Om nauwkeurige X,Y,Z- coördinaten te verkrijgen van laserpunten zijn veel meetvoorzieningen nodig zoals GNSS, IMU en paspunten. Diverse meetaspecten bepalen de bruikbaarheid van een puntenwolk. Dit artikel behandelt de voornaamste.
Puntdichtheid
Het aantal punten per vierkante meter of kubieke meter – puntdichtheid – is een belangrijke kwaliteitsindicator voor de meeste projecten. De laserstralen worden onder constante scanhoeken uitgezonden om een gelijkmatige verdeling over de scene te verkrijgen. Het gevolg van de onveranderlijkheid van de scanhoeken is dat de puntdichtheid afneemt met toenemende afstand van de laserscanner (Figuur 1). Deze afname verloopt min of meer kwadratisch met de afstand. Bovendien neemt de puntdichtheid af omdat de sterkte van de reflectie afneemt met de afstand. Daardoor is de signaalsterkte die de lasersensor ontvangt soms te zwak om een nauwkeurige afstand te kunnen meten of wordt helemaal geen signaal ontvangen.
Figuur 1 - Puntdichtheid hangt af van de afstand tussen laserscanner en object, gedemonstreerd aan de hand van een Terrestrische Laser Scanner (TLS); de hoeken α en β zijn vooraf instelbaar maar constant tijdens de hele scan.
Gaten
Gaten zijn vaak zichtbaar in een Digitaal Hoogtemodellen (DHM), zoals het AHN, die opgenomen zijn vanuit een vliegtuig of helikopter. Zij zijn het gevolg van de golflengte van de laserscanner. Twee golflengten worden gebruikt: (1) het groene deel van het zichtbare licht en (2) het nabij-infrarood (NIR) deel van het elektromagnetisch (EM)-spectrum. NIR is onzichtbaar voor het menselijk oog. Als een laserstraal op een object botst zijn er drie soorten interacties: de energie kan (gedeeltelijk) worden gereflecteerd, geabsorbeerd of doorgelaten. De mate van reflectie, absorptie en doorlaten is afhankelijk van golflengte en objectkarakteristieken. NIR, dat vooral wordt gebruikt voor projecten op land, wordt geabsorbeerd door water. Door de afwezigheid van reflecties, vormen vijvers, meertjes en andere waterpartijen gebieden zonder data in een DHM, die zichtbaar zijn als gaten. Water laat groen licht door en daarom wordt groene laser gebruikt voor het vervaardigen van DHM’s van zee- en rivierbodems. Laserstralen passeren ook glas waardoor vensters als zwarte gaten in muren en auto’s zichtbaar zijn in laserpuntenwolken die vanaf de grond zijn opgenomen.
Straaldivergentie
De term punt in puntenwolk suggereert dat het zou gaan om punten in de wiskundige betekenis. Dat is een begrijpelijke vergissing. Echter bij het verlaten van de sensor is de doorsnede van een laserstraal al cirkelvormig. Door luchtdeeltjes wordt de doorsnede verder vergroot – hoe verder weg van de sensor hoe breder de laserstraal. De doorsnede van de voetafdruk op een oppervlak is vaak vele decimeters afhankelijk van de afstand, met als mogelijk gevolg uitsmering afhankelijk van de objecteigenschappen. Hierdoor kan het moment dat de reflectie de sensor binnentreedt niet exact worden bepaald, waardoor fouten sluipen in de afstandsmeting. Uitsmering ontstaat onder andere door scheefstand van een oppervlak ten opzichte van de laserstraal en door micro-reliëf. Bij scheefstand staat bijvoorbeeld een muur niet loodrecht op de laserstraal. Het deel van de muur dat zich het dichtst bij de sensor bevindt, reflecteert de straal eerder dan andere delen met als gevolg uitsmering. Micro-reliëf is de mate van hoogte- of diepteverschillen binnen de voetafdruk. Ook die zorgen voor uitsmering. Een bijzondere vorm van micro-reliëf is wanneer een struik voor een muur staat. De diepteverschillen worden veroorzaakt door twee verschillende objecten. Of aan de struik of aan de muur wordt een foutieve afstand toegekend. Bij grote uitsmering kan geen afstand worden gemeten.
Figuur 2 - Wanneer een oppervlak zich gedraagt als een spiegel (ideal specular reflector) ontvangt de laserscanner geen reflectie.
Meervoudige reflectie
Meervoudige reflectie, ook wel multipath genoemd, veroorzaakt ook een foutieve afstand. Meervoudige reflectie ontstaat wanneer een oppervlak zich niet gedraagt als diffuse reflector maar als spiegel (specular reflector) (Figuur 2). Bij een diffuse reflector reflecteert een deel van de laserstraal in de richting van de laserscanner. Dat is wat we willen, want alleen dan kan de afstand worden gemeten. Bij een specular reflector verdwijnt de reflectie de andere kant op – er wordt niets gemeten. Maar de reflectie, en dat is een foutenbron, kan voor een tweede keer reflecteren op een nabijgelegen oppervlak. Als deze reflectie opgevangen wordt door de laserscanner wordt een langere afgelegde weg gemeten. Bij opname vanuit de lucht zijn de te lange afstanden zichtbaar als een dip in het DHM (Figuur 3). Meestal gaat het om geïsoleerde punten die met filtertechnieken geautomatiseerd kunnen worden verwijderd.
Figuur 3 - Meervoudige reflectie zorgt voor een grotere afstand wat in een DHM zichtbaar is als een punt dat lager ligt dan de omliggende punten.
Ongewenste objecten
Laserscanning is een niet selectieve meettechniek. Ook objecten zoals auto’s, koeien, fietsen en voetgangers komen terecht in de puntenwolk. Voorts wil men voor veel projecten een DHM dat het maaiveld representeert en dus vrij is van gebouwen en vegetatie. Deze moeten uit de puntenwolk verwijderd worden waarvoor geautomatiseerde filtertechnieken zijn ontwikkeld. Deze werken niet perfect. Het blijft nodig om een visuele check uit te voeren om niet gefilterde punten te verwijderen en om maaiveldenpunten, die ten onrechte zijn verwijderd, terug te plaatsen. Dat is een arbeidsintensieve en dus dure exercitie.
Artefacten en Occlusie
In tegenstelling tot foto’s wordt de scène bij laserscanning punt voor punt opgenomen. De laserstralen worden in principe na elkaar uitgezonden en geregistreerd, hoewel in de huidige systemen vaak meerdere laserstralen tegelijk worden uitgezonden, bijvoorbeeld 32, 64 of 128 gelijktijdige stralen (multi-beam). Het scanmechanisme kan artefacten veroorzaken als bijvoorbeeld voetgangers of fietsers dwars door de scene lopen tijdens een TLS-scan. Zij worden mogelijk niet herkend als mensen maar als verticale strepen. Artefacten en ongewenste objecten, maar ook objecten die voor het project belangrijk zijn kunnen occlusie veroorzaken. Occlusie betekent dat een deel van een object niet zichtbaar is vanuit de sensorpositie wegens de aanwezigheid van een ander object in de zichtlijn. Het leidt ertoe dat geen gegevens ingewonnen worden van (delen van) objecten die voor het project belangrijk zijn. Occlusie moet daarom zoveel mogelijk vermeden worden door een uitgekiende opnamestrategie.
