primjena laserskih ure Đaja - geof.unizg.hrzlasic/primjena_laserskih_uredaja.pdf · - obra...

Prof. dr. sc. Zlatko Lasi

PRIMJENA LASERSKIH UREAJA

S k r i p t a

Zagreb, rujan 2008.g.

S V E U I L I T E U Z A G R E B U - G E O D E T S K I F A K U L T E T U N I V E R S I T Y O F Z A G R E B - F A C U L T Y O F G E O D E S Y

Zavod za primijenjenu geodeziju - Institute of Applied Geodesy Katedra za instrumentalnu tehniku F r a A n d r i j e K a i a M i o i a 26, 10 000 Z a g r e b, H r v a t s k a / C r o a t i a, Tel.: 00385 1 4639 370, Fax: 00385 1 4828 081

Z. Lasi: Primjena laserskih ureaja 2

SADRAJ 1. LASER ............................................................................................... 4

1.1 FIZIKALNI PROCESI U LASERU ........................................................... 4 1.2 PRIMJENA LASERA ................................................................................. 5

2. LASERSKI UREAJ KAO DODATAK DALEKOZORU ............ 5 3. ROTIRAJUI LASERSKI NIVELIRI ............................................. 7

3.1 PRINCIP RADA ROTIRAJUEG LASERSKOG NIVELIRA AGA GEOPLAN 300 ......................................................................................... 7

3.2 PRIMJENA ROTIRAJUIH LASERSKIH NIVELIRA ........................... 8 4. MJERENJE DUINA INTERFERENCIJOM SVJETLOSTI

INTERFEROMETRI ...................................................................... 8 4.1 FIZIKALNA OSNOVA .............................................................................. 8

4.1.1 Michelsonov interferometar ....................................................................................... 9 4.1.2 Dopplerov laserski interferometar ........................................................................... 10

4.2 PRIMJENA U GEODETSKOM LABORATORIJU ............................... 11 4.2.1 Komparacija nivelmanskih letava ............................................................................ 12 4.2.2 Ispitivanje teodolita .................................................................................................. 12

5. RUNI LASERSKI DALJINOMJERI ........................................... 14 5.1 PRINCIP RADA RUNOG LASERSKOG DALJINOMJERA ............. 14 5.2 BLOK SHEMA RUNOG LASERSKOG DALJINOMJERA ............... 15 5.3 OPIS RUNOG LASERSKOG DALJINOMJERA ................................ 15 5.4 TEHNIKI PODACI RUNOG LASERSKOG DALJINOMJERA ...... 16 5.5 PRIMJENA RUNOG LASERSKOG DALJINOMJERA ..................... 17

6. LASERSKI GIROTEODOLIT ....................................................... 18 6.1 GIROTEODOLIT ..................................................................................... 18

6.1.1 Princip rada giroteodolita s mehanikim giroskopom ............................................. 18 6.1.2 Opis rada mehanikog giroteodolita ........................................................................ 20 6.1.3 Naini odreivanja azimuta pomou mehanikog giroskopa .................................. 22

6.2 LASERSKI GIROTEODOLIT ................................................................. 22 6.2.1 Osnovni princip rada laserskog giroteodolita .......................................................... 22 6.2.2 Nain odreivanja azimuta pomou laserskog giroskopa ........................................ 24

7. ODREIVANJE VISINA KORITENJEM ROTACIJSKOG LASERA U KOMBINACIJI S GPS-om ..................................... 24

7.1 OSNOVE ................................................................................................... 24 7.2 PRINCIP RADA ....................................................................................... 24

7.3 TOPCON LAZER ZONETM SUSTAV.................................................25 8. LASERSKI UREAJI ZA SKENIRANJE ..................................... 26

8.1 OSNOVE ................................................................................................... 26 8.2 NAELO LASERSKOG SKENIRANJA ................................................ 28

8.2.2 Terestriki laserski skeneri ...................................................................................... 28 8.2.2.1 Podjela skenera prema nainu snimanja ............................................................ 28 8.2.2.2 Podjela skenera prema nainu mjerenja udaljenosti ......................................... 29


8.2.2.3 Podjela skenera prema nainu prikupljanja oblaka toaka ................................ 31 8.2.2.4 Prikupljanje i obrada podataka .......................................................................... 31 8.2.2.5 Primjena terestrikih laserskih skenera ............................................................. 32 8.2.2.6 O emu razmiljati pri odabiru TLS-a ............................................................... 34

8.2.3 Lasersko skeniranje iz zraka ALS ......................................................................... 35 8.2.3.1 Princip ............................................................................................................... 35 8.2.3.2 Matematiki model ............................................................................................ 35 8.2.3.3 GPS + IMU komponente ................................................................................... 36 8.2.3.4 Impulsni laser .................................................................................................... 37 8.2.3.5 Mehanizam za skeniranje .................................................................................. 37 8.2.3.6 Princip obrade ALS podataka ........................................................................... 39 8.2.3.7 Primjene ALS-a ................................................................................................. 40

9. LASERSKO MJERENJE UDALJENOSTI DO SATELITA ......... 41 9.1 LASERSKA MJERNA TEHNIKA SLR ............................................... 41

9.1.1 Zemaljski dio laserskog mjernog sustava SLR ........................................................ 41 9.1.2 Svemirski dio laserskog mjernog sustava SLR ........................................................ 43

9.2 RAZVOJNA TONOST SLR .................................................................. 43 9.3 PODRUJA PRIMJENE SLR .................................................................. 44

9.3.1 Geometrijske veliine .............................................................................................. 44 9.3.2 Dinamike veliine .................................................................................................. 44 9.3.3 Prednosti i nedostatci SLR ....................................................................................... 44

10. LASER U KOMBINACIJI S GPS-om ......................................... 45 LITERATURA .................................................................................... 47 POPIS URL-ova: ................................................................................. 47


1. LASER

Laser (eng. Light Amplification by Stymulated Emission of Radiation) pojaanje svjetlosti pomou stimulirane emisije zraenja; izvor i pojaalo vrlo usmjerenog snopa koherentnog svjetla, danas i u irem smislu koherentnog elektromagnetskog (infracrvenog, vidljivog i ultraljubiastog) zraenja. Zasniva se na kvantiziranim energetskim stanjima atoma i kvantiziranosti energije pri prijenosu zraenjem.

1.1 FIZIKALNI PROCESI U LASERU Laserska svjetlost, kao i svjetlost iz obine arulje je emitirana pri prijelazu atoma iz vieg u nie energetsko stanje. Meutim, za razliku od obinih izvora svjetlosti, u laserima atomi djeluju zajedno da bi proizveli svjetlost sa sljedeim karakteristikama:

a) Laserska svjetlost je visoko monokromatska, tj. sastavljena od samo jedne frekvencije

b) Laserska svjetlost je vrlo koherentna c) Laserska svjetlost je jako usmjerena d) Laserska svjetlost moe se otro fokusirati

Laser se zasniva na meudjelovanju atoma ili molekula s vlastitim zraenjem. U optikom i infracrvenom dijelu spektra emisija nastaje radijacijskim prijelazima atoma iz stanja vie energije u stanje nie energije. Emisija svjetla nastaje kao posljedica promjene energije atomskog ili molekularnog skupa. Takva emisija moe se shvatiti ako se promatra nastala svjetlost i skup atoma koji je tu svjetlost stvorio, kao zatvoreni sustav. Tada se dolazi do zakonitosti koje tumae pojaavanja svjetlosti u atomskoj sredini. Tako definirana atomska sredina s vlastitim poljem zraenja, zatvorena unutar optikog rezonatora, daje laserske oscilacije uz odreene uvjete. Izmjena energije zraenja s atomima ili molekulama zbiva se apsorpcijom (upijanjem), te spontanom i stimuliranom emisijom zraenja. Ta se izmjena moe objasniti na jednostavnom modelu atoma s dvije energetske razine.

Slika 1. Izmjena energije zraenja


Izmjena energije jednaka je razlici energija E2 i E1: hv = E2 - E1

Stimulirana emisija zbiva se kada na atom u pobuenom stanju djeluje zraenje energije. Zraenje nastalo stimuliranom emisijom iri se u istom smjeru kao i ono koje je stimuliralo atome na emisiju. Laserski ureaj se sastoji od aktivne tvari (sredstva), rezonatora, izvora napajanja, elektronike koja kontrolira rad lasera i izlazne optike (nije neophodna). Prema vrstama aktivne tvari laseri mogu biti:

a) Plinski laseri obino se koriste plemeniti plinovi kao neon, orgon, CO2 kripton, ksenon i helij. Prvi i najpoznatiji je helijsko neonski laser

b) vrsti laseri rubinski, stakleno-neodinski i granatski laseri. c) Tekuinski laseri upotrebljavaju se anorganske i organske tvari d) Poluvodiki laseri obino se koristi galij-arsen (GaAs) dioda

Prema reimu rada lasere moemo podijeliti u impulsne lasere i lasere s kontinuiranim radom. U geodetskoj struci u impulsne lasere spadaju daljinomjeri, a s kontinuiranim radom rotacijski laserski niveliri.

1.2 PRIMJENA LASERA Posebnosti laserskog zraenja uzrokom su iroke primjene lasera u mnogim granama ljudskog djelovanja. Prepreke za mnoge primjene lasera bile su male snage laserskog snopa. Konstruiranjem snanih kontinuiranih lasera nestao je i taj nedostatak, to je omoguilo nove primjene. Mogue primjene lasera:

- Obraivanje materijala laserom (obrada metala, zavarivanje...) - Laserske komunikacije - Precizno mjerenje pomou lasera (interferometrija, telemetrija) - Lasersko mjerenje duina - Lasersko navoenje - Primjena lasera u biologiji i medicini - ...

2. LASERSKI UREAJ KAO DODATAK DALEKOZORU

Vizurna os dalekozora odreena je pravcem koji prolazi presjecitem glavnih niti nitnog kria i glavnom tokom objektiva. Pod pojmom vizure podrazumijeva se skup toaka kojima prolazi zraka svjetlosti od glavne toke objektiva do vizurne toke (signala). Zbog utjecaja refrakcije vizura e, u prostoru, biti blago zakrivljena linija (krivulja). Kod obinog dalekozora objektiv projicira nitni kri u prostor predmeta i ta projekcija nitnog kria na putu do vizurne toke je nevidljiva. Laserski dalekozor ima posebnu konstrukciju okularnog dijela dalekozora zbog optikog projiciranja nitnog kria pomou laserskog snopa u prostor predmeta. Primjenom laserske svjetlosti vizura u prostoru predmeta postaje vidljiva. Kaemo da u tom sluaju vizura postaje aktivna. Laserski


dalekozori mmogu biti specijalno graeni dalekozori (danas u velikoj primjeni kod mjernih stanica), a kod klasinih dalekozora obini okulari mogu se zamijeniti laserskim okularima. Laserski snop dovodi se u okularni dio posredstvom fleksibilnog svjetlosnog voda, optikim vlaknima od izvora laserske svjetlosti. Primjenjuje se plinski helij neonski laser s emisijom zraenja valne duljine 632,8 nm i snage 3 do 5 mW.

Slika 2. Shema laserskog ureaja kao dodatka dalekozoru

Na slici 2. prikazana je shema laserskog ureaja kao dodatka dalekozoru. Elektrina energija dovodi se od izvora energije (12 V baterija) do laserske cijevi (1). Emitirani laserski snop koncentrira se kondenzatorom (2) na snop promjera 0,08 mm. Laserska svjetlost vodi se optikim vlaknima (3) do posebnog nitnog kria (4). Optika vlakna sastavljena su od jezgre sa staklom veeg indeksa loma i staklenog omotaa s manjim indeksom loma, tako da se uski svjetlosni snop vodi kroz jezgru na osnovi niza totalnih refleksija svjetlosti. Lasreska svjetlost osvjetljuje negativni nitni kri (dvije meusobno okomite pukotine ili krug) koji e se projicirati u prostor predmeta.

Slika 3. Nitni kri dalekozora s laserskom tokom

Zbog toga otklonjena je laserska svjetlost s nitnog kria pomou staklene diobene toke (5) prema objektivu dalekozora. Time se u konjugiranoj ravnini u prostoru predmeta odreenoj poloajem prstena za izotravanje slike dobiva realna slika laserskog nitnog kria. Laserska difuzna svjetlost otklonjena prema okularu apsorbira se pomou filtra (6), tako da se moe i okom promatrati kroz dalekozor.


Slika 4. Optiki teodolit s dodatkom lasera

3. ROTIRAJUI LASERSKI NIVELIRI Prvi laserski niveliri s rotirajuom zrakom konstruirani su 70-ih godina prolog stoljea s glavnom namjenom primjene u graditeljstvu za ploni nivelman. Pomou laserske zrake ostvarena referentna ravnina omoguuje mjerenje na svim okolnim tokama unutar polumjera do 250 m. U veini dananjih konstrukcija referentna ravnina moe se, u prostoru, nagnuti. Jedan od prvih laserskih nivelira u industrijskoj proizvodnji bio je nivelir vedske tvrtke AGA Geoplan, model Geoplan 300 koji je imao ugraen helij-neonski laser snage 1 mW.

3.1 PRINCIP RADA ROTIRAJUEG LASERSKOG NIVELIRA AGA GEOPLAN 300

Glava nivelira rotira oko glavne osi oko 10 okretaja u sekundi. Na njoj se nalaze dva

otvora kroz koja se proputa polarizirana laserska zraka, iji se izvor nalazi u laserskoj diodi. Jedna je zraka otklonjena za mali elevacijski kut od referentne ravnine, a druga zraka je otklonjena za isti depresijski kut.


Slika 5. Odailjanje i prijam laserskih snopova pomou fotoelektrinog detektora

Fotodetektor se pomie po nivelmanskoj letvi dok indikator ne bude na nuli tj. u referentnoj ravnini. Na prijamniku (fotodetektoru) nalaze se dvije fotodiode koje primaju svjetlosne impulse. Kada svjetlost padne na obje diode istim intenzitetom (ako je vrlo usko podruje) indikator pokazuje da se prijamnik nalazi u referentnoj ravnini. Poloaj prijamnika se visinski oita na centimetarskoj nivelmanskoj letvi.

U instrument moe biti ugraen kompenzator za automatsko dovoenje zrake u horizontalni poloaj. Ovaj tip instrumenta se koristi kada treba u visinskom smislu snimiti vee povrine, odrediti horizontalne i vertikalne ravnine pri gradnji i kontroli raznih objekata.

3.2 PRIMJENA ROTIRAJUIH LASERSKIH NIVELIRA Rotirajui laserski niveliri imaju iroku primjenu u graevinarstvu, u visokogradnji i niskogradnji. Automatski samonivelirajui laseri koriste se za aplikacije koje zahtijevaju preciznu kontrolu nagiba, kao to su: izgradnja prometnica, precizna kontrola dubina za temelje i fine iskope, instaliranje podzemnih cijevi, upravljanje strojevima, te kontrola sustava baziranih na laserskim senzorima za buldoere, grejdere i sline strojeve.

4. MJERENJE DUINA INTERFERENCIJOM SVJETLOSTI INTERFEROMETRI

4.1 FIZIKALNA OSNOVA Pojava interferencije svjetlosti primjenjuje se za najpreciznija mjerenja u razliitim podrujima tehnikih mjerenja. Interferencijom svjetlosti dva koherentna svjetlosna vala koja su prola razliite optilke putove sastavljaju se u rezultirajui val. Rezultat interferencije ovisi o razlici optikih putova, amplitudi valova i valnim duljinama, odnosno o frekvenciji valova. Interferencijom valova u nekim prostornim tokama moe se pojaati, a u drugima oslabiti svjetlosni intenzitet, ovisno o razlici faza. Interferencije dvaju tokastih izvora nastaju teoretski u itavom prostoru, no uvjet je koherencija valova. Prostorna koherencija je korelacija faza valova koji su u isti trenutak emitirani s dva tokasta izvora. Vremenska koherencija je korelacija faza valova koji su u dva razliita trenutka emitirani s istog tokastog izvora, odnosno s jedne toke izvora zraenja. Karakteristika vremenske koherencije je vremenski


interval t, u kojem izvorna korelacija faza valova ostaje konstanta. Kako valovi mogu prijei razliite optike putova, a to znai da se mogu razlikovati i u vremenskom trajanju puta, oni mogu interferirati samo ako vremenska razlika puta na prelazi veliinu vremenske koherencije. Veliina maksimalno doputene razlike optikih putova, za koju je jo mogua interferencija, naziva se duljina koherencije. Duljina koherencije jednaka je umnoku brzine irenja vala i vremenskog intervala t. Svjetlost dvaju svjetlosnih izvora ne moe vidljivo interferirati, jer se ne moe postii koherencija valova. U interferometrijskim ureajima primjenjuju se razliiti sustavi djelitelji svjetlosnih valova, koji valove iz istog izvora dovode do sastavljanja. Vrlo vanu primjenu imaju lokalizirane interferencije. To su interferencije snopova paralelnih zraka svjetlosti koje prelaze razliite optike putove, a koje interferiraju u neizmjernosti odnosno u arinoj ravnini primijenjenoga optikog sustava. Lokalizirane interferencije poznate su pod nazivom Fizeauove interferencije (pruge jednakih razmaka) i Haidingerove interferencije (pruge jednakih nagiba). Pruge jednakih razmaka su, npr. Newtonovi prsteni, ija je vana primjena kod ispitivanja sfernih ploha pri izradi lea u optikoj industriji. Interferirati mogu analogno svjetlosnim valovima i ostali elektromagnetski valovi, no za precizno mjerenje duina primjenjuju se samo elektromagnetski valovi optikog spektra. Ve sama injenica da je mjerna jedinica u interferentnoj slici valna duljina primijenjenog zraenja upuuje na visoke tonosti optike interferometrije uz valne duljine u vidljivom spektru 0,4 do 0,76 m. Od razliitih mogunosti interferencija valova u mjernoj tehnici vani su sluajevi:

- interferencije dvaju valova iste frekvencije i iste amplitude - interferencije dvaju valova iste amplitude, ali razliitih, a bliskih frekvencija

Slika 6. Hod zraka u Michelsonovu interferometru

4.1.1 Michelsonov interferometar

Uski snop zraka svjetlosti s monokromatskog izvora zraenja dolazi do djelitelja (u klasinoj izvedbi poluprozirnog zrcala), gdje se referentne zrake S1 dijelom odbijaju do vrstog, ravnog zrcala ZR, a drugi dio snopa (mjerne zrake S2) prolazi kroz zrcalo, te se odbija na pominome ravnom zrcalu ZP. Povratne zrake S1 i S2 sastaju se u prijamniku (dalekozor, fotodetektor), gdje interferiraju. Pomakne li se ZP do udaljenosti od poluprozirnog zrcala koja je jednaka udaljenosti ZR od istog zrcala (poloaj R), razlika u optikom hodu zraka jednaka je nitici i prijamnik registrira maksimum svjetlosne energije. Pri udaljavanju pominog zrcala samo za etvrtinu valne duljine zbog dvostrukog puta zraka S2 pojavljuje se minimum, tj. gaenje svjetlosti. Tako se pri pomaku zrcala ZP naizmjenino u prijamniku registriraju


svjetlosni maksimumi odnosno minimumi. Ako se pri pomicanju zrcala od referentne ravnine R broje te ciklike promjene, ukupni mjerni pomak moe se odrediti brojem jedinica /2 promijenjene valne duljine monokromatskog zraenja : D = (k + k)/2, gdje je k red interferencije (prirodni cijeli broj). Valna duljina u zraku bit e: = 0/n gdje je 0 valna duljina monokromatske svjetlosti u vakuumu, a n indeks loma zraka du mjerene duine. Veliina k odreuje se u interferometriji metodom interpolacije vrlo visokim tonostima, no za precizna mjerenja esto tu veliinu nije potrebno ni odreivati, jer ve polovica valne duljine u optikom spektru iznosi nekoliko desetina mikrometra. Tom se metodom mogu mjeriti duljine u podruju duljine koherencije, pa se za mjerenja metarskih duina primjenjuju laserski izvori svjetlosti, tj. laserski interferometri. Zbog tehnike sloenosti ureaja interferometri se primjenjuju, uglavnom, u laboratorijima. Na tonost metode utjee ovisnost valne duljineo indeksu loma zraka na itavom putu zrake svjetlosti, kao i promjena amplituda zbog optike nestabilnosti zraka i oscilacija, to moe oteati brojenje reda interferencije. Ravno zrcalo ZP treba voditi paralelno du puta D u granicama nesigurnosti lune sekunde. Zbog takve osjetljivosti ravnog zrcala primjenjuju se drugi oblici reflektora, posebno trostrane prizme (u kojima otklon zrake ne ovisi o zakretu prizme). Ipak, ureaj s reflektorom mora biti na posebnom nosau sa saonicama odnosno vodilicama za pravilno pomicanje. Izvedeni su i ureaji s razliitim oblicima interferentne slike, npr. s Haidingerovim prstenovima, koji u sreditu (ve prema smjeru pomaka zrcala) poniru ili iz sredita izviru. Svaki prolaz prstena, tj. interferentne pruge kroz sredite odgovara jedinici reda interferencije. Za brojenje se primjenjuju fotodiode, koje svjetlosne signale pretvaraju u elektrine; dalje se elektroniki obrauju i registriraju se podaci. Elektronika detekcija tonija je od vizualne, a nuna je pri mjerenju relativno veih duina. Pri valnim duljinama svjetlosti ve na 1m duljine postoji vie milijuna impulsa . Ta apsolutna metoda interferometrijskog mjerenja primijenjena je za komparaciju preciznih nivelmanskih letava i preciznih mjerila, te za ispitivanje osjetljivosti libela.

4.1.2 Dopplerov laserski interferometar

Mjerni princip Dopplerova laserskog interferometra zasnovan je na naelu Michelsonova interferometra, no za mjerenja pomaka prizme upotrebljava se Dopplerov efekt (slika 7.). Izvor zraenja je He-Ne laser. Neonsko zraenje valne duljine 632,8 nm razdvaja se u aksijalno poloenome magnetskom polju na dvije odvojene neonske linije s cirkularnom polarizacijom suprotnog smjera i s frekvencijama f1 i f2 (Zeemannov efekt). Pri ulasku u interferometar dio zraenja s frekvencijama f1 i f2 se odvaja, te se pomou referentne diode formira referentni signal 1,8 MHz kao razlika frekvencija f1 - f2. U interferometru se dio zraenja s dvije frekvencije prvo dijeli u mjerni i referentni dio po analogiji s optikim


Michelsonivim interferometrom, a zatim se odvajaju i frekvencije pomou polarizacijskih filtara F1 i F2, tako da do pominoga mjernog reflektora dolazi zraenje s frekvencijom f1, a do referentnog reflektora zraenje s frekvencijom f2. Pomicanjem mjernog reflektora, na koji dolazi signal frekvencije f1, dobiva se Dopplerov pomak frekvencije f (Dopplerov efekt) s predznakom ovisnim o smjeru pomaka. Signali s referentnom frekvencijom f2 i mjernom frekvencijom f1 f interferiraju, te se nakon prijama u mjernoj fotodiodi formira mjerni Dopplerov signal f1 - f2 f u podruju 1,8 1,55 MHz.

Slika 7. Dijagram Dopplerova laserskog interferometra (HP model 5525 A) Oba signala s referentne i mjerne fotodiode vode se preko pojaala i triggera uz udvostruenje frekvencije do odvojeni brojaa. Jedinica za oduzimanje stalno formira razliku f obaju brojaa. Ugraeno raunalo rauna brzinu i veliinu pomaka reflektora, te korigira valnu duljinu, ovisno o indeksu loma zraka.

4.2 PRIMJENA U GEODETSKOM LABORATORIJU Tonost mjerenja geodetskim instrumentima sve je vea, pa i tonost umjeravanja i ispitivanja mora biti mnogo vea nego to je bila u prethodnom razdoblju. Danas su nuni suvremeno opremljeni laboratoriji, koji omoguuju ispitivanja s tonostima koja su za jedan red veliine via od tonosti pri praktinim mjerenjima. Pretpostavke za to jesu:

- relativne nesigurnosti mjerenja 10-6 i manje - za ispitivanja najviih tonosti klimatiziran prostor ( 1 C do 0,1 C)

U geodetskom laboratoriju danas je, na osnovi takvih zahtjeva, laserski interferometar nuan. U poznatim laboratorijima u Europi takvi se uraaji stalno primjenjuju (npr. ETH, Zrich; Geodetski institut, Mnchen).


4.2.1 Komparacija nivelmanskih letava

Na slici 8. prikazan je komparator za nivelmanske letve duge 8 m uz primjenu laserskog interferometra HP 5526 A (ETH, Zrich). Crte podjele invarne letve viziraju se pomou projekcijskog mikroskopa. Pri pomaku invarne letve pomie se na nju privrena pomina mjerna prizma interferometra. Svi mjerni podaci automatski se registriraju (pohranjuju), te se mogu ispisati pisaem.

Slika 8. Komparator za nivelmanske letve s laserskim interferometrom Prema ispitivanjima postignuta su standardna odstupanja mjerenja duine 0,2 m + 0,4 ppm (1ppm = 10-6 duljine).

Nesigurnost komparacije ovisi, meutim, o kvaliteti izvedbe crta podjele, o svojstvima mikroskopa i o tonosti viziranja. Standardno odstupanje iznosi za kvalitetne crte uz poveanje 20 x : 2 do 3 m, a za loije crte (za koje je povoljnije manje poveanje, npr. 10 x) : 4 do 10 m (A. Elmiger).

4.2.2 Ispitivanje teodolita

Ako se pomina prizma laserskog interferometra pomie po luku kruga, moe se odrediti kut zakreta, kojim e pri ispitivanjima kutomjernih instrumenata biti dana kutna vrijednost. Polazei od ishodinog poloaja prizme, kad laserska zraka pada okomito na ulaznu plohu prizme, mogue je za male kutove zakreta ( < 1 gon) aproksimirati luk kruga s tangencijalnim pomakom s radijusa R: s = Rsin Primjenom dviju pominih prizmi na zajednikom nosau mogue je kut zakreta poveati do 8 gon uz razluivanje kutne vrijednosti do 0,01 mgon. Na slici 9. (lijevo) prikazana je optika shema interferometrijskog sustava pri ispitivanju teodolita pomou ureaja izvedenog u Geodetskom institutu TU Mnchen, a na slici 9. (desno) sam ureaj u


mjernom poloaju. Na elektronikom teodolitu KERN E2 vidi se privren nosa s prizmama s razmakom prizmi 636,6 mm.

Slika 9. (lijevo) Optika shema interferometrijskog sustava za ispitivanje teodolita (ishodini poloaj), (desno) Ispitivanje elektronikog teodolita KERN E2 laserskim interferometrom

Laserska zraka dijeli se u magnetskom polju interferometra u dva dijela s bliim frekvencijama f1 i f2 (slika 9. lijevo). Pomou polarizacijskog filtra (1) te se sastavnice dijele, a pomou sustava prizmi (2) otklanjaju u dvije paralelne zrake (L1 i L2), koje se dovode mjernim prizmama (3) postavljenim na zajednikom nosau na ispitivanom teodolitu. Pri zakretu alhidade teodolita zajedno s nosaem prizama oko okretne toke 0 prizme e se okretati na dijametralnim stranama osi s malim linearnim pomacima suprotnog smjera (promatrajui laserske zrake L1 i L2), to e na osnovi Dopplerova efekta prouzroiti promjene frekvencija f1 i f2 razliitog predznaka. Na osnovi veliine zakreta dobit e se Dopplerova frekvencija f na osnovi koje se dobiju linearne promjene s, iz kojih se rauna kut zakreta kao referentna vrijednost : s = R1sin + R2sin = Rsin, gdje je R razmak prizama. Proizlazi: sin = s/R, pa se te veliine mogu usporediti s odgovarajuim oitanjima horizontalnog kruga teodolita. Postupak ispitivanja moe se znatno automatizirati primjenom malog sinkronog motora, kojim se pokree vijak za fini pomak.


5. RUNI LASERSKI DALJINOMJERI

5.1 PRINCIP RADA RUNOG LASERSKOG DALJINOMJERA Razvoj poluvodikih lasera, mikroprocesora i poluvodikih integriranih elektronikih sklopova omoguio je razvoj malih laserskih runih daljinomjera. Prvi runi laserski daljinomjer izloen je 1994.g. na sajmu graditeljstva u Parizu, kao novi proizvod tvrtke Leica iz vicarske. Iz runog laserskog daljinomjera laser odailje uski snop crvene svjetlosti (valne duljine 670 m; infracrveno zraenje) amplitudno modulirane frekvencijom 50 MHz. Uz brzinu irenja svjetlosti od cca 300 000 km/s, te frekvenciju 50 MHz iz daljinomjera se odailje crvena svjetlost lasera amplitudno modulirana valnom duljinom 1 = 6m. Svjetlost na putu od daljinomjera do reflektora i natrag prijee put 2D. Na slici ... vidi se da se u duljini 2D nalazi cijeli broj (n) valnih duljina (1) i dio valne duljine ( 1).

Slika 10. Princip faznog naina mjerenja duina vidljivom svjetlou ili pomou infracrvenog zraenja

Proizlazi da je:

2D = n 1+ 1

Nakon to se izmjeri cijeli broj valnih duljina (grubo mjerenje), ostatak valne duljine (D 1) odreuje se faznim mjeraem, mjerenjem razlike faze (f1) izmeu odaslanog i primljenog signala u istom trenutku, tj. odreuje se tzv. fino mjerenje kojim se dobije ostatak duljine. Kombinacija amplitudne i fazne modulacije, uz pomo mikroprocesora ugraenog u daljinomjer, omoguuje da se istovremeno obavi grubo i fino mjerenje.


5.2 BLOK SHEMA RUNOG LASERSKOG DALJINOMJERA Mikroprocesor upravlja oscilatorom i faznim modulatorom (slika 11.), tako da u mikroprocesoru postoji odaslani digitalizirani signal niske frekvencije, a laserski je snop amplitudno moduliran visokom frekvencijom 50 MHz i fazno moduliranom frekvencijom 1,042 MHz. Reflektirajuu lasersku svjetlost od zida, stijene ili refleksne ploice do koje se mjeri duina, objektiv fokusira na fotodiodu. Fotodioda modulirani svjetlosni signal pretvara u elektrini signal kojeg pojaalo pojaava. Analogno-digitalni pretvara (A/D) primljeni analogni signal iz mjeaa i filtera niske frekvencije pretvara u digitalni signal. Mikroprocesor rauna fazni pomak izmeu odaslanog i primljenog signala. Fazni pomak f odreuje se za sto perioda valova i uzima srednju vrijednost, radi vee tonosti mjerenja. Mikroprocesor neprekidno mjeri fazni pomak izmeu odaslanog i primljenog signala za unutarnji i vanjski put svjetlosti i uzima ih u obzir prije prikazivanja konanog rezultata mjerenja na pokazivau (engl. display).

Slika 11. Blok shema daljinomjera Leica DISTO

5.3 OPIS RUNOG LASERSKOG DALJINOMJERA

Visoka preciznost mjerenja, minimalna veliina daljinomjera i jednostavna upotreba osnovne su karakteristike runog laserskog daljinomjera. Digitalnim tragaem zrake brzo se i jednostavno pronalazi cilj uz mogunost primjene digitalnog poveanja (engl. zoom) s nitnim kriem (osobito vano pri mjerenju velikih udaljenosti i za rad po Suncu). Runi laserski daljinomjer u sebi ima ugraen inklinometar, te se moe mjeriti i nagib postavljanjem instrumenta na podlogu. Ugraena libela omoguava horizontiranje instrumenta, a samim time i lasersku zraku u prostoru.


Proces mjerenja nije zavren prikazom mjerene vrijednosti i pohrane podataka; integrirana beina tehnologija (engl. bluetooth) u kombinaciji sa software-om omoguuje prijenos podataka u terenski Pocket PC ili Notebook, te na daljnju obradu u razliite programe (MS Word, MS Excel, AutoCAD).

Opis runog laserskog daljinomjera Leica DISTO:

Slika 12. Opis runog laserskkog daljinomjera Leica DISTO

2- prednji rub do kojeg daljinomjer mjeri duinu 3- stranji rub do kojeg daljinomjer mjeri duinu 4- otvor kroz koji izlazi laserski snop iz daljinomjera 5- objektiv kroz koji u daljinomjer dolazi reflektirani laserski snop (od reflektirane toke

do koje se mjeri duina) 6- donja strana kuita daljinomjera prilagoena za dranje u ruci mjeritelja 7- utinica za kabel (za punjenje struje akumulatora u daljinomjeru) 8- urezi za namjetanje gumenog omotaa oko daljinomjera i postavljanje zatitnog

poklopca objektiva 9- poklopac za zatitu objektiva (dio a slui za mjerenje kratkih duina kao refleksna

ploica, a dio b slui da bi se lake kroz crveni filtar vidio laserski snop) 10- zatitni omota 11- potporni dra daljinomjera

5.4 TEHNIKI PODACI RUNOG LASERSKOG DALJINOMJERA Razliiti proizvoai runih laserskih daljinomjera u svojim specifikacijama navode

razliite tehnike podatke za razliite tipove daljinomjera. Kod starijih tipova daljinomjera doseg mjerenja duine do ciljne toke bio je od 30 cm do 100 m, s mjernom nesigurnou od 3 mm, dok se danas modernim laserskim daljinomjerima duina moe izmjeriti od 5 cm do 200 m, s mjernom nesigurnou 1,5 mm. Vrijeme mjerenja duine je od 0,4 do 4 s. irina


laserskog snopa je izmeu 6 mm i 60 mm ovisno o udaljenosti do ciljne toke. U novijim daljinomjerima ugraena je tzv. Power Range tehnologija koja omoguava mjerenje duine do 100 m bez ciljne ploe.

Izvor napajanja moe biti kabel za punjenje struje akumulatora ili, najee, baterije od 1,5 V. Dimenzije runog laserskog daljinomjera variraju od modela do modela (npr. 102x58x33 mm), a masa im je izmeu 0,36 kg, pa sve do laganih 0,16 kg.

5.5 PRIMJENA RUNOG LASERSKOG DALJINOMJERA Runi laserski daljinomjeri su, u velikoj mjeri, zamijenili dosadanje geodetske

mjerae relativno malih udaljenosti kao to su mjerna vrpca, dvometar i sl. Upotreba runih laserskih daljinomjera nala je primjenu ne samo u geodeziji, nego i u

srodnim strukama, kao to je graevina, arhitektura, itd. Primjena runog laserskog daljinomjera: - mjerenje duine - mjerenje visine - mjerenje nagiba - izraun povrine - izraun volumena Praktina primjena: mjerenje duine ili irine zidova objekta, mjerenje visine na

nedostupnim mjestima na gradilitu, mjerenje dijagonale (od kuta do kuta), mjerenje i izraun povrine, te volumena prostorija (npr. kvadratura stana), mjerenje profila tunela (poluautomatsko odreivanje profila tunela laserskim daljinomjerom razvijeno na Geodetskom fakultetu Sveuilita u Zagrebu), itd.

Slika 13. Moderni runi laserski daljijnomjer


6. LASERSKI GIROTEODOLIT

6.1 GIROTEODOLIT Azimut na neku toku moe se odrediti pomou astronomskih opaanja na zvijezde, Sunce i druga nebeska tijela. Meutim, u tunelima se astronomska metoda ne moe upotrijebiti. Zbog toga su znanstvenici traili razne naine kako bi konstruirali takve instrumente pomou kojih e se bez astronomskih opaanja moi odrediti azimut na neku toku. Rjeenje se nalo uz primjenu mehanikih giroskopa, a zatim u neto novije vrijeme uz primjenu laserskih giroskopa.

6.1.1 Princip rada giroteodolita s mehanikim giroskopom

U giroteodolit je ugraen mehaniki giroskop koji rotira s velikom kutnom brzinom oko svoje osi (oko 22 000 okreta u minuti). Budui da i Zemlja istodobno rotira oko svoje osi, nastaje giroskopski moment. On nastoji mehaniki giroskop (koji ima dva stupnja slobode gibanja) zakrenuti u ravninu meridijana. Na osnovi tog uinka moe se odrediti poloaj ravnine meridijana, tj. azimut prema nekoj toki na Zemlji. Iz pribline teorije giroskopa (mehanike) zna se da se giroskopski moment pojavljuje ako giroskop rotira oko svoje osi s kutnom brzinom g, a ta njegova os jo rotira u prostoru. Takav sluaj pojavljuje se i pri rotaciji giroskopa u giroteodolitu. Naime, Zemlja rotira oko svoje osi, te na taj nain os giroskopa u giroteodolitu koji je postavljen na Zemlji rotira u svemirskom prostoru s kutnom brzinom roracije Zemlje Ze. Zbog toga se pojavljuje giroskopski moment koji se, prema jednadbi pribline teorije giroskopa, moe izraziti ovim vektorskim produktom: Mg = Ig (g Ze), gdje je Mg vektor giroskopskog momenta, Ig moment tromosti giroskopa s obzirom na os oko koje rotira giroskop, g vektor kutne brzine s kojom giroskop rotira oko svoje glavne osi, Ze vektor kutne brzine rotacije Zemlje (kutna brzina s kojom os giroskopa rotira u svemirskom prostoru).

Slika 14. Mehaniki giroskop i njegove glavne osi tromosti


Kutna brzina rotacije Zemlje, kao to se vidi na slici 15., moe se projicirati na pravac vertikale i na horizontalnu ravninu, te se moe napisati da je: Zev = Ze sin Zeh = Ze cos , gdje Zev projekcija vektora kutne brzine rotacije Zemlje na pravac vertikala, Zeh projekcija vektora kutne brzine rotacije Zemlje na ravninu horizonta, geografska irina mjesta mjerenja.

Slika 15. Projekcija vektora kutne brzine rotacije Zemlje nas pravac vertikala i na horizont

Moe se naglasiti da projekcija kutne brzine rotacije Zemlje na horizont pada u ravninu meridijana. Razmotrit e se gibanje okvira giroskopa s dva stupnja slobode gibanja, koji je prikazan na slici 16. Giroskop, kao to se vidi na slici, u ovom sluaju moe rotirati oko svoje osi AB u horizontalnoj ravnini i zajedno s okvirom oko osi CD. Korisnika giroteodolita zanima zato dolazi do rotacije giroskopa zajedno s okvirom oko vertikalne osi CD, tj. do njihovog njihanja oko ravnine meridijana (pravca sjever-jug). Tu rotaciju (njihanje) okvira giroskopa oko vertikalne osi CD moe izazvati jedino vetikalna sastavnica giroskopskog momenta, to se moe matematiki izraziti vektorskim produktom: Mgv = Ig (g Zeh), gdje je Mgv vertikalna sastavnica vektora giroskopskog momenta, Zeh projekcija vektora kutne brzine rotacije Zemlje na ravninu horizonta. Modul dobivenog vektora iz vektorskog produkta jednak je: Mgv = Ig g Zeh sin , gdje je kut izmeu vektora g i Zeh, tj. kut izmeu vektora g i Zeh, tj. kut izmeu ravnine okvira giroskopa i meridijanske ravnine. Pravac rezultantnog vektora okomit je na ravninu vektora g i Zeh, a smisao mu je odreen po pravilu desnog vijka i to rotacijom najkraim putem vektora g i Zeh. U sluaju prikazanom na slici 16. vektor Mgv bit e usmjeren prema gore. Iz gore navedenih formula moe se pisati:


Mgv = Ig g (Ze cos ) sin Iz dinamike krutog tijela zna se da diferencijalna jednadba rotacijskog gibanja krutog tijela oko stalne osi rotacije glasi: I = MFV, gdje je I moment tromosti tijela oko osi koje ono rotira, kutno ubrzanje tijela, MFV moment vanjskih sila koje djeluju na tijelo. Ako se ta jednadba promijeni na rotaciju okvira giroskopa s giroskopom oko osi CD bit e: Igv+0 = - Mgv, gdje je Igv+0 jednak zbroju momenata tromosti giroskopa oko vertikalne osi plus moment tromosti okvira oko osi CD. Predznak giroskopskog momenta Mgv je negativan jer u promatranom sluaju kut , kao to se vidi iz slike16., raste u smjeru kretanja kazaljke na satu, a vertikalna sastavnica giroskopskog momenta Mgv u smjeru kretanja suprotnom od kazaljke na satu.

Slika 16. Mehaniki giroskop s dva stupnja slobode gibanja

6.1.2 Opis rada mehanikog giroteodolita

Njihanje giroskopa oko vertikalne osi okvira giroskopa CD moe se podijeliti u nekoliko faza i rijeima opisati ovako:


1. Faza

Djelovanjem vertikalne sastavnice giroskopskog momenta Mgv (ako je giroskop otklonjen od ravnine meridijana za neki kut ), giroskop e poeti ubrzano rotirati oko vertikalne osi CD prema ravnini meridijana.

2. Faza

Kad giroskop doe u ravninu meridijana, tj. kada je kut = 0, vertikalna sastavnica giroskopskog momenta bit e jednaka nuli, jer je sin 0 = 0. Meutim, postojat e kutna brzina rotacije giroskopa oko vertikalne osi gv dobivene od vertikalne sastavnice giroskopskog momenta Mgv u onim poloajima kad je giroskop bio otklonjen za neki kut od ravnine meridijana. Zbog toga e giroskop i njegov okvir, po zakonu tromosti, nastaviti rotaciju na drugu stranu od ravnine meridijana.

3. Faza Nakon prijelaza glavne osovine giroskopa na drugu stranu ravnine meridijana, pojavi se vertikalna sastavnica giroskopskog momenta suprotnog smjera od sastavnice u prvoj fazi. Zato e sada moment Mgv u poetku koiti rotaciju giroskopa oko vertikalne osovine CD dok je konano ne zaustavi. Nakon zaustavljanja rotacije giroskopa oko vertikalne osi pod djelovanjem te iste vertikalne sastavnice giroskopskog momenta, giroskop e poeti ubrzano rotirati u suprotnom smislu, tj. prema ravnini meridijana. To e se tako neprestano ponavljati, tj. pojavit e se njihanje giroskopa s okvirom oko ravnine meridijana. Kada se oitaju maksimalni otkloni giroskopa (u sluaju da se otpori mogu zanemariti), poloaj ravnine meridijana (pravca sjevera) bit e tono u sredini izmeu tih otklona giroskopa.

Slika 17. Faze rada giroteodolita i krajnji otkloni giroskopa


6.1.3 Naini odreivanja azimuta pomou mehanikog giroskopa

U idealnim uvjetima, oscilacije mehanikog giroskopa zajedno s njegovim okvirom bile bi nepriguene, pa bi se pravac sjevera nalazio tono u sredini izmeu maksimalnih otklona giroskopa. Meutim, u realnom gibanju giroskopa zajedno s okvirom pojavljuju se otpori koji priguuju oscilacije, pa dolazi do smanjivanja amplituda.

Zbog toga se pri tonom odreivanju azimuta mora uzeti i taj utjecaj od priguenja, kao i utjecaj od torzije vrpce (niti), tj. pojavu suprotstavljanja rotacije vrpce (niti) oko njezine uzdune osi izazvane zakretanjem giroskopa oko vertikalne osi. Postoje nekoliko metoda odreivanja azimuta:

a) reverzijska metoda b) amplitudna metoda c) metoda prolaza (vremenska metoda) d) kombinirana metoda

6.2 LASERSKI GIROTEODOLIT

6.2.1 Osnovni princip rada laserskog giroteodolita

Razvoj laserskih svjetlosnih izvora monokromatske koherentne svjetlosti omoguio je konstrukciju novih tehnikih ureaja za mjerenja kutnih brzina koji su dobili naziv laserski giroskopi ili optiki giroskopi. Laserski giroskop je zatvoreni rezonator u kojem krue dva suprotno usmjerena koherentna svjetlosna toka monokromatske svjetlosti. Openito, laserski giroskop moe biti izraen s tri ili vie zrcala, odnosno kanala, u kojima prolaze dva svjetlosna toka koji idu jedan u susret drugom.

Slika 18. Laserski giroteodolit

Kako se u laserskom giroskopu ostvaruju dva suprotno usmjerena svjetlosna snopa moe se pojasniti u primjeru etiri zrcala. U laserskom giroskopu svjetlost se iz lasera dijeli na dva dijela:


- dio svjetlosti 1 prvo se reflektira od poluprozirnog zrcala (slika 19. b), zatim i od ostala tri zrcala, da bi se po povratku na poluprozirno zrcalo ponovno reflektirao i proao kroz prizmu i uao u fotodetektor

- dio svjetlosti 2 prolazi kroz poluprozirno zrcalo (slika 19. c), a zatim se reflektira na ostala tri zrcala, da bi po povratku ponovno proao kroz poluprozirno zrcalo, a zatim i prizmu i uao u fotodetektor.

Slika 19. Laserski giroskop s etiri zrcala

Pri rotaciji takve zatvorene svjetlosne figure oko osi okomite na njezinu ravninu: - put svjetla koji ona prelazi po opsegu svjetlosne figure u smjeru vrtnje bit e dui

(slika 20. b) - put svjetla koji ona prelazi po opsegu svjetlosne figure u suprotnom smjeru od

smjera vrtnje bit e krai (slika 20. c)

Slika 20. Promjena duljina prijeenih puteva svjetla u laserskom giroskopu izazvana rotacijom oko okomite osi na ravninu giroskopa

Zbog rotacije laserskog giroskopa oko osi okomite na ravninu giroskopa doi e do doplerovskog pomaka frekvencije svjetla, tj.:

- frekvencija svjetla koja prelazi vei put smanjuje se - frekvencija svjetla koja prelazi manji put poveava se Pomak frekvencije svjetla uzrokovan rotacijom moe se izmjeriti optikim nainom.

Naime, u prizmi se lomi svjetlost i tako odvaja po frekvenciji, pa se u fotoelektrinom ureaju moe odrediti koliki je Dopplerov pomak frekvencije, tj. kolika je razlika frekvencija iz jednog i drugog smjera laserske svjetlosti.


6.2.2 Nain odreivanja azimuta pomou laserskog giroskopa

Da bi se laserskim giroskopom odredio poloaj meridijana u prostoru potrebno je ravninu osjetljivosti laserskog giroskopa postaviti vertikalno i zatim ga okretati oko pravca vertikala, sve dok razlika frekvencija u fotoelektrinom ureaju ne postane jednaka nitici. To se moe objasniti tako da je u tom sluaju projekcija vektora kutne brzine rotacije Zemlje Ze oko njezine osi na os osjetljivosti laserskog giroskopa (tj. na pravac okomit na ravninu giroskopa) jednaka nitici. Naime, u tom sluaju vektor kutne brzine Zemlje lei u ravnini osjetljivosti laserskog giroskopa, pa nema u njemu pomaka frekvencije svjetlosti. Podjela giroskopa prema tonosti:

- giroskop visoke tonosti (standardno odstupanje 2) - giroskop srednje tonosti (standardno odstupanje 10 do 15) - giroskop manje tonosti (standardno odstupanje 1')

Danas se, uglavnom, proizvode giroskopi visoke tonosti s mjernom nesigurnou do 1.

7. ODREIVANJE VISINA KORITENJEM ROTACIJSKOG LASERA U KOMBINACIJI S GPS-om

7.1 OSNOVE Odreivanje visina nivelirom s dodatkom planparalelne ploe do danas je bio jedini nain da bi se ostvarila milimetarska preciznost. Samostalnim koritenjem GPS-a ovakva visoka preiznost se ne moe ostvariti, ve su se najbolji rezultati u visinskom smislu ostvarivali u rasponu od 1 do 4 cm. U novije vrijeme razvijena je tehnologija koja omoguava odreivanje visina s milimetarskom preciznou. Jedan od proizvoaa geodetskih instrumenata tvrtka Topcon razvila je ovu tehnologiju pod nazivom Topcon LazerZoneTM. Sustav se koristi u kombinaciji s Topcon GPS RTK HiPer Pro ureajem koji odreuje poloaj toke ija se visina odreuje. TLZ sustav sastoji se od laserskog odailjaa (modificirani rotacijski laserski nivelir) i laserskog senzora (prijamnik).

7.2 PRINCIP RADA Cjelokupni sustav sastoji se od Topcon GPS RTK HiPer Pro ureaja kojim se odreuje poloaj toke (y, x) i TLZ sustava koji odreuje visinu toke (z). Ovako integriran sustav radi na sljedei nain. Referentni (bazni) GPS ureaj postavlja se na toku poznatu po koordinatama (y, x, z), te alje sve korekcije putem radio ili GSM veze pokretnom (eng. rover) GPS ureaju. Na pokretnom GPS ureaju nalazi se laserski prijamnik koji prima lasersku svjetlost od laserskog odailjaa postavljenog na toku koja ima poznatu visinu. Laserski odailja postavljen je na stativ sa fiksnom visinom. Pokretni GPS ureaj odreuje koordinate nepoznate toke, a laserski prijamnik, koji se nalazi na drau ispod GPS antene


prima laserski signal, te trenutno odreuje visinsku razliku izmeu laserskog odailjaa i pokretnog GPS ureaja s milimetarskom preciznou. 7.3 TOPCON LAZER ZONETM SUSTAV TLZ sustav sastoji se od laserskog odailjaa PZL-1 (slika 22.) i laserskog prijamnika (senzora) PZS-1 (slika 23.). Laserski odailja ne alje horizontalnu lasersku zraku kao to je to obiaj sa rotacijskim laserskim nivelirom, ve alje laserski snop visine 10 m u radijusu od 300 m. (slika 21.).

Slika 21. Topcon LazerZoneTM sustav

Gdje god se nalazio senzor unutar podruja od 10 m, prima laserski signal od odailjaa i rauna visinsku razliku.

Slika 22. Laserski odailja PZL-1

Tehnike karakteristike: irina laserskog snopa: 10 (0-30 m),

5m (30-300 m) Radijus laserskog snopa: 300 m Tonost laserskog snopa: rezolucija - 1arc

sekunda Automatsko horizontiranje: 5 Brzina vrtnje lasera: 600 okr/min Klasa lasera: 1 Beina veza (Bluetooth), RS - 232C veza Baterije-interne Ni-MH za 15 sati rada Aluminijsko kuite, vodootporno Raspon rada -20 C do 50 C


Slika 23. Laserski senzor PZS-1

Tehnike karakteristike:

Detektiranje laserskog signala: "prozor" irine 10 sa 10

RS - 232C veza

Baterije - interne Li-Ion za 8 sati rada

Aluminijsko kuite, vodootporno

Raspon rada -20 C do 50 C

Teina 1,00 kg

Laserski senzor prima laserski signal od odailjaa i trenutno rauna visinsku razliku svoje pozicije u odnosu na poloaj odailjaa s preciznou od 2,5 mm/50 m. Neogranien broj laserskih senzora moe raditi istovremeno u djelokrugu rada jednog laserskog odailjaa.

Opisani sustav, osim u svakodnevnim geodetskim poslovima iskolenja i izmjere, nalazi iroku primjenu pri upravljanju i navoenju graevinskih strojeva na gradilitima (slika 24. a i b). Od graevinskih se strojeva, ovisno o namjeni, trai razliita poloajna i visinska tonost izvoenja radova zadanih projektom.

Za projekte koji su zahtijevali milimetarsku visinsku tonost do danas se u sustavu navoenja nije mogla koristiti GPS RTK mjerna tehnika za odreivanje poloaja strojeva, zbog nedovoljne tonosti u visinskom smislu. Instaliranjem PZS-MC senzora (slika 24. c) uz GPS RTK prijamnike na razliite graevinske strojeve (finiere, grejdere, buldoere i ostale strojeve) svodi se visinska tonost na milimetarsku razinu, te je kao takav sustav pogodan za gotovo sve radove na gradilitu.

Upotreba "Topcon LazerZoneTM" sustava za upravljanje i navoenje graevinskih strojeva znaajno smanjuje potrebno vrijeme za mjerenja te poveava kvalitetu rada graevinskih strojeva, a samim time poveava se produktivnost i smanjuje trokove graevinskih radova.

Slika 24. Topcon LazerToneTM sustav u praksi (a, b) i PZS-MC senzor (c)

8. LASERSKI UREAJI ZA SKENIRANJE

8.1 OSNOVE Opisivanje trodimenzionalnih svojstava realnih objekata u naem okruenju, te njihova pohrana u digitalnom obliku, postali su stvarnost u mnogim podrujima ljudske aktivnosti. Osim toga, stalni napredak raunalne tehnike i njena sve ira rasprostranjenost dovode do

(a) (b) (c)


potranje za sve veom koliinom kvalitetnih i detaljnih podataka naroito o prostoru ljudske aktivnosti i objektima koji ih okruuju. S obzirom na njihovu kompleksnost i izvanrednu raznolikost, prije svega u geometrijskom smislu, za kvalitetno opisivanje je potrebna izuzetno velika koliina mjerenih podataka. Toliku koliinu podataka ne bi bilo mogue prikupiti dovoenjem mjerne naprave u fiziki kontakt sa objektom, za svaku mjerenu toku. Stoga se ve itavo stoljee koristi fotogrametrija kao efikasan i kvalitetan nain izmjere bez neposrednog kontakta s objektom. Zadnjih desetak godina se afirmirala i tehnologija prostornog laserskog skaniranja, kao potpuno automatizirana i izuzetno efikasna metoda prikupljanja prostornih podataka. Ova tehnologija se uobiajeno oznaava pojmom LiDAR od engl. Light Detection And Ranging, iako je bilo sugestija da se uvede pojam LaDAR (eng. Laser Detection And Ranging, Wehr & Lohr 1999.), zbog naglaavanja da se radi o primjeni lasera. Openito se moe uzeti da je LiDAR potpuno automatiziran, aktivan, optiko-mehaniki postupak prikupljanja prostornih podataka dostupnih s aktualnih snimalita. Interesantno je napomenuti da se LiDAR ne koristi samo za prostorno skeniranje, ve i za praenje fizikalnih procesa u atmosferi, jer omoguuje vrlo precizno mjerenje brzine, smjera kretanja, te gustoe estica u atmosferi. Ova tehnologija se obiljeava kraticom DIAL (eng. DIfferential Absorption LIDAR). Mjerenje laserskim skeniranjem u naelu je zasnovano rasterskim voenjem laserske zrake u dva karakteristina smjera motornim pogonom mehanikih i optikih dijelova. Na slici 25. prikazan je osnovni princip kako se na osnovi mjerenih zakreta zrcala i mjerene duljine odreuju koordinate Y, X, Z za pojedinu skeniranu toku. Dodatno se tim koordinatama registrira intenzitet reflektiranog laserskog signala ovisan o stupnju odbijanja povrine i o prostornoj orijentaciji plohe u odnosu prema smjeru laserske zrake. U rasterskom obliku snimanja dobija se prostorna slika i slika razdiobe intenziteta, pa se govori i o 4D laserskom skeniranju.

Slika 25. Princip laserskog skeniranja


8.2 NAELO LASERSKOG SKENIRANJA Tehnologija prostornog laserskog skeniranja dijeli se na:

- Lasersko skeniranje sa Zemlje (eng. Terrestrial Laser Scanning) TLS - Lasersko skeniranje iz zraka (eng. Airborne Laser Scanning) ALS

Velike povrine terena najee se skeniraju koritenjem zrakoplova kao platforme koja nosi skener. Ograniena podruja kao to su strme povrine terena (kamenolomi), izrada detaljnih modela zgrada, mostova, tunela, te pojedinane skulpture pogodnije su za skeniranje s nepominih snimalita. Lasersko skeniranje nije zamjena za postojee tehnike geodetskog snimanja, ali je varijanta koja se moe upotrijebiti u veini godetskih poslova. Skeniranje se odvija, kako je ve navedeno, metodom registracije kuta i udaljenosti do odreene toke u podruju snimanja. Rezultat ovakvog naina snimanja je skup trodimenzionalnih toaka, vremenski odreenih, a naziva se oblak toaka. Prostorna udaljenost izmeu susjednih snimljenih toaka unutar oblaka toaka ovisi o blizini objekta snimanja i tehnikoj specifikaciji samog instrumenta. Veina dananjih skenera moe snimiti vrlo guste oblake toaka, pa je tako mogue dobiti toke na snimljenom objektu meusobno udaljene tek jedan milimetar. Oblak toaka moe uz svoje prostorne, relativne ili apsolutne koordinate sadravati i intenzitet RGB (eng. Red, Green, Blue) boje reflektirane povrine. To znai; reflektira li se laserska zraka od zelenog lista na drvetu, ta toka e uz pripadajue koordinate sadravati i podatak o boji i intenzitetu reflektirane zrake. Budui da se laserskim skenerom esto prikupi i vie milijuna toaka po stajalitu, voenje detaljne skice je nepotrebno, jer se iz oblaka toaka moe dobiti i vie nego dovoljno informacija za identifikaciju svih snimljenih objekata, te izradu plana situacije. Kao primjer izvrsno moe posluiti snimljena (skenirana) cesta, te uz cestu postavljena ploa na kojoj pie ime ulice. Iz oblaka toaka lako je proitati naziv ulice na ploi, jer je uz nekoliko stotina toaka dobiven oblik i informacija o boji (npr. bijela slova na plavoj podlozi).

8.2.2 Terestriki laserski skeneri

8.2.2.1 Podjela skenera prema nainu snimanja

U dananje vrijeme mogue je razlikovati tri vrste TLS prema nainu snimanja,

meutim jo ne postoji standard za usmjeravanje laserske zrake tako da svaki proizvoa ima svoj sistem za posebne aplikacije.

Tri uobiajene vrste skenera prema nainu snimanja su: - Skeneri-kamere: ogranieni prozor snimanja - FOV (Field Of View) npr. 40x40.

Moe se usporediti s fotogrametrijskim kamerama, to znai, skeniraju sve to se nalazi u trenutanom prozoru snimanja, npr. CYRA 2500 (Leica) ili ILIRIS 3D (OPTECH). Snimanje se izvodi pomou dva sinkronizirana ogledala (horizontalno i vertikalno) koja usmjeravaju lasersku zraku. Ovaj nain snimanja zna biti vrlo nepraktian zbog uskog podruja snimanja, ali esto ovaj tip skenera ima vrlo veliki domet (i vie od 1000m), to nadoknauje navedeni nedostatak.

- Panoramski skeneri: FOV je limitiran samo bazom instrumenta, to znai da skenira sve oko sebe osim podruja ispod postolja na kojem se nalazi u trenutku skeniranja,


npr. IMAGER 5003 (Zoller+Frohlich) ili HDS4500 (LEICA). Snimanje se izvodi rotacijom jednog ogledala koje usmjerava lasersku zraku u vertikalnom kutu od otprilike 310 te rotacijom cijelog postolja instrumenta za 360 oko vertikalne osi. Na taj nain dobiva se snimak od 310x360. Prednost ovog tipa skenera je u njihovoj brzini prikupljanja podataka i veliini podruja skeniranja. Nedostatak je kratki domet te im je uporaba u veini sluajeva ograniena na interijere objekata.

- Hibridni skeneri: FOV u horizontalnoj osi je 360 dok je po vertikalnoj osi limitiran na otprilike 60. Ovaj tip skenera sadri rotacijsku prizmu ili ogledalo koji se rotiraju oko horizontalne osi i skenira sve u vertikalnom kutu od 60, a u trenutnom smjeru gledanja. Cijeli (ili dio) instrument se rotira oko vertikalne osi za 360, npr. GX (TRIMBLE) ili LMS Z 360 (RIEGL). Na taj nain dobiva se snimak od 60x360. Ovaj tip instrumenta je najei u praksi zbog njegove svestranosti.

Slika 26. Shematski prikaz tri uobiajene vrste skenera prema nainu snimanja

Jedinstvenu kategorizaciju TLS-a je vrlo teko napraviti jer se primijenjena tehnologija bitno razlikuje od modela do modela. Vrlo je vano naglasiti da ne postoji univerzalni skener za sve primjene. S obzirom na njihovu tehniku izvedbu i tehnike specifikacije kojima se odlikuju, neki skeneri su bolji za interijere i detalje dok su drugi bolji za eksterijere i velike objekte.

8.2.2.2 Podjela skenera prema nainu mjerenja udaljenosti

Terestrike laserske skenere mogue je kategorizirati i po nainu mjerenja udaljenosti. Tehnologija mjerenja udaljenosti direktno utjee na domet i tonost skeniranja. Danas se koriste tri razliite tehnologije mjerenja udaljenosti laserskim skenerima, i to pulsna, fazna i triangulacijska metoda. Navedene tehnike izvedbe obino se koriste samostalno, ali mogue ih je kombinirati kako bi se dobio raznovrsni sustav za skeniranje.


Terestriki laserski skeneri kategorizirani po nainu mjerenja udaljenosti su: - Pulsni (eng. Time Of Flight) - TOF - radi na principu mjerenja vremena izmeu

odaslanog i primljenog signala. Domet ovog naina mjerenja udaljenosti moe biti preko 1 km. Prednost ostvarena mjerenjem velike udaljenosti, naalost, podrazumijeva i smanjenu tonost.

- Fazni (eng. phase) - radi na principu mjerenja razlike u fazi izmeu odaslanog i primljenog signala. Nedostatak je ogranienost dometa na stotinjak metara, ali tonost ovog naina mjerenja udaljenosti je u granicama od nekoliko milimetara.

- Triangulacijski (eng. triangulation) - radi na principu optike triangulacije. Laserska zraka se projicira na objekt i registrira se na senzoru koji je smjeten na poznatoj udaljenosti od izvora zrake. Ovaj nain mjerenja udaljenost nema veliku korisnost u geodetskoj izmjeri jer je domet ogranien na nekoliko metara, ali su zato tonosti koje se mogu postii ovom metodom u granicama mikrometra.

Od navedenih naina mjerenja, pulsno mjerenje udaljenosti se najvie koristi u terestrikoj laserskoj izmjeri. Dobivena udaljenost se kombinira s izmjerenim prostornim kutovima (horizontalni i vertikalni) za dobivanje trodimenzionalnih koordinata.

a)

b)

c)

Slika 27. Shematski prikaz pulsnog (a), faznog (b) i trangulacijskog (c) naina mjerenja udaljenosti kod razliitih izvedbi terestrikih laserskih skenera


8.2.2.3 Podjela skenera prema nainu prikupljanja oblaka toaka

Skeneri se takoer mogu podijeliti po nainu prikupljanja podataka tj. oblaka toaka. Naime, postoje dva tipa oblaka toaka, apsolutni (georeferencirani) i relativni (lokalni) oblak toaka. Veina skenera nije prvotno raena za geodetske potrebe, pa direktno georeferenciranje nije niti bilo potrebno.

U dananje vrijeme pojavila se potreba za direktnim georeferenciranjem podataka na terenu, pa odreeni skeneri novije generacije imaju tu mogunost (npr. Trimble GX, Leica ScanStation). Bitna novost kod ovih skenera je to imaju ugraene horizontalne i vertikalne kompenzatore kao i klasini geodetski instrumenti. Ova tehnika izvedba ima odreenih prednosti, ali i nedostatka u usporedbi sa skenerima bez kompenzatora. Prednost ovakvih skenera je u tome to je mogue izvoditi mjerenja na jednak nain kao i klasinim geodetskim instrumentima, razvijanje poligonskog vlaka, iskolenje toaka, mjerenje samo jedne karakteristine toke i sl. Tako prikupljeni podaci (oblak toaka) mogu se georeferencirati ve na terenu i nije potrebno uklapanje snimljenih oblaka toaka naknadnom obradom. To ne znai da skeneri koji nemaju direktno georeferenciranje ne mogu imati georeferencirani oblak toaka, ve samo da se taj postupak, bez veih potekoa, radi naknado u obradi.

Budui skeneri koji imaju ugraen kompenzator i mjere na klasini geodetski nain, moraju ispuniti zahtjev da vertikalna os bude vertikalna u prostoru. Time je meutim onemogueno naginjanje i usmjeravanje skenera u razliitim smjerovima. Takoer su upravo zbog prisutnosti kompenzatora puno osjetljiviji na podrhtavanja u okolini.

8.2.2.4 Prikupljanje i obrada podataka

Kod veine skenera prikupljanje podataka se vri uz pomo raunalnog programa (aplikacije) isporuenog zajedno sa skenerom. Aplikacija je instalirana na prijenosnom raunalu ili dlanovniku, te se putem mrenog kabela ili beine veze (eng. Bluetooth) spaja na skener. Svaka aplikacija za prikupljanje podataka je drugaija, ali rezultat je na kraju isti: oblak toaka. Veina skenera prikuplja lokalne oblake toaka koji se naknadnom obradom moraju spojiti zajedno i ako je potrebno, georeferencirati. Spajanje oblaka toaka se najee vri pomou spajanja identinih toaka unutar oblaka toaka. Postoje i algoritmi koji mogu automatski prepoznati geometrijske oblike unutar oblaka toaka. Meutim, zbog sloenosti nisu uvijek primjenjivi, pa se ovaj nain rijetko koristi u praksi. Kod skenera koji imaju mogunost direktnog georeferenciranja nema potrebe za ovim korakom, jer oblaci toaka dobiveni na ovaj nain ve su na terenu postavljen u stvarni prostor. Sam postupak spajanja oblaka toaka i georeferenciranja nije kompleksan i esto se ve poluautomatski izvodi na terenu.


Tablica 1: Usporedba TLS-a s klasinom mjernom stanicom

8.2.2.5 Primjena terestrikih laserskih skenera

Mogunosti primjene velike koliine podataka prikupljenih terestrikim laserskim skenerima danas su vrlo velike. Stalno poveanje procesne snage modernih raunala praktiki svakodnevno otvara i nove mogunosti. Mnotvo tonih 3D prostornih podataka prikupljenih u jednom trenutku snimanja nekog objekta istovjetno je fotografiji. Razlika izmeu njih je, dakako, za cijelu jednu dimenziju u korist prvih. Njihovom naknadnom obradom mogue je izvoditi uopene modele s obzirom na konkretne potrebe, a izvorni podaci mjerenja ostaju kao bogat i brzo dostupan izvor informacija o promatranom objektu ili cijelom sustavu. a) Topografska izmjera Opseni radovi na detaljnoj topografskoj izmjeri mogu biti izvedeni laserskim skenerima. Izmjera arheolokih iskopina za potrebe dokumentacije zahtjeva visoku tonost i gustou. Primjena skenera kod izrade digitalnih modela kamenoloma. b) Izmjere na gradilitu Laserski skeneri nalaze veliku primjenu kod snimanja mostova, cesta, zgrada i tunela. Valja napomenuti da modeliranje navedenih objekata zahtjeva jako puno obrade, bez obzira kako su snimljeni podaci na terenu.

Klasina mjerna stanica Terestriki laserski skener - mjerenje karakteristinih toaka - mnogo truda za malo toaka - uloeni trud po toki je velik - geometrija snimljenih toaka je

deskriptivna - toke snimanja odabiru se na terenu

(iskustvo) - odabir snimljenih toaka odreuje

kvalitetu snimka

- pojedinana mjerenja - ne mjere se karakteristine toke - nekontroliran odabir toaka - snimak nema geometrijskog znaenja

(simbolika) - uloeni trud po toki je mali - odabir snimljenih toaka u uredu

(postprocessing) - kvaliteta opisnog karaktera ovisi o

snimljenim elementima


Slika 28. Fotografija skeniranja tunela (lijevo) i dobiveni oblak toaka (desno)

c) Mjerenje deformacija Pri strukturalnom nadgledanju, lasersko skeniranje moe se smatrati naprednijim od ostalih geodetskih metoda (klasina izmjera, GPS), koje mogu pratiti deformaciju na samo ogranienom broju toaka, dok skener moe mjeriti deformacijsku plohu. Laserski su skeneri vie nego pogodni za praenje deformacija na kapitalnim graevinskim objektima. d) Industrijska izmjera Laserski skeneri nali su svoje mjesto u svakoj grani ljudske djelatnosti koja zahtjeva prikupljanje velike koliine tonih 3D podataka. Jedna od primjena je u zrakoplovnoj industriji, projektiranje vlakova, brodova i dr. e) Izmjera objekata kulturnog naslijea Prilikom izmjere proelja i ostalih dijelova zgrada kulturnog naslijea, lasersko skeniranje daje, samostalno ili u kombinaciji s metodama terestrike fotogrametrije, dobar odnos uloenog i dobivenog. Detaljan i brzo dostupan digitalni visinski model proelja zgrade uveliko e olakati postupak obnove kulturnog naslijea.

Slika 29. Usporedba oblaka toaka i fotografija proelja bive Kraljevske sveuiline knjinice, danas Hrvatski

dravni arhiv (s lijeve strane) i Hrvatskog narodnog kazalita (s desne strane)


f) Izmjera unutarnjih prostora

8.2.2.6 O emu razmiljati pri odabiru TLS-a

Jedan od osnovnih kriterija je tonost. Naprimjer, za snimanje litice brda, kamenoloma i sl. (gdje se ne trai visoka tonost ispod centimetra), moe se koristiti dalekometni skener koji e brzo i kvalitetno izvriti zadatak. Meutim, snimanje kipa ili drugog objekta u svrhu njegove obnove ili arhiviranja (gdje se zahtjeva milimetarska tonost), skener s tonou od nekoliko centimetra nee zadovoljiti postavljene kriterije. Osim kriterija tonosti, potrebno je obratiti panju i na brzinu skeniranja. Moda se ini da je brzina od 2000 toaka u sekundi puno, ali da bi se dobio kvalitetan i toan model iz oblaka toaka, esto je potrebno prikupiti nekoliko milijuna toaka. Panoramski skeneri su najbri zbog svoje tehnike izvedbe dok su hibridni sporiji, a koritenjem hibridnih skenera sa kompenzatorom brzina skeniranja drastino opada.

Kao to je ranije u tekstu spomenuto jedan od rezultata skeniranja je i RGB model boja snimljene toke. Boja je dobivena kamerom, bilo unutarnjom (ugraenom) ili vanjskom (kombinacija).

Ako projektni zadatak zahtijeva kvalitetni ortofoto ili kvalitetno obojani oblak toaka, a u svrhu vizualizacije ili prezentacije, potrebno je koristiti skener s opcijom vanjske kamere. Razlika u kvaliteti izmeu unutarnjih i vanjskih kamera je velika i ne smije se nikako zanemariti. Kvaliteta boje kod vanjskih kamera je izuzetna, jer se esto koristi profesionalna DSLR (eng. Digital Single-Lens Reflex) tehnologija. Neki tipovi skenera nemaju mogunost ugradnje vanjske kamere, pa se bojanje toaka moe izvesti posebnim algoritmima unutar razliitih aplikacija, to iziskuje dodatni rad na terenu, te posebno kasnije u uredu, ali esto ne daje tako kvalitetan rezultat.

Robusnost i radna temperatura takoer su bitni kod odabira skenera. Terestriki skeneri su u veini sluajeva vrlo osjetljivi na okolinu. Jedna od bitnijih stvari na koje treba misliti pri odabiru skenera je okolina u kojoj e se izvoditi radovi. Rad u tunelima na +10C ne bi trebao predstavljati problem niti jednoj izvedbi skenera, ali rad pri +40C na gradskom asfaltu mogao bi nekim izvedbama predstavljati problem.

Slika 30. Primjeri: (a) kamera skeneri, (b) panoramski skeneri, (c) hibridni skeneri i robotska totalna stanica sa ugraenom mogunosti laserskog skeniranja (d)


8.2.3 Lasersko skeniranje iz zraka ALS

8.2.3.1 Princip

Podruje, koje je predmet izmjere, nadlijee se zrakoplovom, koji s donje strane nosi

LiDAR. Ovisno od vidnog kuta skenera (engl. Field Of View - FOV) i visine leta mogue je tijekom jednog preleta izmjeriti pojas na terenu odgovarajue irine, tj. jedan niz. Cijelo podruje se po potrebi nadlijee vie puta, kako bi se snimilo s potrebnim brojem nizova. Da se osigura sigurno pokrivanje cjelokupnog podruja izmjere i radi izjednaenja svih nizova u bloku, visinski i poloajno, izmeu nizova se ostavlja preklop (slika 31.).

Slika 31. Princip snimanja u nizovima

8.2.3.2 Matematiki model

Prostorne koordinate svake mjerene toke odreuju se polarnom metodom. Stoga se za

svaku mjerenu toku mora poznavati prostorna pozicija pla skenera, te prostorni vektor od

pla do mjerene toke LSrr

(slika 32.).

Slika 32. Osnovne komponente ALS-a i princip odreivanja koordinata


Prostorna pozicija pola skenera u referentnom koordinatnom sustavu (X,Y,Z) se odreuje GPS RTK mjerenjima integriranim sa inercijalnim mjernim sustavom (engl. Inertial Measuring Unit - IMU), radi boljeg praenja kinematike kretanja pola laserskog skenera (LS) u prostoru. Osim toga IMU mjeri trenutne kutne komponente (,,) referentne osi LS u prostoru. Trenutni otklon laserske zrake od referentne osi LS odreuje ureaj za skeniranje.

Time je odreeno hvatite i smjer vektora LSrr

, a njegova duljina se mjeri laserskim

daljinomjerom (slika 32.). Budui da se ALS smjeta s donje strane zrakoplova, a GPS antena

mora biti s gornje strane, potrebno je odrediti i vektor CALrr

, koji ima hvatite u faznom

centru GPS antene i vrh u polu skenera. Ovaj vektor se odreuje u postupku kalibracije cjelokupnog sustava. Matematiki se ovi odnosi mogu izraziti kao:

LSCALGPST rrrrrrrr

++=

Iz gore navedenog principa odreivanja koordinata i slike 32. vidljivo je da je ALS sustav u kojem su integrirane 3 osnovne komponente: GPS, IMU i LS.

IMU i GPS se najee nude u jedinstvenom tzv. POS (eng. Position and Orientation System) rjeenju, zbog potrebe izuzetno tijesne integracije na hardverskoj ali i softverskoj razini, kako bi se dobili kvalitetni elementi vanjske orijentacije senzora, neophodni za direktno georeferenciranje mjerenih podataka. Osim ovih elemenata, za efikasno upravljanje postupkom skeniranja, sustav se dopunjuje upravljakim terminalom koji omoguuje potpunu kontrolu rada LiDAR-a i navigacijskim terminalom u pilotskoj kabini za to vjerniju realizaciju plana leta (slika 33.).

Slika 33. LEICA ALS50-II, kompletan sustav za lasersko skeniranje iz zraka s integriranim POS-om, raunalom za akviziciju i navigaciju, terminalom za upravljanje i terminalom za navigaciju

8.2.3.3 GPS + IMU komponente

Radi tonog odreivanja trenutne pozicije i orijentacije ALS za svaku mjerenu prostornu toku potrebno je vrlo kvalitetno izvriti integraciju GPS + IMU u tzv. POS. Stoga pojedine tvrtke nude ureaje s ve integriranim rjeenjima (Applanix, IGI, iMAR), te softverskom podrkom za naknadnu obradu rezultata mjerenja radi postizanja najvie mogue tonosti.


Slika 34. IGI AEROControl II POS

8.2.3.4 Impulsni laser

Impulsni laseri, openito, omoguuju daleko vee snage odaslanog impulsa, koje u topografskim primjenama mogu ii ak do 2MW. Imaju vrlo dobru usmjerenost i koherenciju, a najee se koristi Nd:YAG laser, koji emitira svjetlost valne duljine =1064nm (blisko IC-podruje). Blisko IC-podruje se koristi, prije svega zato to ljudsko oko nije osjetljivo na taj dio spektra EM-zraenja i stoga se mogu koristiti puno vee snage laserskog zraenja, bez opasnosti po oteenje vida. Zbog toga to voda snano upija IC-zraenje, prodiranje IC-zraenja kroz vodu i mjerenje terena ispod povrine vode je gotovo onemogueno. Stoga se za takve primjene koristi zraenje valne duljine =532nm (zelena svjetlost), koje se dobije udvostruavanjem osnovne frekvencije zraenja Nd:YAG lasera. Batimetrijski LiDAR koristi obje frekvencije istodobno, kako bi uz digitalni model dna odredio i razinu vodnog lica, te iz njihove razlike direktno odredio dubinu.

Slika 35. Princip batimetrijskog LiDAR-a (lijevo) i prikaz potopljenog broda dobivenog batimetrijskim LiDAR-om (desno)

8.2.3.5 Mehanizam za skeniranje

Mehanizam za skeniranje otklanja lasersku zraku od referentne osi LS tako da se omogui izmjera to ireg podruja sa to guim rasporedom toaka u jednom preletu. Budui da zrakoplov nosi LiDAR u smjeru leta, dovoljno je otklanjati lasersku zraku samo u poprenom smjeru, a da se ipak postigne plono pokrivanje. Stoga se kod ALS u pravilu


primjenjuju jednoosni skeneri. Postoji vie razliitih konstrukcija mehanizama za skeniranje od kojih svaki ima specifinu geometriju skeniranja. Danas se najee upotrebljavaju slijedee konstrukcije: a) Skener s njiuim zrcalom

Slika 36. Skener s njiuim zrcalom princip skeniranja (lijevo), geometrija skeniranja (desno)

b) Skener s rotirajuom prizmom

Slika 37. Skener s rotirajuom prizmom princip skeniranja (lijevo), geometrija skeniranja (desno)

c) Skener s optikim vlaknima (eng. fiber - scanner)


Slika 38. Skener s optikim vlaknima geometrija skeniranja (lijevo), princip skeniranja (desno)

8.2.3.6 Princip obrade ALS podataka

Tijekom leta, ALS prikuplja podatke sa svakog od svojih senzora zasebno, najee u

tzv. sirovom formatu, kako bi se to vie smanjilo vrijeme potrebno za procesiranje i poveala propusnost i kapacitet ALS sustava. Radi objedinjavanja podataka sa svih senzora, izuzetno tona njihova meusobna vremenska sinhronizacija je od najveeg znaaja za tonost cjelokupnog sustava. Objedinjavanje mjerenih podataka se stoga radi nakon leta i obuhvaa slijedee faze:

a) Direktno georeferenciranje mjerenih podataka b) Izjednaenje nizova i kalibracija ALS sustava c) Segmentacija oblaka toaka d) Klasifikacija i filtriranje ALS podataka e) Prorjeivanje podataka (eng. data thinning)

a) Direktno georeferenciranje mjerenih podataka Najprije se raunaju pribline pozicije skeniranih toaka temeljem objedinjenih podataka sa POS (GPS+IMU) senzora i laserskog skenera. Tijekom ove faze raunaju se definitivne koordinate faznog centra GPS antene tijekom leta i objedinjavaju se sa IMU podacima upotrebom kalmanovog filtera. Zatim se prema formuli

LSCALGPST rrrrrrrr

++= raunaju pribline koordinate svake mjerene toke.

b) Izjednaenje nizova i kalibracija ALS sustava

Izjednaenje ALS podataka se provodi u visinskom smislu, minimiziranjem visinskih odstupanja unutar homolognih uzoraka (engl. patches) susjednih nizova. Postupak se provodi automatski, a uzorci se odabiru tako da sadre oko 20-tak mjerenih toaka. Poetni elementi kalibracije sustava se odreuju neposredno nakon instalacije sustava u avion i to linearnim i kutnim mjerenjima. Definitivni se elementi odreuju istovremeno sa izjednaenjem nizova, naroito na odabranim test poljima. Za test-polja se standardno koriste velike ravne, horizontalne povrine (npr. aerodromi, stadioni).


c) Segmentacija oblaka toaka

Radi efikasnije kasnije klasifikacije i filtriranja ALS podataka potrebno je grupirati podatke prema geometrijskim karakteristikama objekta na koji se odnose. Pri tome su presudna dva osnovna kriterija: susjedstvo i morfometrijska slinost. Zbog ogromne koliine podataka u pojedinom skupu, mogue je ovaj postupak provoditi potpuno automatizirano. Budui da se radi o izuzetno kompleksnoj problematici, danas su metode segmentacije oblaka toaka predmet intenzivnog razvoja.

d) Klasifikacija i filtriranje ALS podataka

Openiti zadatak filtriranja je izdvajanje korisnih informacija od neeljenih, a klasifikacijom se korisne informacije razvrstavaju u razrede (klase). Kod topografskih primjena ALS-a se danas najee koriste tri klase: vegetacija, graevine i teren. Ve za vrijeme skeniranja biljei se prijamni signal, digitaliziran u vremenskoj domeni, to omoguava provoenje tzv. first pulse last pulse klasifikacije. e) Prorjeivanje podataka Osnovni problem ALS skupa podataka lei u koliini podataka sadranih u njemu. Time je jako ograniena primjena ovih mjerenja, jer koliina podataka nadilazi kapacitet uobiajene raunalne i softverske opreme. Standardni CAD softver ne moe niti uitati toliku koliinu podataka bez dodatnih softverskih rjeenja (tzv. plug-in ova). Stoga je zadatak prorijeivanja podataka zadrati minimalni skup podataka, koji jo uvijek mogu (ovisno o primjeni) opisati predmet izmjere sa zadovoljavajuom kvalitetom.

8.2.3.7 Primjene ALS-a

U poetku razvoja ALS-a prvenstvena namjena je bila omoguiti kvalitetnu izmjeru podruja, kod kojih je primjena klasinih fotogrametrijskih metoda izmjere oteana ili nemogua. Stoga su prve primjene ALS-a uglavnom bile koncentrirane na topografsku izmjeru umovitih podruja, te podruja s neizraajnom teksturom (npr. pjeane pustinje, podruja pod snijegom i ledom). Napretkom tehnologije ALS-a proirilo se podruje primjene i danas uglavnom obuhvaa prostorno modeliranje, prostornu vizualizaciju i detekciju promjena.

Najei zadaci ALS-a su:

- topografska izmjera - odreivanje visine vegetacije i koliine biomase - izmjera obalnih podruja - praenje erozije, zatita od lavina - izmjera ledenjaka - digitalni modeli gradova - praenje ugroenosti dalekovoda vegetacijom - praenje kubatura kod otvorenih kopova i deponija otpada


9. LASERSKO MJERENJE UDALJENOSTI DO SATELITA

9.1 LASERSKA MJERNA TEHNIKA SLR SLR (eng. Satellite Laser Ranging) je najprecizniji laserski mjerni sustav za mjerenje udaljenosti izmeu Zemlje i opaanog satelita, tj. tehnika mjerenja trenutanog vremena putovanja/leta ultrakratkog laserskog impulsa izmeu Zemaljskog stajalita (laserskog teleskopa) i opaanog satelita (reflektora). Laserski mjerni sustav SLR sastoji se od dva segmenta, a to je: - Zemaljski dio - Svemirski dio

9.1.1 Zemaljski dio laserskog mjernog sustava SLR

Zemaljski dio laserskog mjernog sustava SLR sadri vie komponenti: - Generator laserskog impulsa (laser) - Prijenosni optiki sustav - Laserski teleskop (odailja i prijamnik) - Sustav za detekciju i analizu odaslanog/primljenog signala - Sustav za mjerenje vremena (atomska ura) - Raunalni sustav - Avionski detektor

Slika 39. Shematski prikaz Zemaljskog dijela laserskog mjernog sustava SLR


Zemaljski dio ureaja moe se nalaziti u: - nepominim graevinskim objektima (slika 40.)

Slika 40. Laserski sustav SLR u nepominim graevinskim objektima - pominim (pokretnim) objektima (kontejnerima) (slika 41.)

Slika 41. Laserski sustav SLR u pominim objektima (kontejnerima)


9.1.2 Svemirski dio laserskog mjernog sustava SLR

Svemirski dio laserskog mjernog sustava SLR sastoji se od Zemljinih umjetnih satelita, kao to su Starlette, Lageos 1, Lageos 2, Ajisaji, Etalon 1, Etalon 2, Stella, Ers 1, Ers2, Gps 35, Gps 36, Glonass 40, Glonass 41, Mir, Jason 1, Grace A, Grace B, Galileo...

Slika 42. Stella, francuski geodetski satelit (lijevo) i Jason 1 geodetski satelit (desno)

9.2 RAZVOJNA TONOST SLR Tonost je strogo korelirana s duinom i rezolucijom laserskog impulsa.

Slika 43. Razvojna tonost SLR


9.3 PODRUJA PRIMJENE SLR Navedeni sustav se koristi u: - Geodeziji - Geodinamici - Geodetskoj i fundamentalnoj astrometriji - ... U okviru ovih mjerenja odreuju se geometrijske i dinamike veliine.

9.3.1 Geometrijske veliine

- Odreivanje poloaja (koordinata) i promjene poloaja - Ostvarenje vanjskog referentnog okvira - Odreivanje Zemljinih orijentacijskih parametara - Odreivanje koordinata pola (gibanje polova) - Odreivanje varijacije Zemljine rotacije

9.3.2 Dinamike veliine

- Odreivanje varijacije Zemljinog polja sile tee i satelitskih orbita - Istraivanje dinamike Zemlje/atmosfere/oceana - Odreivanje vremenskih redistribucija masa atmosfere, hidrosfere i vrste Zemlje - Neposredno odreivanje topografije oceana - Dugorono praenje promjena morskih i ledenjakih razina - ...

9.3.3 Prednosti i nedostatci SLR

a) Znaajne prednosti - Potencijalno vrlo visoka tonost - Dugovjeni sateliti bez aktivnih elemenata - Transportabilni i mobilni sustavi b) Mogui nedostatci - Mjerenja jako ovise o vremenskim prilikama - Visoka cijena gradnje i veliina Zemaljskog segmenta


10. LASER U KOMBINACIJI S GPS-om

Rad na terenu zahtijeva mnoge vjetine, te se terenske ekipe suoavaju s mnogo

razliitih problema, pogotovo ako se radi o prikupljanju podataka za GIS. U dananje vrijeme bez upotrebe GPS-a to ne bi bilo mogue, ali opet takav nain prikupljanja podataka ima ogranienja. esto puta signal satelita je blokiran i to najee zbog drvea, visokih zgrada i nebodera, a klasini GPS ureaj rauna poziciju centra antene, to znai da se na takvim mjestima gdje je signal blokiran ne moe mjeriti. U takvim sluajevima moe se upotrijebiti ureaj koji je dodatak GPS-u, a zove se Encoder.

Prednost mjerenja sa Encoder ureajem u kombinaciji s GPS-om: - Lake prikupljanje podataka u neprijateljskom okruenju - Vea sigurnost mjerenja na opasnim mjestima - Smanjuje vrijeme mjerenja (odlazak do detaljne toke) - Smanjuje broj osoba koje su potrebne prilikom mjerenja - tedi vrijeme i novac

Koordinate detaljnih toaka mogu se dobiti bez potrebnih dodatnih mjerenja

upotrebom lasera koji se nalazi u Encoderu. Instaliranjem lasera i elektronikog kompasa (koji osiguravaju duinu, inklinaciju i azimut) u GPS ureaj, dobije se ureaj koji znaajno olakava posao na nain da se fiziki ne mora stati na toku koja se eli snimiti. To omoguava ostanak na jednom mjestu i snimanje svih potrebnih detaljnih toaka do kojih se ne moe doi s GPS-om.

Poslovi u kojima je vrlo vana pomo Encoder ureaja u kombinaciji s GPS-om:

- Snimanje detalja na nepristupanim terenima - Sigurno mjerenje u blizini prometnica - Mjerenje na pozicijama gdje nema GPS signala - Mjerenje toaka na privatnim zemljitima na koje se ne moe ui - ...

Trenutano postoje dva osnovna tipa Encoder ureaja, a vano je napomenuti da oba

tipa ureaja koriste laserski daljinomjer za mjerenje duina.

a) MapStar Angle Encoder - (MSAE) - ureaj za kodiranje kutova MSAE rauna horizontalne kutove izmeu stajalita i opaane detaljne toke. Te

dodatne informacije daju poloaj detaljne toke odnosno sve tri koordinate X, Y i Z. U kombinaciji s GPS-om, MSAE daje tonost od +/- 0.1. Najznaajnija funkcija tog urea je to ga ne pogaa lokalna magnetska smetnja.


Slika 44. MapStar Angle Encoder

b) MapStar Compas Modul II - (MSCM II)

MSCM II ureaj rauna azimut prema referentnom magnetskom sjeveru, odnosno prema korisniki definiranim koordinatama. Ta vrijednost azimuta je zatim uklopljena s duinom, na temelju ega se raunaju potrebne koordinate X, Y i Z. Kombiniranjem ovog sustava s GPS-om moe se dobiti tonost od +/- 0.3 za raunanje poloajnih koordinata. Ova nova generacija elektronikih kompasa zahtjeva kalibraciju da bi se prilagodila lokalnom magnetskom polu, to traje 60 sekundi.

Slika 45. MapStar Compas Modul II


LITERATURA

Beni, D. (1990.): Geodetski instrumenti, kolska knjiga, Zagreb. Deumlich, F., Staiger, R. (2002.): Instrumentenkunde der Vermessungstechnik, Herbert

Wichmann Verlag, Heidelberg. Fialovszky, L. (1991.): Surveying instruments, Akadmiai Kiad, Budapest. Gajski, D. (2007.): Osnove laserskog skeniranja iz zraka, Ekscentar no. 10, Zagreb, str. 16. -

22. Kahmen, H. (1977.): Elektronische Meverfahren in der Geodsie, Herbert Wichmann

Verlag, Karlsruhe. Macarol, S. (1961.): Praktina geodezija, Tehnika knjiga, Zagreb. Miler, M., apo, A., Kordi, B., Medved, I. (2007.): Terestriki laserski skeneri, Ekscentar

no. 10, Zagreb, str. 35. 38. Paar, R., Marendi, A. (2007.): Odreivanje visina GPS-om u kombinaciji s laserskom

tehnologijom, Simpozij o inenjerskoj geodeziji, Zbornik radova, Beli Manastir, str. 243. 250.

poljari, D. (2006.): Posebne metode geodetske astronomije, Sveuilite u Zagrebu, Geodetski fakultet, interna skripta.

POPIS URL-ova:

URL 1. Leica Geosystems, http://www.leica-geosystems.com, (16.6.2008.).

URL 2. Topcon Total Stations, http://www.topconpositioning.com, (07.5.2008.).

URL 3. Sokkia - Europe, http://www.sokkia.net/eu-index.html, (15.2.2008.).

URL 4. GeoWILD, http://www.geowild.hr, (22.4.2008.) URL 5. Geomatika Smolak, http://www.geomatika-smolcak.hr, (18.3. 2008.)

primjena laserskih ure Đaja - geof.unizg.hrzlasic/primjena_laserskih_uredaja.pdf · - obra...

Documents