Laserové skenování Prof. Ing. Jiří Pospíšil, CSc. 154LSK Prof. Ing. Jiří Pospíšil, CSc. Katedra speciální geodézie Fakulta stavební ČVUT v Praze Místnost: B904 E-mail: pospisil@fsv.cvut.cz WWW: k154.fsv.cvut.cz 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. [3] Štroner, M.- Pospíšil, J.: Terestrické skenovací systémy.ČVUT 2008, 187s. 1

Program přednášek: Sudé úterý, 10:00 – 11:50, B971 Č. Přednáška 1. Úvod. Teorie fungování terestrických skenovacích systémů. Fyzikální principy laserových 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 2

Úvod. Teorie fungování terestrických skenovacích systémů Úvod.Teorie fungování terestrických skenovacích systémů. Fyzikální principy skenovacích systémů. Bezpečnost práce. Osnova: 1. Skenování, základní pojmy. 2. Stručně o skenerech. 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. 3

1. Skenování, základní pojmy - neselektivní určování prostorových souřadnic objektu a jejich ukládání do paměti, - provádí se pomocí skeneru, automaticky podle nastavených parametrů, velkou rychlostí – stovky až sto tisíce bodů za sekundu. - je řízeno počítačem, - výsledkem je tzv. mračno bodů, které může mít až miliony bodů. 4

1. Skenování, základní pojmy Skenery: - přístroje, které určují prostorovou polohu diskrétních bodů, obvykle na principu prostorové polární metody 5

1. Skenování, základní pojmy Hlavní znaky: -neselektivní určování 3D souřadnic -velká rychlost měření -nutná nová forma zpracování 6

2. Základní typy skenerů Dělení podle principu měření

2. Základní typy skenerů Polární skener: -z hlediska principu se jedná o totální stanici s bez hranolovým dálkoměrem -dálkoměr na principu měření tranzitního času nebo fázového rozdílu

Skener se základnou – jedno kamerový: 2. Základní typy skenerů Skener se základnou – jedno kamerový: -souřadnice jsou určovány na základě „protínání z úhlů“ ze základny.

Skener se základnou – dvou kamerový 2. Základní typy skenerů Skener se základnou – dvou kamerový -souřadnice jsou určovány na základě „protínání z úhlů“ ze základny, projektor jen označuje body.

Dělení podle zorného pole: -kamerový -panoramatický 2. Základní typy skenerů Dělení podle zorného pole: -kamerový -panoramatický

Dělení podle dosahu,přesnosti a rychlosti skenování : 2. Základní typy skenerů Dělení podle dosahu,přesnosti a rychlosti skenování : - platí, že čím kratší standardní vzdálenost skenování, tím vyšší přesnost. 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 : - s velmi vysokou přesností P1 (0,01 mm až 1 mm), - s vysokou přesností P2 (0,5 mm až 2 mm), - se střední přesností P3 (2 mm až 6 mm ), - s nízkou přesností P4 (10 mm až 100 mm).

Podle rychlosti skenování : 2. Základní typy skenerů Podle rychlosti skenování : - systémy s velmi vysokou rychlostí R1 (více jak 50 000 bodů za sekundu), - systémy s  vysokou rychlostí R2 (1 000 až 50 000 bodů za sekundu), - systémy se střední rychlostí R3 (10 až 1 000 bodů za sekundu), - systémy s nízkou rychlostí R4 (do 10 bodů za sekundu) Nízkou rychlostí měří totální stanice se skenovacím modulem.

Dělení podle dosahu a přesnosti 2. Základní typy skenerů Dělení podle dosahu a přesnosti Základnový skener D1, P1 Polární skener D4, P4 Polární skener D3, P3 Základnový skener D2, P2 14 14

3. Vlivy působící na skenování Vlivy působící na množství vráceného signálu vliv geometrie měřeného objektu, vliv povrchu měřeného objektu. Vlivy působící na přesnost měření - Přesnost určení délky, Přesnost určení úhlů. Vlivy zpracování vlícovací body (+spojování skenů); aproximace při zpracování

3. Vlivy působící na skenování Vliv geometrie měřeného objektu

3. Vlivy působící na skenování Vliv povrchu měřeného objektu Na kvalitě vráceného dálkoměrného signálu se podílejí úhel dopadu a fyzikální vlastnosti povrchu, reflektivita, pohltivost a propustnost. Je-li celková intenzita dopadajícího záření E, intenzita odraženého záření R, pohlceného záření A a propuštěného záření P, pak platí: Pro reflektivitu ρ, pohltivost α a propustnost π platí:

3. Vlivy působící na skenování pro měření délek je důležitá pouze ta část záření, která je odražena zpět ke skeneru a dopadá na přijímací senzor dálkoměru rozlišujeme několik základních typů povrchů podle tvaru jejich diagramu reflektivity a) difúzní (sádra, křída..) b) zrcadlový (stříbro) c) rýhovaný (odrazná folie) nejvhodnější difúzní povrch s vysokou odrazivostí – světlý materiál s drsným povrchem (vůči použité vlnové délce)

3. Vlivy působící na skenování Vliv povrchu měřeného objektu 5% Černý neoprén 8% Láva 17% Asfalt s oblázky 24% Hladký beton typ. 50% Plážový, pouštní písek typ. 30% Jehličnaté stromy typ. 60% Listnaté stromy 69% Potištěný novinový papír do 75% Jíl, vápenec 85% Bílé zdivo 80-90% Sníh 94% Stavební dřevo (borovice, čistá, suchá) do 100% Bílý papír REFLEKTIVITA / % MATERIÁL

3. Vlivy působící na skenování Byly testovány lesklé barvy, matné barvy, smirkové papíry, kovy, kameny a cihly. Jednotlivé typy povrchů o rozměrech 200 mm x 200 mm byly umístěny do roviny na několika deskách vyrobených z dřevotřísky a potažených bílým laminem. Barvy byly na desky naneseny, kovové plechy a smirkové papíry byly na desky nalepeny a kamenné dlaždice a cihly byly zapuštěny do otvorů, které byly do desek vyříznuty. Povrchy byly zaměřeny pod těmito úhly dopadu: 0; 30; 50; 55; 75; 90 gon ve vzdálenostech 15 m a 25 m od skeneru. Pro každý úhel dopadu a vzdálenost byly pořízeny tři mračna bodů v hustotě 5 mm x 5 mm. Při vyhodnocení byl určen procentně počet bodů, které dopadly na měřený povrch vůči teoretickému početu bodů, který měl být na povrchu zaměřen. Dále byla každým měřeným povrchem proložena rovina a určeny směrodatné odchylky s :

Povrch Úhel dopadu [gon] Počet bodů % SN [m] M.A.D. EMAX Poznámka Černá barva lesklá 4658 100 0.0019 0.0015 0.0069 30 2726 68 0.0032 0.0025 0.0214 50 238 8 0.0020 0.0116 55 84 3 0.0031 0.0021 0.0104 75 1 37 90 24 0.0007 0.0006 648 Černá barva matná 4692 0.0016 0.0013 0.0054 4090 0.0026 0.002 0.0099 2159 70 0.0027 0.0174 1360 0.0029 0.0023 0.0161 6

Nejpoužívanější zdroj záření u skenerů; 5. 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. 22

5. Lasery Stimulovaná emise: 23

Děje v laserovém optickém rezonátoru a) Nevybuzený stav 5. Lasery Děje v laserovém optickém rezonátoru a) Nevybuzený stav b) Vybuzený stav - nejprve spontánní emise - pak srážka emitovaného fotonu s vybuzenou částicí – stimulovaná emise fotonu c) d) odraz fotonů od zrcadel e) průchod některých fotonů částečně propustným zrcadlem – koherentní svazek 24

- Pevnolátkové, plynové (He-Ne), kapalinové, chemické, - polovodičové. 5. Lasery Dělení laserů: - Pevnolátkové, plynové (He-Ne), kapalinové, chemické, - polovodičové. 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). 25

++ nízká spotřeba elektrického proudu, ++ vysoká účinnost, 5. 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. 26

Základní prvky laseru: 5. 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), - optického rezonátoru (zajišťuje odraz fotonů na zrcadlech optického rezonátoru, a tím zesilování laserového záření). 27

6. Principy měření délek měření vzdálenosti založeno převážně na elektronickém způsobu měření a nebo na optickém (protínání ze známé základny), - elektronické měření fázový dálkoměr, impulsní, frekvenční. 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). 28

optický (protínání ze známé základny), 6. Principy měření délek optický (protínání ze známé základny), - 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). 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. 29

7. 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. 30

7. Metody rozmítání svazku pomocí zrcadla, odrazného hranolu, rotací zdroje, pomocí optických vláken, pomocí statického optického elementu. - Rotující (kmitající) zrcadlo 31

7. Metody rozmítání svazku - rotující odrazný hranol Výhody oproti zrcadlům: neslepne, vyšší rychlost pohybu svazku paprsků (v závislosti na počtu hran), nemusí se vracet, příp. nemá mrtvou zónu. 32

7. Metody rozmítání svazku - rotace zdroje záření 33

7. Metody rozmítání svazku - pomocí optických vláken Základem je rotující zrcadlo, které rozmítá záření do optických vláken, které pak určují konečný počátek a směr šíření svazku paprsků. 34

7. Metody rozmítání svazku - pomocí statického optického elementu Vytváří v prostoru výseč světelné roviny, oproti ostatním trvale. Používá se u skenerů s měřením délky pomocí optické základny. 35

podrobně zpracována v [1], zde pouze: 8. 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.). 36

Riziko poškození sítnice oka 8. Bezpečnost práce Riziko poškození sítnice oka Komplikovanost předpisů pro práci s lasery souvisí především s tím, že riziko poškození zdraví nezávisí jen na intenzitě emitovaného laserového záření, ale i na vlnové délce, dále na době, po kterou laser záření emituje a na rozbíhavosti (divergenci) laserového svazku.Téměř dokonalá rovnoběžnost paprsků vystupujícího svazku je hlavním rozdílem laseru proti jiným přírodním i umělým zdrojům světla. Vždy se bere nejméně příznivá situace - plně otevřená pupila oka s průměrem 7 mm, Výkon přenášený zářením, dělený obsahem plochy, kterou záření prochází, což je veličina nazývaná hustota zářivého toku, může na sítnici oka být až miliónkrát větší než hustota zářivého toku dopadajícího na rohovku, proto i laser, jehož zářivý tok je jen několik miliwattů, může poškodit sítnici. 37

8. Bezpečnost práce -Důležitým bodem pro hodnocení rizika při práci s lasery emitujícími kontinuální záření ve viditelném oboru je hustota zářivého toku 25 W/m2 patřící k době 0,25 s mrkacího reflexu (což je zhruba doba zpoždění fyziologického reflexu člověka na oslnění, člověk přeruší jeho působení na oko mrknutím a případně odvrácením hlavy od zdroje). -Proti působení neviditelného záření nechrání oko člověka žádný reflex, a pokud má toto záření vlnovou délku která prochází oční čočkou a soustředí se na malou plošku na sítnici, je nutné dodržet přípustnou hustotu zářivého toku dopadajícího na rohovku oka patřící k předpokládané době působení, která v tomto případě může být podstatně delší než 0,25 s. 38

8. Bezpečnost práce 39

8. 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). 40

Konec 41