Laserscanning is uitgegroeid tot een veel gebruikte meettechniek voor projecten waarvoor driedimensionale (3D) modellen van objecten nodig zijn. De basis van de 3D modellen zijn puntenwolken bestaande uit een verzameling X,Y,Z-coördinaten.
De laserscanners, die zulke puntenwolken produceren, zijn gemonteerd op platforms die ingedeeld kunnen worden in (1) grondgebonden, zoals statieven, auto’s, trolleys en rugzakken, en (2) luchtplatforms, zoals vliegtuigen en drones. Laserscantechnologie wordt vaak Lidar (Light Detection and Ranging) genoemd. Dit om de overeenkomst met de veel oudere Radar (Radio Detection and Ranging) te laten zien. De meettechniek is nog volop in ontwikkeling. Het aantal toepassingen neemt dagelijks toe, evenals het aantal professionals dat laserpuntenwolken waardeert als nauwkeurige en betrouwbare informatiebron voor hun projecten.
Laserscanner
Een laser creëert een smalle bundel licht van dezelfde golflengte en hoge energie. Hierdoor kunnen laserstralen moeiteloos afstanden van vele kilometers door de atmosfeer overbruggen. De keerzijde van deze gunstige eigenschap is dat de stralen huid en ogen kunnen beschadigen. Laserscanners moeten daarom voldoen aan strenge veiligheidsvoorschriften.
Figuur 5 - Het type spiegel voor het verspreiden van de laserstralen over de objectruimte bepaalt het scanpatroon.
De essentiële onderdelen van een laserscanner zijn de sensor die laserstralen uitzendt en de sensor die de reflectie op het eerst geraakte oppervlak registreert. De registratie bestaat uit (1) afstand tot het object en (2) intensiteit van het teruggekeerde signaal. De laserstralen worden over de objectruimte verspreid door een oscillerende, roterende of nuterende spiegel, die met een constante snelheid draait (Figuur 1). Het type spiegel bepaalt het scanpatroon. Soms worden ook elektronische componenten, die geen bewegende onderdelen bevatten, gebruikt. Om een regelmatige verdeling van punten over een raster te krijgen, wordt naderhand interpolatie toegepast. Het aantal laserstralen dat per seconde wordt uitgezonden loopt bij geavanceerde scanners op tot één miljoen. Voor het omrekenen van de afstand naar X,Y,Z-coördinaten in een gekozen coördinaatstelsel moeten naast de afstand nog andere componenten worden gemeten. Welke componenten dit zijn, hangt af van het type platform en of binnen of buiten wordt gemeten. Vaak worden tegelijkertijd foto’s opgenomen met meetcamera’s (Figuur 2). Hierdoor kan aan elk punt een kleur worden toegekend. Dit vergemakkelijkt de verdere verwerking afhankelijk van het type project.
Figuur 2 - De componenten van een mobiel systeem zijn stevig op een rek gemonteerd voor een opname met een auto; het getoonde systeem is de Trimble MX-9.
Meten van Afstanden
Laserscanners kunnen op meerdere manieren afstanden meten. De twee meest gangbare principes zijn:
- Faseverschuiving (Phase-shift): laserstralen zijn amplitudegemoduleerd; signalen van verschillende golflengte worden gesuperponeerd op een draaggolf
- Pulsmetingen, ook wel time-of-flight (ToF) genoemd: pulsen worden uitgezonden en hun looptijd heen en terug van het object wordt gemeten; de afstand wordt berekend door de looptijd te vermenigvuldigen met de lichtsnelheid en de uitkomst te delen door twee
Beide principes worden gebruikt in laserscanners gemonteerd op grondplatformen, zoals auto’s en statieven. De nauwkeurigheid van ToF-scanners is enkele centimeters terwijl de nauwkeurigheid van phase-shift-scanners enkele millimeters bedraagt. Deze scanners produceren hogere puntdichtheden in vergelijking met ToF-scanners, maar op hun beurt kunnen ToF-scanners grotere afstanden overbruggen. Daarom worden ze gebruikt in vliegtuigen, helikopters en drones.
Van Afstanden naar X,Y,Z-coördinaten
Om afstanden naar X,Y,Z-coördinaten om te rekenen, moet de positie en stand van de laserscanner in de objectruimte bekend zijn in het gekozen coördinaatstelsel alsook de hoek waaronder de laserstraal de sensor verlaat (scanhoek). Deze hoek wordt bepaald door de stand van de draaiende spiegel die voor de sensor is geplaatst. In de buitenruimte worden de drie coördinaten van de positie bepaald met een GNSS-ontvanger die naast de laserscanner is geplaatst. De drie hoeken van de stand worden bepaald met een gyroscoop die samen met versnellingsmeters de IMU (inertial measurement unit) vormen. GNSS en IMU maken het mogelijk om de 3D-positiecoördinaten en de stand van de laserscanner in de ruimte nauwkeurig te bepalen. Figuur 3 schetst de meetcomponenten van laserscanning vanuit een vliegtuig. Om de afzonderlijke X,Y,Z-coördinaten om te zetten naar een uniform coördinaatstelsel moeten de diverse scans geometrisch aan elkaar worden gekoppeld. Om de coördinaten om te zetten naar het gekozen coördinaatstelsel – georeferencing – zijn paspunten vereist. Dit zijn punten in de objectruimte waarvan meetdeskundigen de coördinaten met nauwkeurige landmeetkundige apparatuur hebben opgemeten. Het gekozen coördinaatstelsel zal vaak het landelijk (RD) stelsel zijn.
Figuur 11 - Meetcomponenten bij een laserscanvlucht om uit de afstand tot een punt de X,Y,Z-coördinaten van dat punt te berekenen.
Binnenruimte
Wanneer de scans in een binnenruimte worden gemaakt, is GNSS niet bruikbaar, omdat muren de GNSS-signalen blokkeren. Positiebepaling ontwikkeld in de robotica brengt uitkomst. Om een robot autonoom en veilig door een onbekende ruimte te loodsen, moet hij zijn positie bepalen en tegelijkertijd een puntenwolk maken van de naaste omgeving om botsingen te voorkomen. Daarvoor is een geavanceerde, rekenintensieve techniek ontwikkeld om tegelijkertijd (simultaan) de positie te bepalen en een puntenwolk van de omgeving te maken – simultaneous localisation and mapping (SLAM) genaamd. De voornaamste meetsensoren om met de SLAM-methode positie en stand van de scanner te bepalen zijn IMU, odometers, laserscanners en digitale camera’s.
Kwaliteit
Wanneer honderden miljoenen of miljarden punten nodig zijn om een nauwkeurige en gedetailleerde 3D puntenwolk te krijgen, is het noodzakelijk om vooraf een gedegen opnameplan te maken. Zijn eenmaal de coördinaten in het gekozen coördinaatstelsel berekend, dan dient nog een belangrijke en onontbeerlijke stap gezet te worden: kwaliteitsborging. Hierbij beoordelen deskundigen of de puntenwolk voldoet aan vooraf vastgestelde specificaties, zoals de nauwkeurigheid van de objectcoördinaten en de puntdichtheid. Ook verwijderen ze punten waaraan door dubbele reflectie van de laserstraal en andere verstoringen foutieve coördinaten zijn toegekend. De kwaliteitsaspecten van laserscanning worden in een apart artikel behandeld.
