. Riegl Z420i) do 135°, a nawet 320° (np. FARO SL). Nielicznie oferowane są modele rejestrujące wiązkę lasera wewnątrz zdefiniowanego kadru (np. 60° x 60°) linia po linii (tzw. camera-like view scanners) jak w przypadku skanera ILRIS-3D (Optech);

– metody odchylania wiązki lasera – lidar obrazuje powierzchnie obiektów sekwencyjnie, rozrzucając systematycznie wiązkę za pomocą: zwierciadeł galwanicznych, rotujących eliptycznych luster, obrotu samego instrumentu, czy ich kombinacji;

– maksymalnego zasięgu – od około 20 metrów w skanerach CW, do ponad 1300 metrów w skanerach pulsacyjnych;

– częstotliwości pracy lasera – liczby impulsów promieniowania wysyłanych przez urządzenie (od 2000 do 625 000 na sekundę);

– rozdzielczości przestrzennej ś liczby punktów pomiarowych uzyskanych w skanowanym polu operacyjnym;

– integracji z kamerą cyfrową ś wiele urządzeń posiada na stałe wbudowane kamery (np. ILRIS 3D – kamera 6 mln pikseli) lub też posiada możliwość ich zamontowania (np. RieglZ420i – Nikon 200D, wymienne obiektywy);

– sposobu przechowywania danych – zwykle dane są transferowane do przenośnych komputerów (np. Riegl) bądź też zapisywane na zintegrowanym z urządzeniem dysku twardym (FARO SL) lub przenośnym nośniku pamięci (ILRIS-3D; Optech);

– typu lasera – większość producentów wykorzystuje promieniowanie z zakresu NIR 785 nm (Faro SL) czy 900 nm (Riegl Z420i), ale zdarzają się też rozwiązania ze światłem zielonym 565 nm (npś Trimble® GXś 3D, czy Lecia HDS 3000).

W przeciwieństwie do innych urządzeń geodezyjnych (takich jak TotalStation czy GPS) skanery laserowe nie doczekały się jeszcze konkretnych testów porównawczych wykonywanych przez niezależne instytuty w celu potwierdzenia parametrów oferowanych przez producentów. Dodatkowo różne ww. rozwiązania techniczne wprost uniemożliwiają dokonywania takich porównań. Nie ma po prostu uniwersalnych skanerów spełniających wymagania konkretnych aplikacji, w tym stosowanych lub wprowadzanych właśnie w leśnictwie.

button_powrot