Laserové skenování Ing. Martin Štroner, Ph.D.

Prezentace na téma: "Laserové skenování Ing. Martin Štroner, Ph.D."— Transkript prezentace:

1 Laserové skenování Ing. Martin Štroner, Ph.D.
Laserové skenování, Ing. M. Štroner, PhD., (154LSK_pred_1) Laserové skenování 154LSK Ing. Martin Štroner, Ph.D. Katedra speciální geodézie Fakulta stavební ČVUT v Praze Místnost: B905 WWW: k154.fsv.cvut.cz/~stroner/ Doporučená literatura: [1] Kašpar, M.- Pospíšil, J.- Štroner, M.- Křemen, T.- Tejkal, M.: Laserové skenovací systémy ve stavebnictví. Vega, s. [2] Kašpar, M.- Pospíšil, J.- Štroner, M.- Křemen, T.- Tejkal, M.: Laser Scanning in Civil Engineering and Land Surveying. Vega, s.

2 Program přednášek: Č. Přednáška 1.
Laserové skenování, Ing. M. Štroner, PhD., (154LSK_pred_1) Program přednášek: Č. Přednáška 1. Teorie fungování terestrických skenovacích systémů. Fyzikální principy skenovacích systémů. Bezpečnost práce. 2. Postup měření a zpracování naměřených dat. Matematické metody. 3. Úvod do rekonstrukce povrchů. 4. Přehled terestrických skenovacích systémů. 5. Letecké laserové skenování. 6. Aplikace terestrických systémů. Ekonomické přínosy. 7. Zápočtový test.

3 Laserové skenování, Ing. M. Štroner, PhD., (154LSK_pred_1)
Teorie fungování terestrických skenovacích systémů. Fyzikální principy skenovacích systémů. Bezpečnost práce. 1. Skenování, základní pojmy. 2. Základní typy skenerů. 3. Vlivy působící na skenování. 4. Porovnání s existujícími metodami měření. 5. Lasery. 6. Principy měření délek. 7. Metody rozmítání svazku. 8. Bezpečnost práce s lasery.

4 Skenování : 1. Skenování, základní pojmy
Laserové skenování, Ing. M. Štroner, PhD., (154LSK_pred_1) 1. Skenování, základní pojmy Skenování : - neselektivní určování prostorových souřadnic objektu a jejich ukládání do paměti, - provádí se pomocí skeneru, automaticky podle nastavených parametrů, - je řízeno počítačem, - výsledkem je tzv. mračno bodů.

5 1. Skenování, základní pojmy
Laserové skenování, Ing. M. Štroner, PhD., (154LSK_pred_1) 1. Skenování, základní pojmy Skenery: - přístroje, které určují prostorovou polohu diskrétních bodů, obvykle na principu prostorové polární metody

6 Hlavní znaky : 1. Skenování, základní pojmy
Laserové skenování, Ing. M. Štroner, PhD., (154LSK_pred_1) 1. Skenování, základní pojmy Hlavní znaky : - neselektivní určování 3D souřadnic, - obrovská množství bodů (mračna), řádově miliony, - velká rychlost měření, např bodů/ sekundu, - nutná nová forma zpracování, zvláště pro geodety.

7 Dělení podle principu měření :
Laserové skenování, Ing. M. Štroner, PhD., (154LSK_pred_1) 2. Základní typy skenerů Dělení podle principu měření :

8 Polární skener : 2. Základní typy skenerů
Laserové skenování, Ing. M. Štroner, PhD., (154LSK_pred_1) 2. Základní typy skenerů Polární skener : - z hlediska principu se jedná o totální stanici s bezhranolovým dálkoměrem (nikoli provedením), - dálkoměr na principu měření tranzitního času nebo fázového rozdílu.

9 Skener se základnou - jednokamerový :
(Teorie fungování laserových skenovacích systémů) 2. Základní typy skenerů Skener se základnou - jednokamerový : - Souřadnice jsou určovány na základě „protínání z úhlů“ ze základny.

10 Skener se základnou - dvoukamerový :
Laserové skenování, Ing. M. Štroner, PhD., (154LSK_pred_1) 2. Základní typy skenerů Skener se základnou - dvoukamerový : - Souřadnice jsou určovány na základě „protínání z úhlů“ ze základny, projektor slouží jen k označení bodů.

11 Dělení podle zorného pole :
Laserové skenování, Ing. M. Štroner, PhD., (154LSK_pred_1) 2. Základní typy skenerů Dělení podle zorného pole : - kamerový panoramatický

12 Dělení podle přesnosti a dosahu :
Laserové skenování, Ing. M. Štroner, PhD., (154LSK_pred_1) 2. Základní typy skenerů Dělení podle přesnosti a dosahu : - 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 vysokou přesností P1 (0,01 mm až 1 mm), - s přesností P2 (0,5 mm až 2 mm), - s přesností P3 (2 mm až 6 mm ), - s přesností P4 (10 mm až 100 mm).

13 Dělení podle přesnosti a dosahu :
Laserové skenování, Ing. M. Štroner, PhD., (154LSK_pred_1) 2. Základní typy skenerů Dělení podle přesnosti a dosahu : Základnový skener D1, P1 Polární skener D4, P4 Polární skener D3, P3 Základnový skener D2, P2

14 3. Vlivy působící na skenování
Laserové skenování, Ing. M. Štroner, PhD., (154LSK_pred_1) 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 úhlu. Vlivy zpracování vlícovací body (+spojování skenů); aproximace při zpracování

15 3. Vlivy působící na skenování
Laserové skenování, Ing. M. Štroner, PhD., (154LSK_pred_1) 3. Vlivy působící na skenování Vliv geometrie měřeného objektu

16 3. Vlivy působící na skenování
Laserové skenování, Ing. M. Štroner, PhD., (154LSK_pred_1) 3. Vlivy působící na skenování Vliv povrchu měřeného objektu MATERIÁL REFLEKTIVITA / % Bílý papír do 100% Stavební dřevo (borovice, čistá, suchá) 94% Sníh 80-90% Bílé zdivo 85% Jíl, vápenec do 75% Potištěný novinový papír 69% Listnaté stromy typ. 60% Jehličnaté stromy typ. 30% Plážový, pouštní písek typ. 50% Hladký beton 24% Asfalt s oblázky 17% Láva 8% Černý neoprén 5%

17 4. Porovnání s existujícími metodami měření
Laserové skenování, Ing. M. Štroner, PhD., (154LSK_pred_1) 4. Porovnání s existujícími metodami měření Nejbližší metoda je fotogrammetrie, vzhledem k složitému vyhodnocení zpracování podle testů stejné zakázky trvá srovnatelnou dobu. S kvalitním skenerem je však práce v běžných podmínkách (např. stavba) přesnější, naopak vybavení je nepoměrně dražší.

18 Nejpoužívanější zdroj záření u skenerů;
Laserové skenování, Ing. M. Štroner, PhD., (154LSK_pred_1) 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.

19 5. Lasery Stimulovaná emise:
Laserové skenování, Ing. M. Štroner, PhD., (154LSK_pred_1) 5. Lasery Stimulovaná emise:

20 Základní prvky laseru:
Laserové skenování, Ing. M. Štroner, PhD., (154LSK_pred_1) 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), - optický rezonátor (zajišťuje odraz fotonů na zrcadlech optického rezonátoru, a tím zesilování laserového záření).

21 - pevnolátkové, plynové (He-Ne), kapalinové, chemické, - polovodičové.
Laserové skenování, Ing. M. Štroner, PhD., (154LSK_pred_1) 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).

22 ++ nízká spotřeba elektrického proudu, ++ vysoká účinnost,
Laserové skenování, Ing. M. Štroner, PhD., (154LSK_pred_1) 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.

23 Laserové skenování, Ing. M. Štroner, PhD., (154LSK_pred_1)
6. Principy měření délek měření vzdálenosti založeno převážně na elektronickém způsobu měření a nebo na optickém (triangulace ze známé základny), - elektronické měření fázový dálkoměr, impulsní, frekvenční. Nejpoužívanější: Impulsní dálkoměr, měří se tranzitní čas, který elektromagnetický impuls potřebuje k projití dvojnásobku měřené délky. (2∙10-8 s odpovídá vzdálenosti 3 m, pro 3 mm je to 2∙10-11 s, tj. 20 ns).

24 optický (triangulace ze známé základny),
Laserové skenování, Ing. M. Štroner, PhD., (154LSK_pred_1) 6. Principy měření délek optický (triangulace 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.

25 7. Metody rozmítání svazku
Laserové skenování, Ing. M. Štroner, PhD., (154LSK_pred_1) 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.

26 7. Metody rozmítání svazku
Laserové skenování, Ing. M. Štroner, PhD., (154LSK_pred_1) 7. Metody rozmítání svazku pomocí zrcadla, odrazného hranolu, rotací zdroje, pomocí optických vláken, pomocí statického optického elementu. - Rotující (kmitající) zrcadlo

27 7. Metody rozmítání svazku
Laserové skenování, Ing. M. Štroner, PhD., (154LSK_pred_1) 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.

28 7. Metody rozmítání svazku
Laserové skenování, Ing. M. Štroner, PhD., (154LSK_pred_1) 7. Metody rozmítání svazku - rotace zdroje záření

29 7. Metody rozmítání svazku
Laserové skenování, Ing. M. Štroner, PhD., (154LSK_pred_1) 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.

30 7. Metody rozmítání svazku
Laserové skenování, Ing. M. Štroner, PhD., (154LSK_pred_1) 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.

31 podrobně zpracována v [1], zde pouze:
Laserové skenování, Ing. M. Štroner, PhD., (154LSK_pred_1) 8. Bezpečnost práce podrobně zpracována v [1], zde pouze: Legislativa: Směrnice č. 61 ministerstva zdravotnictví ČSR z roku 1982. ČSN EN a nařízení vlády č. 480/2000 Sb. o ochraně zdraví před neionizujícím zářením. Upozornění: pozorně studovat návod, respektovat zacházení s přístrojem podle bezpečnostní třídy, i když svazek paprsků není vidět, může oko poškodit (infračervené záření apod.).

32 8. Bezpečnost práce bezpečnostní třídy:
Laserové skenování, Ing. M. Štroner, PhD., (154LSK_pred_1) 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).

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