Zespół Systemów Informacji Geograficznej i Kartografii

Naziemny skaning laserowy - wprowadzenie


W ciągu kilku ostatnich dziesięcioleci fotogrametria i teledetekcja były podstawowymi technikami pozyskiwania obrazowych danych geoprzestrzennych. Metody te wymagały dużego doświadczenia (fotointerpretacja, ortorektyfikacja, stereodigitalizacja, klasyfikacja nadzorowana itp.), były relatywnie czasochłonne i obciążone dużym subiektywizmem interpretacyjnym, co tylko częściowo zmieniło stosowanie fotogrametrycznych stacji cyfrowych wyposażonych w oprogramowanie wspomagające pracę obserwatora. Kolejnym krokiem była lotnicza, a przede wszystkim satelitarna interferometria radarowa (InSAR) – technologia z końca lat 70. XX w., której jednak prawdziwe „otwarcie” na świat nastąpiło dopiero w 2000 r., kiedy zaczął powstawać jednorodny pod względem dokładności Numeryczny Model Terenu obejmujący niemalże 80% lądów Ziemi (SRTM). Technologia ta jest wciąż rozwijana, czego przykładem jest wystrzelony w 2007 r. pierwszy na świecie wysokorozdzielczy satelita obrazujący w zakresie mikrofal (TerraSAR-X), jak również przygotowania do misji SENTINEL-1, której premierę zaplanowano na wiosnę 2014 r. Najnowszym osiągnięciem w zakresie technik pozyskiwania informacji geoprzestrzennych jest skaning laserowy, którego historia rozpoczęła się w 1993 r. Początkowo system LIDAR (LIght Detection And Ranking) obejmował wyłącznie urządzenia montowane na statkach powietrznych, czyli skaning lotniczy (ALS – Airborne Laser Scanning). Prawdziwym przełomem był jednak rok 1998, kiedy firma Zoller+Fröhlich pokazała pierwsze na świecie urządzenie do naziemnego skaningu laserowego (TLS – Terrestrial Laser Scanning).

Wszystkie skanery laserowe, należące do grupy aktywnych systemów teledetekcyjnych, działają na podobnej zasadzie – ich podstawowym zadaniem jest pomiar odległości celu od urządzenia. Specjalny układ optyczny, z zadaną częstotliwością, wysyła wiązki świetlne (najczęściej w zakresie bliskiej podczerwieni) o określonej długości fali i konkretnym kierunku. Każde odbicie od przeszkody rejestrowane jest de facto jako położenie punktu w przestrzeni, zaś wszystkim składowym powstałej w ten sposób „chmury punktów” przypisane zostają współrzędne X, Y, Z – początkowo w układzie lokalnym skanera, a następnie w docelowym układzie współrzędnych geodezyjnych prostokątnych płaskich. Urządzenia wyposażone w sensor optyczny, zazwyczaj w postaci wbudowanego lub zewnętrznego aparatu fotograficznego, rejestrują także składowe RGB każdego punktu. 

Podstawowa klasyfikacja skanerów TLS wynika ze stosowanej technologii pomiaru odległości. Wyróżniamy skanery pulsacyjne (TOF - time-of-flight), w których odległość jest funkcją czasu, jaki wiązka potrzebuje na przebycie całej drogi do obiektu i z powrotem oraz skanery fali ciągłej (CW – continuous wave ranging), zwane fazowymi, w których sygnał lasera modulowany jest odpowiednią funkcją sinusoidalną bądź wykładniczą. Najważniejsze dla użytkownika są jednak implikacje praktyczne tych dwóch technologii pomiaru. W dużym uproszczeniu można stwierdzić, że skanery impulsowe są urządzeniami wolniejszymi (rejestracja do ok. 200 tys. pkt./s), nieco mniej dokładnymi, ale o większym zasięgu (od ok. 100 metrów do kilku kilometrów), zaś fazowe – szybszymi (rejestracja nawet do 1 mln pkt./s), dokładniejszymi, ale o zdecydowanie krótszym zasięgu (od kilku do ok. 100 metrów). Te pierwsze są więc predestynowane do monitoringu krajobrazowego, rejestracji obiektów i procesów z zakresu geomorfologii czy geologii, prac topograficznych i górniczych, zaś drugie wykorzystuje się przede wszystkim w architekturze, inżynierii budowlanej, energetyce itp.

Zaawansowane technologicznie skanery impulsowe (obecnie większość lotniczych i kilka modeli naziemnych firmy Riegl) rejestrują także dla każdego punktu z chmury intensywność odbitego sygnału, czyli wszystkie składowe odbić jednej wiązki, a nie tylko pierwsze i ostatnie echo. W przypadku TLS kolejne echa są interpretowane poprzez metodę detekcji tzw. pełnej fali (full waveform detection), która polega na cyfrowym próbkowaniu całej krzywej fali powracającej do detektora i niosącej ze sobą informacje o odbiciu od wielu obiektów (co ma miejsce np. podczas wędrówki plamki lasera przez kolejne warstwy roslinności). Ta nowa funkcjonalność naziemnych urządzeń impulsowych otwiera zupełnie nowy rozdział w badaniach krajobrazowych, w których pokrywa roślinna bardzo często jest elementem składowym. 

Do najważniejszych cech naziemnych skanerów laserowych należą:

  • olbrzymia efektywność w porównaniu z najbardziej nawet zaawansowanymi technologicznie instrumentami geodezyjnymi, co związane jest z częstotliwością wysyłania wiązki – w zależności od modelu wynosi ona od 1 kHz (rejestracja 1000 pkt./s) do 1 MHz (ok. 1 mln pkt./s); 
  • olbrzymia pojemność informacyjna – urządzenia skanując powierzchnię potrafią zarejestrować nawet kilkanaście tysięcy punktów na 1 m2; dla porównania ALS w ramach projektu ISOK rejestruje ≥4 pkt./m2 dla Standardu I (z wyjątkiem obszarów priorytetowych) i ≥12 pkt./m2 dla Standardu II (obszary miejskie);
  • całkowita niezależność pomiarów od warunków oświetleniowych – jako urządzenia aktywne, a nie pasywne, mogą pracować w całkowitej ciemności, a na obrazie nie występują cienie;
  • znaczna niezależność pomiarów od przejrzystości powietrza – zmniejszeniu ulega jedynie zasięg, a nie dokładność;
  • znaczna automatyzacja pozyskiwania danych – do minimum ogranicza to możliwość wystąpienia błędów i niemal eliminuje subiektywizm interpretacyjny operatora;
  • duża mobilność stanowiska – w zespole maksymalnie 2-3 osobowym można dotrzeć niemal w każde miejsce;
  • możliwość natychmiastowej rejestracji stanu obiektu lub zjawiska – całkowita niezależność od dostępności danych zewnętrznych, których zakres przestrzenny i czasowy często limituje lub wręcz uniemożliwia wykonanie wielu obserwacji;
  • znaczna „kompatybilność” z technologią ALS, co daje dużo większe możliwości interpretacyjne; możliwość integracji jest szczególnie ważna w kontekście projektu ISOK („Informatyczny System Osłony Kraju przed nadzwyczajnymi zagrożeniami”), który obejmie nieco ponad 60% powierzchni kraju;
  • brak kosztów bezpośrednich związanych z pozyskiwaniem praktycznie nieograniczonej ilości danych i eksploatacją samego urządzenia.

Należy podkreślić fakt, że TLS jest wciąż technologią bardzo młodą – na świecie pierwsze wyniki opublikowano zaledwie ok. 10 lat temu. W Polsce do tej pory skaning naziemny wykorzystywano w architekturze (w tym konserwatorskiej inwentaryzacji zabytków), inżynierii budowlanej, geodezji, górnictwie, energetyce, drogownictwie i kolejnictwie (pospołu z naziemnym skaningiem mobilnym) czy w kryminalistyce. W naukach przyrodniczych niewątpliwymi prekursorami byli leśnicy, którzy pierwsze próby z nową technologią podjęli ok. 6-7 lat temu, a następnie geolodzy na czele z Państwowym Instytutem Geologicznym. Wstępne pomiary prowadzone są też m.in. w Tatrzańskim Parku Narodowym i na Spitsbergenie (UMCS, Instytut Geofizyki PAN), ale generalnie na polu geografii fizycznej w naszym kraju TLS nie został jeszcze tak naprawdę odkryty i doceniony jako nowa i niezwykle obiecująca metoda pomiarowo-badawcza.