Ανδρέας Γεωργόπουλος

Καθηγητής Ε.Μ.Π.

drag@central.ntua.gr

Συστήματα Σάρωσης

με laser- LiDAR

Άδεια χρήσης

Το παρόν υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative

Commons και δημιουργήθηκε στο πλαίσιο των Ανοιχτών

Ακαδημαϊκών Μαθημάτων από την Μονάδα Υλοποίησης

του ΕΜΠ. Για το υλικό που υπόκειται σε άδεια χρήσης

άλλου τύπου, αυτή πρέπει να αναφέρεται ρητώς.

Η ονομασία LiDAR προέρχεται από τον όρο “Light Detection

and Ranging”, ενώ αναφέρεται και ως Radar Laser

Το LiDAR αποτελεί έναν εναλλακτικό δέκτη, ο οποίος

παράγει υψομετρικά δεδομένα που δεν ήταν δυνατό να

αποκτηθούν μέχρι την εμφάνισή του.

Δεν φιλοδοξεί να αντικαταστήσει τους συμβατικούς δέκτες

(π.χ. Μηχανές αεροφωτογραφίσεων), αλλά λειτουργεί

συμπληρωματικά

LiDAR: Τι και Πώς;

3

Ο ενεργητικός αυτό δέκτης εκπέμπει μερικές χιλιάδες παλμούς laser το δευτερόλεπτο

Κάθε παλμός ανακλάται στο αντικείμενο και επιστρέφει στον

δέκτη, ενώ ο χρόνος της διαδρομής μετράται με

χρονόμετρο ακριβείας και μετατρέπεται σε απόσταση

Αυτή η απόσταση καθώς και η θέση και ο προσανατολισμός

του αεροσκάφους (που είναι εφοδιασμένο με INS και GPS)

χρησιμοποιούνται για τον προσδιορισμό των

συντεταγμένων του στόχου

LiDAR (Light Detection And

Ranging) (1/3)

4

Για κάθε παλμό μπορεί να καταγραφούν πολλαπλές

επιστροφές

Δυνατότητα για έως 200.000+ παλμούς/sec.

Κάθε τι που φαίνεται από το αεροπλάνο μπορεί να

καταγραφεί !

LiDAR (Light Detection And

Ranging) (2/3)

5Εικόνα 1. Laser Scanning

Ιπτάμενο σύστημα σάρωσης με laser για τον προσδιορισμό

της γήινης επιφάνειας

περιοχή προς σάρωση

σαρωμένη περιοχή

LiDAR (Light Detection And

Ranging) (3/3)

Εικόνα 2. Σαρωτής Laser

(laser scanning)

6

• Αερομεταφερόμενοι (airborne)

• Δορυφορικοί (satellite)

• Υδρογραφικοί (hydrographic)

• Επίγειοι (terrestrial)

• Μετακινούμενοι (mobile mapping systems)

Είδη δεκτών LiDAR (1/4)

7

Εικόνα 4. Δορυφορικός

δέκτης

Εικόνα 3. Airborne Laser

Scanner

Είδη δεκτών LiDAR (2/4)

8

Εικόνα 5. CloudSat

radar

Εικόνα 6. 3D Laser

scanner

Εικόνα 7. Υδρογραφικό

LiDAR

Είδη δεκτών LiDAR (3/4)

9

Εικόνα 7. Επίγειος δέκτης

LiDAR

Εικόνα 8. Tehnical Data 3D

Scanner Hardware RIEGEL

LMS-Z390i

Είδη δεκτών LiDAR (4/4)

10

Εικόνα 9. Επίγειες μετρήσεις με την χρήση MMS

Αρχή λειτουργίας LiDAR

• Μέτρηση χρόνου (Time-of-Flight – ToF)

• Μέτρηση διαφοράς φάσης (Phase Shift)

Εικόνα 10. Αρχή λειτουργίας των LiDAR

11

Kύρια μέρη συστήματος LiDAR

• Πλατφόρμα (αεροσκάφος)

• Κυρίως δέκτης (πομπός –

δέκτης)

• Διαφορικό GPS

• Αδρανειακό Σύστημα (IMU)

• Η/Υ

Εικόνα 11. Βασικά μέρη του LiDAR12

Αρχή λειτουργίας LiDAR

Εικόνα 12. Σχηματική απόδοση της λειτουργίας των LiDAR

13

Χαρακτηριστικά δεκτών LiDAR

• Ρυθμός επανάληψης (παλμοί /sec)

• Συχνότητα σάρωσης (ταχύτητα ταλάντωσης)

• Γωνία σάρωσης (IFOV)

• Ύψος πτήσης

• Απόσταση γραμμών πτήσης

• Πυκνότητα σημείων

• Εύρος κάλυψης

• Μήκος κύματος (λ = 532 – 1550 nm)

14

Για μεγάλες γωνίες σάρωσης οι ακτίνες

laser παγιδεύονται στη βλάστηση. Είναι

αδύνατο να παραχθεί DEM του εδάφους

στις θέσεις αυτές, δεδομένου ότι δεν

υπάρχουν σχετικές μετρήσεις.

Η“καταγραφή του πρώτου παλμού”

επιτρέπει την αποτύπωση των

ψηλότερων αντικειμένων, ενώ η

“καταγραφή του τελευταίου παλμού”

χρησιμοποιείται για την αποτύπωση

του εδάφους.

Πρώτος

παλμός

Τελευταίος παλμός

Εικόνα 13α. Πολλαπλές επιστροφές παλμού

15

Πολλαπλές επιστροφές παλμού

Multiple Return LIDARMultiple Return LIDAR

100%50%

Pulse emission

100%50%

100%50%

100%50%

EarthData Aeroscan Mult iple Return LIDAR

first return

second return

fourth return

0

20

nanosec meters

0

6

0

20

40

60

80

100

120

140

0

6

12

18

24

30

36

42

100%50%

third return 100%50%

no return

16

Εικόνα 13β. Πολλαπλές

επιστροφές παλμού

Εικόνα 13γ. Πολλαπλές

επιστροφές παλμού

Εικόνα 13δ. Πολλαπλές επιστροφές παλμού

Πολλαπλές επιστροφές παλμού

17

Εικόνα 14α. Σύγκριση δεδομένων του πρώτου και του τελευταίου παλμού

DSM DTM

Πολλαπλές επιστροφές παλμού

18

DSM DTM

Εικόνα 14β. Σύγκριση δεδομένων του πρώτου και του τελευταίου παλμού

Πολλαπλές επιστροφές παλμού

19

Υδρογραφικά LiDAR

• Δέκτες με κατάλληλο μήκος κύματος

– Πράσινο για διείσδυση στο νερό

• Συνδυασμός με δέκτη NIR για προσδιορισμό επιφάνειας

νερού

• Μέγιστο βάθος 15-20 m

• Μέγιστο ύψος πτήσης 400 m

Εικόνα 15. Airborne LiDAR

Bathymetry

20

Διαδικασία σάρωσης

• Προγραμματισμός πτήσης

• Ίδρυση και μέτρηση σημείων επίγειου ελέγχου (GCP)

• Βαθμονόμηση συστήματος LiDAR

• Πτήση και Συλλογή δεδομένων

• Επεξεργασία πρωτογενών δεδομένων

• Επιβεβαίωση και έλεγχος ποιότητας

• Παραγωγή προϊόντων

21

Βαθμονόμηση συστήματος LiDAR

• Προσδιορισμός γραμμικών και γωνιακών αποκλίσεων

των δεκτών και υποσυστημάτων (boresight

misalignment)

• Βαθμονόμηση συστήματος γεωαναφοράς (GPS/IMU)

πριν από κάθε πτήση (πεδίο ελέγχου)

22

ZINS

ZL

XINS

XL

YL

YINS

ZM

XM

YM

rM,k

rM,INS

k

ΔZ

ΔXΔY

rL

k’

GPS

Εικόνα 16α. Διαδικασία βαθμονόμησης του

LiDAR

23

Βαθμονόμηση συστήματος LiDAR

23

Εικόνα 16β. Διαδικασία βαθμονόμησης του

LiDAR

Χαρακτηριστικά δεδομένων LiDAR

Τα πρωτογενή δεδομένα είναι σημεία XYZ

Μεγάλη χωρική ανάλυση

– Ίχνος Laser στο έδαφος ≤ 0.50 m

– Τυπική πυκνότητα 0.5 - 20+ παλμοί/m2

– Έως 6 επιστροφές/παλμό (σε δασικές περιοχές)

Μεγάλος όγκος δεδομένων

– 1 με 6+ παλμοί/m2

– 1 με 10+ επιστροφές/m2

24

Εικόνα 17. Διαδικασία σάρωσης

Επεξεργασία δεδομένων

• Προεπεξεργασία

• GPS/INS για γεωαναφορά

• Πληροφορίες από βαθμονόμηση

• Ταξινόμηση (ανάλογα με ιδιότητες επιστρεφόμενης

ακτινοβολίας)

• Παρεμβολή (αρχεία LAS)

• Εξαγωγή χαρακτηριστικών

Εικόνα 18. Υψομετρική πληροφορία Εικόνα 19. Καταγραφή έντασης

25

Αρχεία LAS

• Το πρότυπο LAS (2003 -2007)

– Συμβατότητα δεδομένων

• Δομή

– Public Header Block – Γενικές πληροφορίες (πηγή

παραγωγής δεδομένων - κατασκευαστής, λογισμικό

επεξεργασίας, πλήθος των σημείων, στατιστικά

στοιχεία)

– Variable Length Records – Μεταβλητές όπως η

γεωγραφική προβολή και τα μεταδεδομένα

(metadata).

– Point Data Block – Τιμές συντεταγμένων X,Y,Z των

σημείων laser, τιμές έντασης, πλήθος

επιστρεφόμενων παλμών.26

Νέφος σημείων από LiDAR

Εικόνα 20. α. Digital Surface Model β. Digital Terrain Model

27

Ακρίβεια - Αξιοπιστία

• Θέση (X,Y,Z) για κάθε επιστροφή

– 0.15-1.00m οριζοντιογραφικά

– 0.10-0.15m υψομετρικά

• Έδαφος (επιφάνεια γης)

– Πώς ορίζεται το έδαφος?

• Ύψος βλάστησης

– Υποεκτίμηση κατά 0.5 με 2 m

– Το σφάλμα εξαρτάται από το είδος

• Δυσμενής επίδραση σκόνης και υγρασίας

28

Leica ALS60

Προδιαγραφές

• Επιχειρησιακό υψόμετρο πτήσης 200 m – 5000 m από

ΜΣΘ

• Επιστροφές 4

• Ψηφιοποίηση έντασης παλμού 8 bit

• Μέγιστο FOV 75 μοίρες

• Αποθηκευτικό μέσο 500 GB HDD (~18 ώρες σε μέγιστο

ρυθμό)

• Διαχείριση πτήσης μέσω Leica FCMS flight management

software

29

Leica ALS60

Εικόνα 21α. Leica ALS60Εικόνα 21β. Leica ALS60

30

Δέκτες LiDAR

Εικόνα 22α. Δέκτης LiDAR

Εικόνα 23α. ALTM Pegasus

Εικόνα 22β. Δέκτης LiDAR

Εικόνα 23β. ALTM Pegasus 31

Κλασική Φωτογραμμετρία vs. LiDAR

LiDAR Φωτογραμμετρία

24ωρη λειτουργία Δεδομένα μόνο την ημέρα

Άμεση συλλογή 3D

πληροφορίας

Πολύπλοκες διαδικασίες για

προσδιορισμό 3D

Καλύτερη ακρίβεια στα

υψόμετρα

Καλύτερη ακρίβεια στην

οριζοντιογραφία

Δύσκολη ερμηνεία από τα

νέφη σημείωνΌμως οι τιμές της έντασης

παράγουν χρήσιμες «εικόνες»

Πλούσια σε ερμηνευτική

πληροφορία

32

• 3D Μοντέλα πόλεων για αστικό σχεδιασμό

• Παρακολούθηση και προστασία παράκτιων ζωνών

• Χαρτογράφηση έργων οδοποιίας, αγωγών, έργων

μεταφοράς ενέργειας κλπ.

• Καταγραφή και διαχείριση

• Πλημμυρική προστασία και υδρογραφικές

προσομοιώσεις

• …

Εφαρμογές (1/4)

33

Εικόνα 24. Τμήμα της πόλης Pavia στην Ιταλία

Παράδειγμα Εφαρμογής: 3D μοντέλα

πόλεων

34

Εφαρμογές (2/4)

35

Εικόνα 25. Ψηφιακό Μοντέλο Επιφάνειας (DSM)

36

Εφαρμογές (3/4)

Εικόνα 26. Ψηφιακό Μοντέλο Εδάφους (DΤM)

37

Εφαρμογές (4/4)

Εικόνα 27α. DSM Εικόνα 27β. DSM

Εικόνα 28. Δημιουργία DSM

Παράρτημα (1/5)• Εικόνα 1. Laser Scanning: «Υλικό με μη προσδιορισμένη

προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου

δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.»

• Εικόνα 3. Airborne Laser Scanner: http://www.leica-

geosystems.com-CC:BY-ND

• Εικόνα 4. Δορυφορικός δέκτης:

http://www.eohandbook.com/eohb05/ceos/part3_1_pop3

.html -CC:BY-ND

• Εικόνα 5. CloudSat radar:

http://www.eohandbook.com/eohb05/images/cloud_profil

e_02.jpg -CC:BY-NC-SA

• Εικόνα 6. 3D Laser scanner:

https://images.yumpu.com/yumpu.com/000/037/616/890/

1420006744_0484/small/FARO_Focus_3D_Laser_Scann000

001.jpg -CC:BY-ND 38

Παράρτημα (2/5)• Εικόνα 7. Υδρογραφικό LiDAR:

http://www.ocean361.com/product/common/upload/2013

/05/19/1717416C.jpg -CC:BY-ND

• Εικόνα 8. Technical Data 3D Scanner Hardware RIEGEL LMS-

Z390i:

http://www.geographica.hr/english/instruments/scanners/

riegl -CC:BY-ND

• Εικόνα 9. Επίγειες μετρήσεις με την χρήση MMS: «Υλικό με

μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο

κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.»

• Εικόνα 10. Αρχή λειτουργίας των LiDAR: Sarborn Company,

http://www.sanborn.com/ -CC:BY-NC-SA

39

Παράρτημα (3/5)

• Εικόνα 11. Βασικά μέρη του LiDAR, Εικόνα 12. Σχηματική

απόδοση της λειτουργίας των LiDAR: «Υλικό με μη

προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο

κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.»

• Εικόνα 12. Σχηματική απόδοση της λειτουργίας των

LiDAR: «Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε

περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος

επικοινωνήστε μαζί μας.»

• Εικόνα 13β. Πολλαπλές επιστροφές παλμού:

https://www.e-education.psu.edu/geog481/sites/www.e-

education.psu.edu.geog481/files/Figure_1_06.jpg -CC:BY-

NC-SA

40

Παράρτημα (4/5)• Εικόνα 14α,β. Σύγκριση δεδομένων του πρώτου και του

τελευταίου παλμού: «Υλικό με μη προσδιορισμένη

προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου

δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.»

• Εικόνα 15α. Airborne LiDAR

Bathymetry:http://aeromapss.com/airborne-lidar-

bathymetry/-CC:BY-ND

• Εικόνα 16α,β. Διαδικασία βαθμονόμησης του LiDAR: «Υλικό

με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε

ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί

μας.»

• Εικόνα 17. Διαδικασία σάρωσης: «Υλικό με μη

προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο

κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.»

41

Παράρτημα (5/5)

• Εικόνα 21α,β. Leica ALS60: http://www.leica-

geosystems.com/en/Leica-ALS60-Airborne-Laser-

Scanner_57629.htm -CC:BY-ND

• Εικόνα 22α,β. Δέκτης LiDAR: http://www.gim-

international.com/wosimages/1727_88.jpg -CC:BY-ND

• Εικόνα 23α. ALTM Pegasus:

http://www.teledyneoptech.com/index.php/product/pegas

us-altm/ - CC:BY-ND

• Εικόνα 23β. ALTM Pegasus:

http://aerialsurveysintl.com/images/Orion_pic_xsm.PNG -

CC:BY-ND

• Εικόνα 25. Ψηφιακό Μοντέλο Επιφάνειας (DSM) & Εικόνα

26 Ψηφιακό Μοντέλο Εδάφους (DΤM) : Geological Survey

of Norway (http://www.ngu.no/ ) -CC:BY-NC-SA 42

Χρηματοδότηση

Το παρόν υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του

εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο υλοποιείται

στο πλαίσιο του επιχειρησιακού προγράμματος

«Εκπαίδευσης και δια βίου μάθησης» και

συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκό Κοινοτικό Ταμείο

και από εθνικούς πόρους.