空間情報構築特論 レーザースキャニング
2017 年度スケジュール 空間情報構築特論 1. (4/12) ガイダンス 2. (4/19) [ 空間情報の要素技術 ] レーザースキャニング 3. (4/26) [ 空間情報の要素技術 ] GNSS 4. (5/10) ( 休講 ) 学会のため 5. (5/17) [ 空間情報の要素技術 ] リモートセンシング 6. (5/24) [ 空間情報の要素技術 ] 写真測量および画像計測 7. (5/31) [ 空間情報の要素技術 ]GIS( 地理情報システム ) 8. (6/7) [ 空間情報の要素技術 ] BIM/CIM 9. (6/14) 輪講 A1 10. (6/21) 輪講 A2 11. (6/28) 輪講 B1 12. (7/5) 輪講 B2 13. (7/12) ワークショップ型授業 1/ レポート 14. (7/19) ワークショップ型授業 2/ レポート
レーザースキャニング 1. 事例紹介 2. レーザー計測の原理 3. 3D レーザースキャナ 4. 点群処理 5. レーザー波形解析 6. まとめ
事例紹介 化財 災害 防災 都市空間 構造物 建築空間
レーザースキャニング 1. 事例紹介 2. レーザー計測の原理 3. 3D レーザースキャナ 4. 点群処理 5. レーザー波形解析 6. まとめ
レーザー計測 - レーザー測距 ( 直線距離の算出 ) D - レーザー距離測量 (2D/3D 座標値の算出 ) θ D X,Y,Z - 3D レーザースキャニング ( 量の 3D 座標値の算出 ) X 1,Y 1,Z 1
光 時間測距法 ( Time Of Flight : TOF ) pp.034 標物にレーザー光 ( 外線など ) を照射し, ターゲットで散乱した光を フォトダイオードで捉え, 照射 反射にかかる 時間 から測距 ( 標地 点までの距離を測定 ) する 式 1 レーザー光を照射 2 レーザー光を反射 トータルステーション プリズムターゲット レーザー光が往復する時間を計算 往復距離を計算できる 道分が計測距離 レーザー測距で使 するフォトダイオードは 常に 感度であり, 強い外乱光を受けるとノイズを発 測距を うためには ( 特に太陽光下でも測距する場合 ), このノイズレベル (N) よりも, 受光する散乱光レベル (S) の が きいことが必要
演習 : TOF の計算 センサ 200 ナノ秒 ターゲット?cm レーザーの計測に,200 ナノ秒かかった 測距値は, 何 cm か?
位相差 式 フェーズシフト 式,the phase measurement principle 数種類のレーザ波 の 位相差 ( 渉波 ) で計測距離を算出する 速計測できる 誤表 の可能性もある このような場合 A B 複数の位相を計算し全く違った値を表 する
レーザー距離測量 (2D/3D 座標値の算出 ) 距離と 度から, 座標値を算出できる pp.121 1 トータルステーションの絶対座標値を求めておく 1 トータルステーションの絶対座標値を求めておく トータルステーション 平 トータルステーション 平 器械 鉛直 器械 鉛直 基準点 プリズムターゲット 基準点 計測対象点 23D レーザー計測 器械 2 ノンプリズムレーザー測距 計測対象点 3 計測対象点の座標値が求まる 3 計測対象点の座標値が求まる プリズムターゲットを使う計測 対象物に直接レーザーを当てる計測 = プリズム計測 = ノンプリズム計測 距離を正確に計測できる 危ない箇所でも計測できる ターゲット設置箇所のみの計測 計測距離がプリズム計測より短い
レーザークラス (= 出 ) pp.129 レーザー機器から発 するレーザー光線の波, 放出持続時間により 体に与える影響の程度を表す等級 クラス 1 1M 2 2M 3R 3B 4 内容 に対して安全 散乱された光を ても危険なレーザー 地上測量 レーザーポインタ 航空 LiDAR 上空では 出 のレーザーを照射するが, 地上では出 が減衰している
レーザースキャニング 1. 事例紹介 2. レーザー計測の原理 3. 3D レーザースキャナ 4. 点群処理 5. レーザー波形解析 6. まとめ
Total Station Estimate 2D/3D data using Distance and Angle data X,Y,Z,, D (θ, φ) レーザー距離測量ができるが, レーザースキャナではない
3D レーザースキャナ ノンプリズム測距 + 度 pp.125 1 軸 査型 2 軸 査型 レーザー測距 回転ミラーで回転ミラーでレーザー測距放射状に測距放射状に測距 回転台でレーザースキャナを回転 レーザーを照射する 向をどんどん変えてノンプリズム測距 3D レーザースキャナ 平 点群データ 鉛直 ( ポイントクラウド )
レーザースキャナの 般的な構成 3D レーザスキャナ ( 本体 ) カメラ 三脚 測定 PC バッテリー
レーザー計測器 距離計 3Dスキャナ 違いは 精度 分解能 計測可能な距離 計測可能な距離 レーザー光の 帯域 紫外線 近 外 に依存
レンジ画像 レーザーの反射強度を表 したもの 反射強度画像 ( 参考 ) デジカメの画像
広域の点群データを効率よく計測するには?
航空 LiDAR しながらスキャニング pp.132 直接定位 レーザースキャニング 往復型ミラー 回転型ミラー ミラーが往復 ミラーが回転 必要なセンサ レーザースキャナ RTK-GNSS 受信機 IMU スキャニング断 上から たときの点群データ 向 向
Aerial LiDAR Laser scanning + Position/rotation estimation Position RTK-GNSS Rotation IMU Laser scanning Laser scanner
広域 ( 物 ) の点群データを効率よく計測するには?
Mobile Mapping System (MMS) しながらスキャニング pp.134 必要なセンサ 直接定位カメラ航法装置レーザースキャナ 向 標識 信号機など 横から た図 レーザースキャナ RTK-GNSS 受信機 レーザースキャニング道路 IMU レーザースキャニング 建物 技術的課題 上から た図 衛星測位の環境に きく影響を受ける システム同期の精度が要求される 道路 膨 な点群データ処理
Mobile Mapping Systems (MMS) Laser scanning + Position/rotation estimation Signal, etc. Position Rotation RTK-GNSS IMU Building Laser scanning Laser scanner Side- view Road Top- view
レーザースキャニング 1. 事例紹介 2. レーザー計測の原理 3. 3D レーザースキャナ 4. 点群処理 5. レーザー波形解析 6. まとめ
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点群処理 点群データ ( 量の計測点 ) を取得し, 有 な情報を 動抽出 pp.123 簡単に計測できる 作業が介在する 3D 計測 地物 A 地物 B 正確に計測できないし, 時間もかかる... 鉛直 向と 平 向において等間隔にレーザー計測 3D 計測の 動化 い円が有効な計測データ 動処理で迅速化 外郭線を抽出 だいたい同じ形になっている 復元された地物 Bの形状 地物 B
点群処理の処理例 点群データに モデル をあてはめたり, すりあわせたりする 道路 やファサードを推定する 平 や曲 をあてはめる RANSAC Random Sample Consensus algorithm 点群を統合する 点群と点群をすりあわせる ICP Iterative Closest Point algorithm
Issues in Point-based rendering Near-far problem and Transparent effect Rendered point cloud from a viewpoint (Visualization quality depends on a viewpoint) Occlusion Far from a viewpoint = Dense points Near from a viewpoint = Sparse points 透過効果問題 Caused by rendering hidden points among near-side points 遠近効果問題 Caused by distance differences from the viewpoint to scanned points
レーザースキャニング 1. 事例紹介 2. レーザー計測の原理 3. 3D レーザースキャナ 4. 点群処理 5. レーザー波形解析 6. まとめ
計測距離とレーザースポット径 レーザー光は直線ではない pp.126 レーザーの性質上, 計測距離が くなると, レーザーのビーム幅であるスポットの直径 ( スポットサイズ ) が きくなる 計測距離 ビーム幅 測量における レーザー光 は, こういうイメージで考えると理解しやすい スポットサイズに収まる 印の集合体
パルス解析 pp.127 レーザーの反射波の到達順位などを解析 パルスデータ = レーザーの反射波の到達順位を表す 体 平 構造領域の区別に いることができる シングルパルス ファーストパルスアザーパルスラストパルス 体構造 平 構造
波形記録 式レーザースキャナと, 普通のレーザースキャナ レーザー波形を記録できるかどうか 強度 波形記録 式レーザースキャナ 波形を記録できるもの 時間 0,1 の情報に変換 般的なレーザースキャナ ファーストパルス ラストパルス 時間 時間 光速で距離に換算
レーザー波形解析 ( 地上 LiDAR 計測 ) レーザーの反射波の到達順位を解析する 計測物体の分類 pp.127 レーザースキャナ レーザー光の反射 何らかの物体? 反射強度値ファーストパルスで波形が鋭い 網 ノイズ 波形が緩い樹 時間ラストパルスで波形が鋭い壁
レーザー波形解析 ( 航空 LiDAR 計測 ) レーザーの反射波の到達順位を解析する 計測物体の分類 pp.128 レーザー光の反射 反射強度値 レーザースキャナ 時間 ファーストパルスアザーパルスで波形が緩いラストパルスで波形が鋭い 樹冠がわかる樹 地 地表がわかる
レーザースキャニング 1. 事例紹介 2. レーザー計測の原理 3. 3D レーザースキャナ 4. 点群処理 5. レーザー波形解析 6. まとめ
まとめ 3D レーザースキャナの特徴 短時間で広範囲を測定できる 般的なデータ処理 順 量の 3 次元座標データを取得 必要な3 次元座標データを抽出 点群データ 断 図コンタ図 平 図 形状計測変位計測 CG 構造物の形状計測 量計算斜 の形状計測 ( ダム, 橋梁, 河川, 港湾, ダム, ) 景観保存, 景観シミュレーション 化財
2017 年度スケジュール 空間情報構築特論 1. (4/12) ガイダンス 2. (4/19) [ 空間情報の要素技術 ] レーザースキャニング 3. (4/26) [ 空間情報の要素技術 ] GNSS 4. (5/10) ( 休講 ) 学会のため 5. (5/17) [ 空間情報の要素技術 ] リモートセンシング 6. (5/24) [ 空間情報の要素技術 ] 写真測量および画像計測 7. (5/31) [ 空間情報の要素技術 ]GIS( 地理情報システム ) 8. (6/7) [ 空間情報の要素技術 ] BIM/CIM 9. (6/14) 輪講 A1 10. (6/21) 輪講 A2 11. (6/28) 輪講 B1 12. (7/5) 輪講 B2 13. (7/12) ワークショップ型授業 1/ レポート 14. (7/19) ワークショップ型授業 2/ レポート