Leica-Geosoft mobil térképező rendszer új trendek a digitális téradatgyűjtésben

Átírás

1 Leica-Geosoft mobil térképező rendszer új trendek a digitális téradatgyűjtésben BEVEZETŐ Talán közhelynek hangzik, de a világgazdasági válság, a hazai politikai és gazdasági fordulatok alapjaiban írták át a magyarországi földmérési gyakorlatot, piaci lehetőségeket. A hagyományosnak tekinthető projektek lezárultak, vagy bizonytalan ideig indításra várnak, miközben olyan piaci és kormányzati igények bukkannak fel, melyek a korábbiaktól eltérő mérési módszerek, technológiák alkalmazásának szükségességét vethetik fel. Gondoljunk például az országleltár projektre, ahol a hagyományos geodézia már nagymértékben ötvöződhet a digitális fotogrammetriát és a nagytömegű téradatfelvételt igénylő megoldásokkal, de a jelenleg mentőövet jelentő, az áramszolgáltatóknak végzett munkák továbbgondolása, vagy az egyre sürgetőbb közműtérképi igények is ebbe az irányba mutatnak. Ugyanakkor nem mindegy, hogy a gazdaságpolitikai törekvések (államháztartási hiánycél tartása, államadósság lefaragása, stb.) milyen kiadásokat engednek meg (azaz a műszakilag hatékony technológiát milyen áron lehet beszerezni és működtetni), hiszen a szóban forgó rendszerek jellegüknél fogva részben, vagy egészében, közvetve, vagy közvetlenül, de költségvetési forrásokhoz is kapcsolódhatnak. Csakúgy, mint 20 évvel ezelőtt a GPS technológia gyakorlati alkalmazásának indulásakor, most is új trend látszik kibontakozódni a 3D lézerszkennelési, a földi távérzékelési, valamint ezek hatékony kombinációját jelentő mobil térképezési eljárások területén. Ennek megfelelően egyre több nagy gyártó és rendszerintegrátor kapcsolódik be a fejlesztésbe, így természetesen nem váratott magára sokáig a Leica Geosystems sem, és az olaszországi Geosoft vállalattal közös fejlesztésben piacra dobták a PEGASUS SM60 rendszert. Csakúgy azonban, mint annak idején a GPS-szel kapcsolatban a kérdés az, hogy a mobil térképező rendszerek műszakilag mikor válnak megfelelővé az átlagos vállalkozások által végzett munkák elvégzéséhez (tehát nem csak speciális munkákhoz, melyekből kevés adatik), mikor válnak elérhetővé anyagi oldalról, és a legfontosabb kérdés az előbbi kettő ötvözete: mikor válik megtérülővé és profittermelővé egy ilyen beruházás. A Leica Geosystems Hungary Kft (közösen egy magyarországi földmérési vállalkozással) egy olaszországi pilot projekt eredményein keresztül ezeket a kérdéseket vizsgálta meg, első helyen súlyozva a legutóbbi, a megtérüléssel kapcsolatos kérdést. 1

2 RÖVIDEN A MOBIL TÉRKÉPEZŐ RENDSZEREKRŐL VIZSGÁLATI SZEMPONTOK A mobil térképező rendszerek, mint technológia nem új keletűek. A 80-as évek végén, 90-es évek elején jelentek meg először amerikai kísérleti műhelyekben. A rendszeres publikációk pedig 1995-től már olvashatók, a fejlesztések követhetők. Általánosságban a megoldás (Sárközy online jegyzet) egy járműre szerelt GNSS, valamint inerciális rendszerből (IMU), szenzorokból (melyek lehetnek kamerák, lézerszkennerek, radarok, stb., vagy ezek kombinációi), illetve az alrendszerek összehangolt működését, valamint a valósidejű, illetve utófeldolgozást biztosító szoftverekből áll. Egy adott célnak megfelelő hasznosságot a felhasználó számára nyújtott értéket olyan jellemzők biztosítják, mint: Modularitás: az egyes rendszerelemek skálázhatósága (mennyi helyettesítő rendszerelem áll rendelkezésre a műszaki célok és a költségvetés függvényében?) A szenzorok műszaki képességei (pl. a lézerszkenner pontossága, a másodpercenként felvett pontok száma, a kamerarendszer képességei, stb.) A kinyert adatok felhasználhatósága (pl. a kamera csak vizuális segítség-e, vagy már az általa nyert kép is geometriailag értékelhető téradat?) Abszolút és relatív pontosság A GNSS/IMU nyújtotta lehetőségek: (az abszolút pontosságot ez fogja meghatározni) Adatkezelés, adatformátumok (kompatibilitás input és output oldalról más rendszerekkel) Adatfeldolgozás (valósidejű utófeldolgozás, levezethető termékek száma, erőforrásigény a feldolgozási oldalon) Objektumok pozícióinak, térbeli jellemzőinek meghatározása, attributum adatok hozzáadása, objektumfelismerés. Kezelhetőség (emberi erőforrás igény az adatgyűjtési oldalon) Szervezeti háttér (elérhetőség, szerviz, műszaki támogatás, fejlesztés, szervezeti stabilitás, stb.) Ár (beszerzés + üzemeltetés+járulékos költségek) PEGASUS SM60 RENDSZERELEMEI MODULARITÁS ÉS SKÁLÁZHATÓSÁG A Pegasus SM60 (1. kép) egy mobil, a digitális fotogrammetriát és a 3D lézerszkennert ötvöző megoldás. A rendszer elemeinek kiválasztásánál két fő szempont volt az irányadó. Az egyik, hogy minden elem a kategóriájának megfelelő legjobb gyártmány legyen. Jelenleg a piacon egyetlen szereplő sincs, aki elmondhatná magáról, hogy egy ilyen komplex 2

3 rendszer minden elemét tekintve az ő gyártmánya a legjobb. Így az egyes elemeket (ha a maximális minőség a cél) a kategóriájuk legjobb fejlesztőitől érdemes beszerezni. A másik szempont a skálázhatóság, azaz, hogy a felhasználó a műszaki igényeinek és pénzügyi lehetőségeinek megfelelően állíthassa össze a kívánt konfigurációt (nyilván bizonyos keretek között). Ennek megfelelően a főbb elemei: Nagy teljesítményű 3D lézerszkenner, illetve lézerszkennerek, mivel opcionálisan két szenzor is illeszthető. A két szkenner illeszthetőségének az árnyékos területek (holt terek) minimalizálásához van lehetőség. A szkennerek a Leica Geosystems termékei. Az 5-6 CCD kamerából álló kamera rendszer Az inerciális rendszer (IMU). Széles választási lehetőséggel (lásd alább) a pontosságot és az árat tekintve. A GNSS rendszer (NOVATEL). Ugyancsak számos választási lehetőséget kínál. Az irányító és feldolgozó munkaállomás, mely a Geosoft saját, illetve ESRI alapú fejlesztéseiből állnak. A szállító gépjármű (választás kérdése, a legegyszerűbb középkategóriás, gépjármű is megfelel) A SZKENNER A lézerszkenner tekintetében a műszaki igényeknek és pénzügyi lehetőségeknek leginkább megfelelő Leica fázisszkenner (HDS6200, illetve a legújabb HDS7000) választható. Fontos gazdasági szempont, hogy az említett szkennerek önállóan, földi felmérési állomásként is használhatók, tehát egy mozdulattal függetleníthetők a Pegasus SM60-tól és más projektekben önállóan bevethetők. Így a szkenner tekintetében egy egyszeri beruházás többcélú felhasználást is jelent, illetve adott a lehetőség más szervezet által már megvásárolt szkenner bérletére is. A lézerszkenner kritikus eleme a rendszernek, nem csak azért, mert a nagytömegű adatgyűjtés egyik lényegi eleme, hanem mert az elérhető legnagyobb relatív pontosságot a szkenner pontossága határozza meg. A Leica szkenner (HDS6200 és HDS7000) oldaláról biztosított legfontosabb műszaki paraméterek: Sebesség: HDS6200: pont/sec (1 millió pont) HDS7000: pont/sec (1 millió pont) Pontosság (távmérés): HDS6200: <2-3mm 50m-ig (90%-os albedojú felületen); <5mm 50m-en (18%-os albedojú felületen) HDS7000: <1mm 25m-ig; <3mm 50m-ig; <10mm 100m-ig Hatótávolság: HDS6200: max. 79m (90% albedo); max. 50m (18% albedo) HDS7000: max. 187m Felbontás (statikus mód): HDS6200: max. 1,6x1,6mm 10m-en; 3,9x3,9mm 25m-en HDS7000: max. 0,6x0,6mm 10m-en; 1,6x1,6mm 25m-en 3

4 A KAMERARENDSZER A kamerarendszerrel kapcsolatban a legfontosabb érv, hogy az általuk létrehozott képekből a szoftver térmodellt állít elő, így a lézerszkennertől függetlenül is előáll egy mérésre alkalmas állomány, egy fotogrammetriai termék. Megtérülési szempontból fontos ugyanis, hogy egy több tízmilliós beruházás minden eleme legyen a termelés szempontjából egyértelműen hasznos és produktív, így fontos, hogy az amúgy költséges kamerarendszer ne csak az emberi vizuális navigációt segítse, illetve ne csak képadatokat szolgáltasson. Az öt kamera kiváló minőségű, nagyfelbontású 180 fokos panoráma frontképet állít elő. A 6. kamera az útburkolatra irányítható aminek a segítségével útburkolat szerkezet vizsgálat végezhető. A kamerák optikailag kalibráltak, hogy fotogrammetriai célokra is használhatók legyenek. Minden CCD kamera 1024x768 felbontású színes képet biztosít. A rendszer lehetővé teszi a felvételi arány beállítását, valamint a tájékozást. A képkészítés történhet előre definiált távolság alapján. A rendszer gyakorlatilag videófelvétel hatású kép streamet állít elő. Fontos, hogy lehetősége van az operátornak bármikor manuálisan is képkészítésre. Menet közben is irányítható, tetszés szerint effekt készíthető. A GNSS/IMU (ABSZOLÚT PONTOSSÁG) A GPS / INS NOVATEL SPAN platformon alapul, ami lehetővé teszi az IMU (inerciális rendszer) széles választékát. A rendszerelem felelős az abszolút pozícionálásért. A 2. képen néhány választható inerciális rendszer GNSS jelvesztés esetén produkált pozícióhibája látható (optimális választásnak az AG58 rendszert bizonyult): 2. kép: Pozícióhibák a választott inerciális rendszerek függvényében 4

5 Fontos tudni, hogy az abszolút pontosságot a fentieken kívül befolyásolja még a jármű sebessége, valamint a szenzorok helyzetéből eredő szöghibák (roll, pitch, heading). A GNSS/IMU rendszerben a nagyobb sebesség nagyobb pontosságot eredményezett, egészen egyszerűen azért mert rövidebb a GNSS jelvesztés hatás (30-50 km/h-val haladtunk belterületen és km/h val autópályán). A GNSS jelvesztésből eredő pontatlanság kiküszöbölésének a másik gyakorlati módszere éppen az, ha a jelvesztés után megállunk, vagy jelentősen lelassítunk és hagyjuk, hogy a rendszer újrainicializáljon. Itt van fontos szerepe a mérés közbeni gazdag minőségi paraméter visszajelzésnek, mely lehetővé teszi az operátor számára a gyors beavatkozást és a helyzet által megkívánt döntést (pl., hogy egy jelvesztés esetén éppen gyorsítsunk, vagy álljunk le). Az abszolút pontosság lényegében a GNSS/IMU rendszer által nyújtott pontosság. Az viszont a kísérleteink szerint a mobil térképezés esetén jobb, mint az RTK földmérési pontosság részben az utófeldolgozás nyújtotta lehetőségek okán, részben pedig a mérési gyakoriság (eltérő mérési filozófia és modell alkotás) végett. Földi felmérés során ugyanis a modell jellemző pontjait fogjuk meg, majd a pontok közötti vonalakkal modellezzük a valóságot. Ebből következik, hogy a modellezett rész a két pont interpolálása lehet csak, ami egyértelmű információveszteséget (egyben pontosságveszteséget) jelent. A 3D lézerszkennelési eljárásoknál ugyanakkor a megfogott pontok mm-re vannak egymástól, így még az egyes pontokra vonatkoztatott esetlegesen rosszabb abszolút pozíció is összességében az egész modellre nézve jobb eredményt produkálhat, mint a földi felmérés (természetesen itt földi eljáráson nem egy szabatos felmérést, pláne nem ipari geodéziai méréseket értünk) Fontos gyakorlati módszer a pontosság növelésére, ha egy-egy problematikusabb útvonalat újrajárunk úgy, hogy előtte egy nyílt területen felvesszük a jó pozíciót és azt megtartatjuk az inerciális rendszerrel. 5

6 AZ ADATFORMÁTUMOK A rögzített adatok formátumát illetően a képeket jpg. formátumban a szkennelt állomány LAS, TXT, PTS formátumban kapjuk. A rendszer támogatja a 3D képalkotó rendszerekre vonatkozó nemzetközi ASTM E57 szabványt. A feldolgozott állományok ESRI SHAPE fájlokban, illetve az ESRI által támogatott formátumokban tárolhatók, 3. kép: adatformátum kezelés exportálhatók. A rendszer kezeli a CAD (3. kép) formátumokat is (DWG, ASCII, stb.) SZOFTVERES HÁTTÉR A MÉRÉS ÉS FELDOLGOZÁS FOLYAMATA Rendszerkalibráció A műszer kalibrálható, így tetszés szerint átmozgatható másik járműre. Erre például akkor lehet igény, ha vasúti alkalmazásokhoz is használni kívánjuk az eszközt és ennek megfelelően vasúti mérőkocsira van szükség. A kalibrálás egyszerű, külön szoftvermodul segíti. Elvégezhető a felhasználó által, de elvégzi a szállító is kérés esetén. Ennek megfelelően tetszőleges szállítójárműre átrakható a rendszer, illetve más munkafolyamotokhoz le-, illetve fel- és leszerelhető a szkenner. A mérés A mérés során egy ember is elegendő (nem árt azonban, ha a gépkocsi vezetését más látja el). Számos minőségi paraméter ad visszajelzést, és beavatkozási lehetőséget az operátornak. Lehetőség van GNSS koordinátákkal megjelölt események manuális rögzítésére, vagy az előre definiálttól eltérő képrögzítésre, illetve menet közben dönteni az esetleges pozíció hibák javításáról (lassítás, gyorsítás, újrabejárás, azaz jó pozíciók felvétele és azzal való javítás, stb.). Nem lehet eléggé hangsúlyozni az útvonaltervezés fontosságát. 6

7 Helyzeti adatok (GNSS/IMU) feldolgozása A nyers adatgyűjtés után az első lépés a trajektory-k, azaz a GNSS/IMU útvonal feldolgozása. Érdemes utófeldolgozást végezni, így lehetőségünk van tetszés szerinti (akár előre elrendezett saját) bázisokat bevonni, ami biztosítja a nagyobb pontosságot. Az első körben feldolgozott állományt azonnal exportálhatjuk GoogleEarth-be a könnyebb tájékozódás, vagy akár másoknak kiajánlott távoli elérés céljából (4. kép). A gyanús (pl. kék, vagy vörös) színnel jelölt pontokra kattintva azonnali minőségi információkhoz jutunk. Természetesen van lehetőség a teljes állomány pontossági mutatóinak listázására (nem pontonként kell végigmennünk rajta). A pozíció minőségi 5. kép: Minőségi információk egy kattintásra 4. kép: a pozíció minőségét színkódokkal megjelenítő pozíciók a GoogleEarth felületén vizsgálatát végezhetjük visszafelé is, amikor a pozíciók minőségét megjelenítő diagramban a hibahatár feletti részekre kattintva a rendszer a problémás ponthoz navigál. A mérési állomány feldolgozása Miután feldolgoztuk a végleges GNSS/IMU trajektory állományt, a képek feldolgozása, majd a különböző forrásból érkező adatok (fotogrammetriai állomány, 3D pontfelhő, digitális térkép, stb.) összedolgozása következik (6. kép). A 6. kép: Nagyfelbontású kamerakép, digitális vektoros állomány és szkennelt állomány összedolgozása az autópályáról.. 7

8 feldolgozott és összekapcsolt állomány a további feldolgozáshoz, szerkesztéshez, kiértékeléshez a Geosoft által ESRI környezetben fejleszett ArcGDS nevű kiterjesztés alatt történik. Itt hivatkoznék újra a rendszer egyik nagy előnyére, hogy a kameraképek nem csak a látványt segítik, hanem maguk is fotogrammetriai termékek, tehát méréseket, szerkesztéseket végezhetünk rajtunk, akár a 3D pontfelhő hiányában is. Természetesen ennek pontossága nem éri el a szkennelt pontfelhőét. A másik nagy előny, hogy a rendszer a 3D pontfelhőből csak annyit tölt be, amennyivel éppen dolgozunk. Mindezt dinamikusan, esemény-érzékenyen teszi. Tehát ahogy a fotogrammetriai modellben haladunk, navigálunk, azonnal (időkésleltetés nélkül) töltődik be a 3D szkennelt felhő is, anélkül, hogy óriási memória igényt (és így költséges hardvert) támasztana. A feldolgozás hatékonyságát tovább növeli, hogy a 3D pontállományban létrehozható tetszőleges parallaxissal egy valódi, az operátor részére is 3D munkakörnyezet biztosító virtuális valóság (7. kép). Ne felejtsük el, hogy amikor 3D szkennelt pontfelhőről 7. kép: sztereoszkópikus környezetben való beszélünk, akkor az csak geometriai értelemben 3D. A hagyományos síkképernyőről (tehát valójában 2D felületet) szemlélve az a gyakorlatlan operátor számára egy nehézkesen kezelhető ahogy a nevében is benne van pontfelhő, amit zoomolni, forgatni, kóstolgatni kell ahhoz, hogy egyáltalán azonosíthatók legyenek azok a pontok, melyekkel dolgozni akarok, melyeket be akarok vonni a szerkesztésbe. A Pegasus SM60 azonban ezt a pontfelhőt, valódi 3D-ben jeleníti meg (mint egy imax moziban), így nagyságrendekkel lerövidül a szerkesztési idő. Nem utolsó szempont az sem, hogy a 3D képek anaglif ábrákként megjeleníthetők, így egy filléres vörös-zöld szemüveggel harmadik fél is papír alapon szemlélheti a valós térbeli látványt. 8

9 A szerkesztést és feldolgozást még tovább segítik a rendszer olyan jellemzői, mint pl. a szkenner 45 fokos elhelyezése, illetve két szkenner alkalmazása. A 45 fokos elhelyezés biztosítja azt, hogy a szkennelt síkok ne az objektumok függőleges és merőleges élvonalaikkal párhuzamosan képződjenek le, hanem 45 fokban 8. kép: a 45º-ban elhelyezett szkenner biztosítja az egyértelmű élfelismerést. Két szkenner esetén a fekete felszeletelve azokat, így biztosítva a sokkal jobb felismerhetőséget (8. kép). Két szkenner esetén pedig (a képen egy-szkenneres megoldás látható), biztosítható lenne, hogy az árnyékos (részlet nélküli) felületek is megjelenjenek. A költséghatékonyság növelésének további lehetősége ami általában a mobiltérképezési rendszerek folyamatos fejlesztés alatt lévő területe - az automatikus objektum felismerés és az automatizált anonimitás kezelés (gépkocsi rendszámok, arcok, stb. kitakarása). Végül, de nem utolsó sorban itt kell megemlíteni, hogy a sztereoszkópikus látvány előállításának hardver és szoftver igénye ma már igen csekély, pár száz eurós költséggel megoldható. 9

10 ÖSSZEFOGLALÓ Válaszul az egyre gyakrabban előforduló felhasználói igényekre, a Leica Geosystems együttműködve a Geosoft vállalattal örömmel áll rendelkezésre a mobil térképezés terén is. Ez esetben is igyekeztek a fejlesztők olyan megoldást nyújtani (a versenyképes árak mellett), ami reményeink szerint a Leica Geosystems hírnevének megfelelő értéktöbbletet nyújt a felhasználók számára: Modularitás (lehetőség az igények és árak optimalizálására) Rendszerelemek a kategóriájuk legjobbjaitól kiválasztva, hogy a legnagyobb minőség biztosítva legyen Egyedülálló relatív pontosság Digitális térfotogrammetria alkalmazása: A költséges kamerarendszer nem csak látvány, hanem önmagában is mérnöki modell, értéket jelentő termék előállítására alkalmas 3D valódi környezetben való feldolgozás, hogy a 3D környezet előnyeit ne csak a mérés, hanem a feldolgozás során is kihasználhassuk. Gombás László Ügyvezető Leica Geosystems Hungary Kft FELHASZNÁLT IRODALOM: Dr Sárközy Ferenc: Térinformatika, internetes letöltés 2011 szeptember: 10