Det finnes to ulike metoder for ˚a m˚ale en 3D-overflate ved bruk av en laserskanner.
Man kan regne ut tiden lasersignalet bruker p˚a ˚a returnere til sensoren, eller det kan gjøres ved en triangulering. Ved ˚a registrer tiden signalet bruker fra laserskan-neren til det blir reflektert, kan man enkelt beregne avstanden. Denne metoden for avstandsm˚aling kalles for time-of-flight eller LIDAR (Light Detection and Ran-ging) m˚alinger.
En annen metode er fasem˚alinger. Denne typen laserskannere sender ut en str˚ale med vekslende frekvenser. Skanneren registrerer da faseskiftene til str˚alen n˚ar de returnerer fra de ønskede objektene. Denne informasjonen brukes videre til ˚a be-regne avstanden [Vosselman and Maas, 2010].
4.2.1 Time-of-flight m˚ alinger
Metoden hvor man registrerer tiden signalet bruker p˚a ˚a returnere fra objektet kalles time-of-flight m˚alinger. Avstanden (ρ) til objektet kan beregnes basert p˚a tiden (t) det tar fra laserpulsen forlater skanneren til den kommer tilbake. Det er normalt ˚a anta at laserpulsen beveger seg med lysets hastighet i vakuum (c). Dette m˚a korrigeres for brytningsindeksen (n) som er avhengig av temperatur, lufttrykk og fuktighet. Denne avstanden kan beregnes av følgende ligning [Vosselman and Maas, 2010]:
ρ= c n t
2 (4.2.1)
En del av pulsen fra laserskanneren blir ikke fullstendig reflektert med en gang, noe som resulterer i at man f˚ar flere returer fra samme puls. Dette kan være ekstremt nyttig og gir mer informasjon om terrenget, som for eksempel n˚ar man skanner trær. Da kan første retur komme fra trekrona, den andre fra grener og den siste returen fra selve bakken se figur 4.2.1.
Figur 4.2.1: Flere returer fra en laserskanning [Vosselman and Maas, 2010].
Omr˚adet som laseren dekker kalles forfootprint. Størrelsen p˚a footprintet er avhen-gig av avstanden fra skanneren til objektet, samt bølgelengden og refleksjonen fra laseren. Nøyaktigheten p˚a m˚alingene er avhengig av størrelsen til dette footprin-tet, der nøyaktigheten blir d˚arligere med økende størrelse. Dette betyr at jo større avstanden mellom objektet/omr˚adet og skanneren er, jo d˚arligere blir resultatet.
Informasjonen er mest nøyaktig i sentrum av selve avtrykket, se figur 4.2.2.
Figur 4.2.2: Footprint til en laserskanner
Begrepet punkttetthet forteller oss noe om hvor detaljert den aktuelle punktskyen er. Det er lettere ˚a definere de ønskede objektene n˚ar man har en høy punkt-tetthet. Det er flere variabler som p˚avirker denne punkttettheten. Dette er antall laserpulser som sendes ut per sekund og avstanden fra skanneren til objektet er vik-tige faktorer. Dersom laserskanningen gjøres kinematisk ved mobile mapping eller
flyb˚aren laserskanning, vil ogs˚a hastigheten til kjøretøyet p˚avirke nøyaktigheten.
Multipath kan for˚arsake problemer ogs˚a i laserskanning. Dette inntreffer n˚ar laser-pulsen treffer mer enn en overflate før signalet blir returnert. En laserpuls reiser langs den rette linjen mellom skanner og objektet. I tilfeller med multipath bruker signalet lengre tid enn normalt. Dette medfører at punktene vil framst˚a ˚a væ-re lengvæ-re bort fra laserskannevæ-ren enn hva det faktisk er. For ˚a klare ˚a detektere alle returene m˚a avstanden mellom pulsene være større enn halve bølgelengden [Vosselman and Maas, 2010], se figur 4.2.3.
Figur 4.2.3: Pulsavstand og returavstand
4.2.2 Trianguleringsbasert m˚ aling
Det grunnleggende geometriske prinsippet for en optisk triangulering for en enkel laserstr˚ale kan ses i figur 4.2.4. En laserkilde projiserer en laserstr˚ale p˚a den ønske-de overflaten. Lyset som returnerer fra overflaten blir registrert og samlet inn fra et utkikkspunkt i skanneren. Dette lyset fokuseres deretter p˚a en posisjonsensitiv detektor. Man trenger kunnskap om b˚ade projeksjon- og innsamlingsvinkelenαog β relativ til baselinjen B. Ved bruk av en trekant kan man triangulere informa-sjonen og bestemme objektets posisjon p˚a den aktuelle overflaten, [Vosselman and Maas, 2010].
Figur 4.2.4: Enkelt punkts triangulering med en enkel laserstr˚ale, [Vosselman and Maas, 2010].
4.2.3 Stasjonær skanmatching
Det er vanlig at de ønskede omr˚adene eller de viktigste omr˚adene skannes flere ganger. Dette gir en overlapp mellom de forskjellige punktskyene generert av la-serskanneren. Dersom skanneren st˚ar i ro m˚a man ha minst tre veldefinerte og gjenkjennbare punkter som kan identifiseres i begge skannene for ˚a klare ˚a matche disse punktskyene. M˚alet er ˚a finne koblinger mellom de forskjellige punktskyene og deretter utnytte informasjonen som ligger i de to separate skannene til ˚a gjøre en bedre og mer nøyaktig kartlegging. Denne prosessen kalles for skanmatching.
4.2.4 Kinematisk skanmatching
I tilfellet hvor skanneren er i kontinuerlig bevegelse som for eksempel i mobile mapping, m˚a denne bevegelsen og banen (trajectory) estimeres. Laserskanneren er koblet sammen til kjøretøyets bane ved at observasjonene til b˚ade skanneren og INS med GNSS er tidsstemplet. Dermed kan ikke nøyaktigheten til punktskyen være mer nøyaktig enn kjøretøyets bane. I omr˚ader med tilstrekkelig god GNSS-dekning kan punktskyen sin posisjon bli veldig godt definert. Et av de største problemene med kinematisk skanmatching i forhold til stasjonær skanmatching er at oriente-ringsfeilen og offsets mellom stripene er relativt vanlig. Disse feilene kan skyldes en rekke ˚arsaker som for eksempel feil i banedrift som følge av feil i orientering og posisjon,boresight feil som følge av d˚arlig estimering av avstanden mellom senso-rens referanseramme og kjøretøyets referanseramme, eller feil som følge av selve laserskanningen. For ˚a redusere denne feilen m˚a man utføre en stripejustering for
˚a øke nøyaktigheten til punktskyen
Det finnes flere ulike algoritmer for ˚a gjennomføre denne matchingen mellom
over-lappende striper for mobil mapping og flyb˚aren kartlegging. Den generelle prose-dyren er ofte:
1. Finne sammenhengen mellom skanningene og stripene som skal matches; Ba-nen posisjons offset (dx, dy, dz) og orienterings feilene (droll, dpitch, dheading).
2. Justering av punktskyen etter de estimere offsetene og feilene som ble funnet.