Mobil térképező rendszer alkalmazása a hagyományos geodéziai feladatokban

Bevezető

Az elmúlt húsz évben a hagyományos geodézia egyre inkább elmozdult a térinformatika irányába. Mindinkább a számítástechnika veszi át a vezető szerepet, a térképek ma már szinte kivétel nélkül számítógépen készülnek, és egyre inkább az informatika határozza meg az igényeket és a lehetőségeket egyaránt. Vállalatunknál a Szekszárdi Geodézia Kft.-nél már évek óta alkalmazzuk a 3D-s lézerszkennereket mind statikus, mind mobil térképező rendszert. Ezek az eszközök alkalmasak a környezetük részletes, pontos és teljes felmérésére, geometriai és képi információk gyűjtésére. Ezért nem csak a hagyományos geodéziai feladatokban használjuk, hanem keressük további szakterületeken történő alkalmazásuk lehetőségét is. A Szekszárdi Geodézia Kft. mobil térképező rendszere A Geodézia Kft. mobil térképező rendszere egy mobil, a digitális fotogrammetriát és a 3D-s lézerszkennert ötvöző megoldás. A rendszer szállítóeszközre erősített különböző érzékelőkből álló együttes, mely képes a jármű pályájának folyamatos meghatározására, s egyben a szenzorok fajtájától függő, kiegészítő térbeli információ gyűjtésére. Egy autót felszerelünk helymeghatározó műszerekkel (GNSS, IMU, DMI), digitális kamerákkal, 3D-s lézerszkennerrel. A jármű haladás közben a saját pályáját, és a környező utcaképet is, geometriailag korrekten kiértékelhető módon rögzíti. (1. ábra)A rendszert tetszés szerint felszerelhetjük szinte bármilyen mozgó járműre, így az autós felmérés mellett a rendszer többek között hajóra vagy vasúti járműre is felszerelhető.

1. ábra: A mobil térképező rendszer felépítése.

Rendszerkomponensek

Helymeghatározó rendszer (GNSS/IMU)

A helymeghatározó rendszer a mobil térképező rendszer kulcsfontosságú része, mivel minden elvégzett ún. attribútummérés kizárólag a helymeghatározás (pozícionálás) végrehajtása után kerül be a megfelelő adatbázisba, térinformatikai rendszerbe. A pozícionálás feladata – nagyrészt GNSS segítségével (GPS, GLONASS) – a földfelszínen mozgó műszer együttes helyének és helyzetének megállapítása. A GNSSmegoldások egyik lényeges korlátja a mérési pontosság és sebesség. A pontosságot permanens állomások, valamint virtuális bázisok bevonásával növeljük, míg a mérési sebesség növelése érdekében kiegészítő rendszereket alkalmazunk, úgymint: kerékfordulatszám- mérő (DMI – Distance Measuring Instrument) inerciális mérőrendszer (IMU – Inertial Measurement Unit) illetve az IMU felhasználásával, szoftverrel ellátott változatot: az INS-t (Inertial Navigation System). A GPS/ INS NOVATEL SPAN platformon alapul. Az abszolút pontosság lényegében a GNSS/IMU-rendszer által nyújtott pontosság. Az eddigi tapasztalataink alapján az elérhető abszolút pontosság utófeldolgozással 3-5 cm. Abban az esetben, ha az utófeldolgozást követően a hibaértékek 5 cm-nél nagyobbak, illesztőpontokat kell meghatároznunk. Az illesztőpontok kiválasztásánál (jellemzően földfelszíni objektumok pl.: útburkolati jel sarka, aknafedlap sarka stb.) ügyelni kell arra, hogy ezek mind a terepen, mind a pontfelhőben jól azonosítható pontok legyenek.

 

2. ábra: A digitális kamera képe pontfelhővel.

Kamerarendszer

Kamerarendszerünk 6 db kamerából áll. Mindegyik kamera 1600 × 1200 pixel (1,92 megapixel) felbontású színes képet biztosít. A kamerák a jármű tetején körben helyezkednek el úgy, hogy képeik részben átfednek, így az utólagos feldolgozás során a kamerák képei összekapcsolhatók és térbeli kiértékelésre használhatók. A sztereokamerák előnye, hogy a fotogrammetriában definiált formulák segítségével térbeli objektumkoordináták számíthatók. Ez azt jelenti, hogy a lézerszkennerünkből eredő pontfelhő mellé egy fotogrammetriai terméket is kapunk, ami jelentős támogatást nyújt a kiértékelés során. (2. ábra) A képkészítés általában előre definiált távolság alapján készül, de ez menet közben változtatható. A képek felbontását és a rögzítés ismétlését figyelembe véve 1 kilométeren körülbelül 1 gigabájt adat keletkezik. A rendszer 500 gigabájtos tárhelyén tehát többnapi adatgyűjtés is rögzíthető. További előny, hogy az automatikus feldolgozó szoftver lehetőséget ad a képek 360 fokos, panorámaformában való megjelenítésre, amely jobb tájékozódást és kiértékelést biztosít a felhasználónak.

Lézeres komponens

A rendszerünkre felszerelt lézerszkenner egy ultranagy sebességű LEICAfázisszkenner, melyet a cégünk már korábban, más célból, főleg statikus feladatok: épületek, építmények külső és belső felmérése céljából vásárolt. A szkenner függetleníthető a rendszertől, így továbbra is tudjuk földi felmérési állomásként is használni. Mobil alkalmazás közben a lézerszkenner minden időpillanatban újabb és újabb pontsort rögzít. Ezeknek a pontsoroknak (síkoknak) az egymástól való távolsága a jármű sebességétől és a lézerszkenner teljesítményétől függ. Az általunk használt lézerszkenner sebessége: 1 millió pont/másodperc (50 Hz forgási sebesség mellett). Hatótávolsága 187 m. Relatív távmérési pontossága: <1 mm (25 m-ig). Ezekkel a paraméterekkel a szkenner – egy-egy útvonal oda-vissza lejárását követően – megfelelő sűrűségű pontfelhőt hoz létre a kiértékeléshez. A szkennert 40 fokkal megdöntve szerelték a járműre. Ez biztosítja, hogy a különböző időpillanatokban keletkezett pontsorok a párhuzamos és merőleges éleket (pl.: útszegély, épületsarok) elmetszve, 40 fokban felszeletelve képezzék le.

Felmérés és felhasználás

A felmérés biztonságának és gazdaságosságának megkerülhetetlen feltétele az útvonaltervezés. Az irodai előkészítés fázisában továbbá érdemes tájékozódni a felmérendő terület körülményeiről, valamint már ekkor hasznos kijelölni egy helyet, ahol elvégezhető lesz az eszköz fel- és leszerelése, beüzemelése. A rendszer aktiválása egy statikus és egy dinamikus inicializálásból áll. Ez 10-15 percet vesz igénybe, amit minden esetben nyitott égbolt alatt kell elvégezni, hogy a rendszerkomponensek szinkronban működjenek, és hogy felvegyük a megfelelő GNSS-pozíciót. A rendszer működése közben egy irányító és feldolgozó munkaállomás segíti az operátort. A Windows operációs rendszer alatt futó kezelőfelület minden komponensről külön ablakban, folyamatosan közli az információkat. Így képet kaphatunk a műholdak számáról, a GPS/INS-paraméterekről, az esetleges jelvesztésekről, valamint itt van módunk az események manuális rögzítésére és azok koordinátával való megjelölésére. A program lehetőséget ad térképek feltöltésére, hogy megkönnyítse a navigációt, valamint a fényviszonyoktól függően lehetővé teszi a kamerák beállítását és az előre definiálttól eltérő képrögzítést is. A technológiának köszönhetően az adatgyűjtés többcélú felhasználást biztosít, hiszen a mobil térképező rendszer nagy pontossággal rögzíti a városok, települések teljes 3D-s képét. Az így képződött pontfelhőből geodéziai pontossággal határozható meg az objektumok, például közművek helyzete. Mivel minden tárgy leképződik, ezért a pontfelhő később más objektumok térképezésére is felhasználható. Segítségével az utak és a hozzájuk tartozó közművek állapotát haladás közben gyorsan és hatékonyan ellenőrizzük. A vasutak és villamos pályák 3D-s szkennelésével gyorsan és egyszerűen felmérhető a vasúti infrastruktúra állapota. A keletkezett adatokból megállapítható, hogy a pálya mentén hol van szükség egyes elemek cseréjére vagy karbantartására. (3. ábra)

3. ábra: Vasútvonal 3D-s képe pontfelhőből

A természetes és mesterséges (vízi utak, löszfalak, gátak, töltések, bányák) képződmények nagy felbontású szkennelésével a pontfelhőből számos olyan adat nyerhető ki, amelyek segítséget nyújthatnak a környezet részletes felmérésére és az esetleges környezeti katasztrófák előrejelzésére. Eddigi munkáink nagy része közműfelmérésekkel és tervezési alaptérképkészítéssel kapcsolatos feladatok voltak, de a felmérést minden esetben úgy végezzük el, hogy a pontfelhő később, más célból is kiértékelhető legyen.

Pontfelhő-kiértékelés

A lézerszkennerel végrehajtott mérés esetén a begyűjtött adatok nincsenek szelektálva, mint egy hagyományos terepi felméréskor. A klasszikus esetben a felmérő a terepen eldönti mely tereppontot, műtárgyat, egyéb objektumot méri fel. Ennél a módszernél a pontfelhőből a tényleges adatgyűjtés az irodában történik, hasonlóképpen, mint a fotogrammetriai kiértékelések esetében. A pontfelhőkben lévő pontok számát millió pontban szokás mérni, ebből követezik, hogy ezeket a pontfelhőket a „hagyományos” felmérések esetében használt szerkesztőszoftverek (AutoCAD, Microstation, ITR) nem, vagy csak jelentős kompromisszumokkal tudják megjeleníteni. Az általunk tesztelt, pontfelhő-kiértékelésre alkalmas szoftverek nagy része valamely ismert CAD- vagy más térinformatikai szoftverre írt alkalmazás volt. Ezeknek a szoftvereknek a vitathatatlan előnye, hogy az alapul szolgáló programok komoly szerkesztő funkciókkal bírnak, az általuk kezelt grafikus állományformátumok nagyon elterjedtek. Hátrányuk viszont, hogy egyszerre két szoftver beszerzésére van szükség. Minden esetben meg kell vásárolni az alapszoftvert, amelyek külföldi programok levén soha nem tartoztak az olcsó kategóriába, jellemzően hétszámjegyű összegbe kerülnek. Az alapszoftveren kívül szükség van a pontfelhő-feldolgozó program/modul beszerzésére is, melynek ára nem sokban marad el az alapszoftverétől. A tesztelés után választásunk a DIGICART Kft. PointCloudScene (rövidítve: PCS) nevű szoftverére esett. A PCS önálló program, futtatásához nincs szükség más szoftver alkalmazására. Képes az ismertebb pontfelhőformátumok (LAS, TerrasScan {bin}, FARO {fls}, PTS) betöltésére. A kiértékelés DXF-, vagy ESRI shape-, illetve PersonalGeodatabaseformátumú vektoros állományban történhet. Az ESRI-formátumok vitathatatlan előnye, hogy a geometriai adatokhoz tetszőleges számú attribútumadat is kapcsolható, így térinformatikai adatbázis feltöltésre is használható. A PCS képes egyszerre több pontfelhőállomány együttes megjelenítésére, a betöltött pontfelhők először egy 2D-s nézeten jeleníthetők meg. Itt lehet kijelölni egy ablakkal, hogy a pontfelhők mely részletét kívánjuk a 3D-s nézetben megjeleníteni. (4. ábra)

4. ábra: Megjelenítendő pontfelhő-részlet kijelölése

A kiértékelés két módszere honosodott meg nálunk. Az első esetben, a 2D-s nézetben (felülnézet) megrajzoljuk a vonalakat (épület, kerítés, árok vagy burkolatszél) és a felülnézetben is azonosítható pontszerű objektumokat (fák, oszlopok). A 3D-s nézetben csak a magassági pontosítást végezzük el. A másik esetben a teljes szerkesztés a 3D-s ablakban történik. Itt, ha a számítógép rendelkezik a megfelelő hardverelemekkel (3D-s grafikus kártya, 3D-s monitor, 3D-s szemüveg), akkor a kiértékelés végrehajtható a 3D-s sztereonézetben is. Tapasztalataink szerint, ha a végtermék csak kétdimenziós, akkor az első módszer a gyorsabb. Viszont ha az objektumok magasságára is szükség van, akkor a második módszer hatékonyabb. A 2D-s és 3D-s nézeteken a pontok megjeleníthetők magasság illetve intenzitás szerinti színezéssel, valamint színezett pontfelhő esetén saját színeikkel is. Tapasztalataink szerint a különböző színezési módokkal történő megjelenítés a kiértékelést segíti; az intenzitás szerinti megjelenítésben például könnyebb észrevenni az aszfaltburkolatban lévő aknafedlapokat, víznyelő rácsokat, mivel a lézersugár a különböző anyagú felületekről más-más intenzitással verődik vissza. A PCS támogatja a pontok valamely tulajdonság szerinti osztályozását. Az osztályozással a pontfelhő pontjait valamely tulajdonságuk alapján (magasság, intenzitás) külön csoportokba – osztályokba – foglalhatjuk. Például elkülöníthetjük a talajszinten a talajszint felett 0-0,5 méteren belül és a 0,5 méter feletti magasságú pontokat, így a talajszinten lévő objektumok kiértékelésekor a magasabban lévő – esetünkben zavaró – pontok láthatóságát könnyen szabályozhatjuk. Az osztályozáshoz több automata és félautomata eszközt tartalmazó osztályozó eszköztár áll rendelkezésre. Az osztályozott pontfelhőkön lehetőség van a pontok osztály szerinti színezésére és megjelenítésére is. Osztályozott pontfelhő kiértékelése során gyorsan (pár kattintással) szűrhetjük a pontokat, például magassági értelemben, így a talajszinten történő (burkolat, árok) kiértékelést nem zavarják a magasabban lévő pontok (fák, oszlopok), például a 3D-s sztereomegjelenítés esetében. Mivel az osztályozás időigényes, minden új feladat előtt el kell döntenünk, hogy az osztályozás időráfordítása megtérül-e a szerkesztéskor, és ennek megfelelően hajtjuk végre. A kiértékelés során pont, vonal és felület típusú grafikus objektumok szerkesztésére van lehetőség. A pontszerű objektumokra felirat, illetve blokk is helyezhető. A kiértékelést segíti a tetszőleges helyzetben felvehető segédsík, mely a nézeten lévő pontok szűrésére/kitakarására használható. A pontfelhő-kiértékelés legnehezebb része, hogy a rengeteg pont közül mindig a szerkeszteni kívánt objektum megfelelő pontját válasszuk ki. Ehhez nyújt segítséget a többféle fogó mód (snap). Bonyolultabb esetekben hasznos eszköz a térbeli mérőjel (kurzor), mely az egérrel is mozgatható, de akár egy bizonyos koordinátára is állítható. Felhasználásával ott is van lehetőség mérni, ahol a pontfelhőben ténylegesen nincs pont, de a környezet alapján oda esne például egy támfal sarka. Az egyes részletpontok „megfogása” nem csak egyszeri kattintással történik, hanem a pont/pontok regisztrálásának ellenőrzéséből is, mely a kiválasztott objektum más nézetből való szemlélésével jár (forgatás, mozgatás). A 3D-s sztereomegjelenítést alkalmazva ezek az ellenőrzések elhagyhatóak, de tapasztalataink szerint nem mindenki bírja tartósan elviselni a virtuális valóságban való szemlélődést. Mobil térképező rendszer esetén a szkenneléskor készült georeferált fényképeknek a pontfelhővel történő együttes megjelenítésére is van lehetőség; a pontfelhő és a kép együttes szemlélésével a pontfelhőben nem egyértelműen azonosítható részletek is egyértelművé válnak.(5. ábra)

5. ábra: Georeferált képek

Ha szükséges, a kiértékelendő részletpontok koordinátái az egymást átfedő képpár felhasználásával számíthatók. A kiértékelés végeztével a shapefájlokat a program képes DXF (Drawing Exchange Format) formátumba exportálni, megfelelő sablonfájl alkalmazásával akár a végtermék is előállítható. Összefoglalva, a lézerszkennerrel készült pontfelhők kiértékelése nem szokványos feladat. A pontfelhő zavarba ejtően bőséges mennyiségű információt zúdít a kiértékelőre. Az eddigi gyakorlattól eltérően a szerkesztő/ kiértékelő lett a felmérő, így meg kell tanulnia a „terepi” gondolkodást, hiszen az ő döntése lesz, mely objektum és milyen részletességgel lesz ábrázolva a vektoros állományban. A fentiekből következik, hogy az eddigi gyakorlattól eltérően a lézerszkennerrel történő felméréskor a terepen töltött idő jelentős mértékben lecsökken, viszont az irodai feldolgozás ideje növekszik; ez utóbbi jobban tervezhető és szervezhető, nem befolyásolja az időjárás. Ha a kiértékelés során valamilyen objektum lemarad, nem kell a terepen pótméréseket végezni, elegendő a pontfelhőt újra megnyitni, és a hiányzó objektumot kiértékelni. Eddigi tapasztalataink alapján tényleges terepi pótmérésre csak a pontfelhőben kitakart részletek felmérése miatt van szükség. Tapasztalataink szerint a pontfelhőkiértékelésre fordított idő egyazon típusú munka esetében egyre csökken, a kiértékelők egyre tapasztaltabbak és rutinosabbak lesznek. A kiértékelő program fejlesztésének ütemét is figyelembe véve, nincs messze az idő, amikor a pontfelhő-kiértékelés nem tart majd tovább, mint ha ugyanazt a munkát a hagyományos felmérési adatokból szerkesztenénk meg. A mobil térképező rendszert bemutató videónk megtekinthető a Youtube-on „Geodézia Kft. - 3D mobil lézerszkennelés” címen.

 

 
Irodalomjegyzék
  1. Barsi Árpád: Integrált és mobil térképezés.. Elektronikus segédlet MSc képzéshez, Budapest, 2011.
  2. Gombás László: Leica-Geosoft mobil térképező rendszer – új trendek a digitális téradatgyűjtésben. Geodézia és Kartográfia LXIV. évfolyam, 2012/1–2
  3. Use of Mobile Mapping System in Traditional Surveying Tasks
 
A szerzőkről
Kunfalvi Péter
projektvezető
peter.kunfalvi@geodeziakft.hu
Kulcsár László
projektvezető
kulcsi@geodeziakft.hu