Kun RIEGL Laser Measurement Systems esitteli uusimman maalaserskannerinsa tuotenimellä VZ-600i, niin siitä tuotiin esiin kolme pääkohtaa. RIEGL VZ-600i on
1) Staattinen maalaserskanneri, joka mittaa 0,5 m – 1000 m etäisyyksiä jalustalle sijoitettuna. Skannerin mittauksen tarkkuusarvot kerrotaan seuraavasti:
- Etäisyysmittauksen tarkkuus 5 mm@100 m (1 sigma)
- 3D-sijaintitarkkuus 3 mm@50 mm ja 5 mm@100 m (1 sigma)
- Etäisyysmittauksen toisto tarkkuus 3 mm@100 m (1 sigma)
2) Teollisuusmittauksen soveltuva staattinen laserskanneri
- Etäisyysmittauksen toistotarkkuus 1 mm@100 m (1 sigma)
3) Kinemaattinen eli mobiili laserskanneri
Laser – etäisyysmittaus ja kulmamittaus – toimii kinemaattisessa mittauksessa yhtä tarkasti kuin staattisessakin, mutta virhebudjettiin täytyy nyt lisätä muitakin tekijöitä. Pistepilven sijaintitarkkuus saadaan reaaliaikaisesta RTK-mittauksesta mutta lopputuloksen tarkkuuteen vaikuttaa myös esimerkiksi skannerin sisäinen IMU, mittausalusta ja laskenta-algoritmi, jossa hyödynnetään myös laserin mittaustarkkuutta.
- Kinemaattisessa mittauksessa skanneri voidaan asentaa myös RIEGLin automaattiseen VMR raidemittausjärjestelmään
- Myös muut robottimittausalustat voidaan hyödyntää ROS2-ajurien avulla
Talvella aloimme esittelemään pikkuskanneria staattisten maalaserskannerien perinteisellä käyttötavalla eli jalustalta yksittäisiä asemia mitaten. VZ-600i:n edeltäjiä on voinut kaiken aikaa käyttää myös kinemaattisessa mittauksessa ja olemmekin myyneet muutamia tällaisia skannausjärjestelmiä RIEGL VMZ-nimikkeellä. Seuraavaksi vuorossa oli VZ-600i -skannerin käyttö kinemaattisena skannerina ja tarkempi perehtyminen sen ominaisuuksiin tässä käytössä.
Raitiolinja 13 – kinemaattinen/mobiili/liikkuva laserskannaus
Muutaman pienen kokeilun jälkeen saimme tilaisuuden mitata avoimen tilan ulottuvuuden (ATU) Helsingin uusimmalla raitioväylällä 13. Tätä kirjoittaessa raideliikenne on jo koeajossa, mutta keväällä lumien sulaessa rakennustyö oli vielä kesken.
Raitiolinja 13 on noin 4,5 km pitkä ulottuen Nihdistä Pasilaan, joten se on ihan sopivan kokoinen projekti kinemaattiselle mittaukselle, jossa maksiminopeus on 10 km/h. Tällöin skanneri pyörii 3D-mittausmoodissa. Mittausta teimme siis noin 9 km eli koko linja kahteen suuntaan. Jos skannerilla mittaa 2D-profiileja, niin maksiminopeus on 15 km/h. Koska olemme RIEGL VMX-skannerien myötä tottuneet mittamaan liikenteen tahdissa kevyesti jopa 120 km/h nopeudella, niin edessä oli taas erilainen kokemus.
Mittaus tehtiin kahdessa osassa, koska linja jakautuu eri rakentajien kesken. Osuus Nihdistä Mäkelänkadulle mitattiin ensin ja skanneri asennettiin kiskoilla liikkuvaan mönkijään. Laadun varmistamiseksi mittasimme kiskot molempiin suuntiin ja ajo/skannaus yhteen suuntaan kesti 30 minuuttia.
Jälkimmäinen osuus käsitti sitten raitiotieosuuden Mäkelänkadulta Pasilaan ja tällä kertaa skanneri oli asennettu sähköauton katolle. Koko mittaus oli valmis noin 20 minuutissa eli supernopeasti. Pasilan osuus oli jo käytössä, joten turvallisuussyistä mittaus tehtiin tällä kertaa yöllä.
Molempien mittausten jälkeen aineisto prosessointiin RIEGL RiSCAN PRO-ohjelmassa, johon nyt nyt uuden skannerin myötä integroitu kinemaattiseen aineiston prosessointimoduuli. Näin vältytään ohjelman vaihtamiselta, sillä muut RIEGLin muiden kinemaattisten skannerien aineistot eli ilma-, drooni- ja maan pinnalla mittaavat 2D-skannausjärjestelmät, prosessoidaan RiPROCESS-ohjelmistossa. VZ-600i-laserskannerin 3D-aineisto on kuitenkin lähtökohtaisesti erilaista kuin muiden Rieglin kinemaattisen skannerien, joten prosessointiohjelmisto on vaatinut lisäkehitystä. Tästä kehittämistyöstä kerrotaan hieman enemmän tämän kirjoituksen lopussa.
RIEGL VZ-600i-laserskannerin kinemaattinen aineistoa näkyy alla olevassa kuvassa. Sen laatu on yllättänyt meidätkin positiivisesti, mutta kun trajektorilaskenta on saatu kuntoon, niin RIEGLin skannereiden tunnusomainen erinomainen laserteknologia näyttää vahvuutensa.
Tässä ATU-alueiden raitiotiemittauksessa aineiston suhteellinen tarkkuus oli etusijalla, sillä ATU-analyysissa selvitetään, osuuko raitiovaunun tielle mitään rakenteita tai vaikkapa kasvillisuutta. Kaarteissa täytyy huomioida radan kallistuminen ja myös raitiovaunun nopeudella on merkitystä ATU-alueen ulottuvuuksiin. Radan rakentamisen jäljiltä reitillä oli kuitenkin näkyvissä mittausperustan pisteitä, joista luotimme kiinteissä rakenteissa kuten rakennusten julkisivuissa ja kallioissa sijaitseviin pisteisiin. Sen sijaan sähkö- ja valaisinpylväissä sijaitsevat pisteet ovat ajan myötä epäluotettavia, koska nämä rakenteet liikkuvat monivuotisten projektien aikana.
Iloksemme huomasimme, että RTK-paikannettu aineisto istui mittausperustaan hyvin kiintopisteiden ollessa noin tuuman sisällä ja virheen ollessa saman suuntainen. Sisäisesti tarkempi aineisto olisi siis tarvittaessa helppo kalibroida vielä tarkemmin paikoilleen. ATU-alueiden tarkastelussa raitiovaunun profiilia varoalueineen kuljetetaan pistepilven läpi ja hyvää suhteellista tarkkuutta tarvitaan erityisesti pysäkkien kohdalla. Kiveykset on rakennettu lähes kiinni vaunujen viereen niin, ettei kukaan pääse putoamaan väliin. Iso-Britanniassa vierailleet tunnistanevat kuuluisan ”Mind the Gap” käsitteen raideliikenteessä.
Taustaa RIEGL VZ-600i -laserskannerin kinemaattiselle prosessoinnille
Käytännön selvityksen jälkeen on syytä käydä läpi millainen ajatusmaailma VZ-600i -laserskannerin kinemaattisen mittauksen taustalla on ja millaista kehitystyötä RIEGL on joutunut tekemään saadakseen aineistosta näinkin tarkkaa. Muistutetaan siis lukijaa: tämän skannerin kohdalla staattisesti skannatessa aineisto on tarkempaa kuin kinemaattisessa mittauksessa.
Kinemaattisen mittauksen kohdalla VZ-600i-laserskannerin suurin heikkous on sen heikko (ja halpa) inertiamittausyksikkö (IMU). Rieglin kinemaattisten skannerit integroidaan tyypillisesti laadultaan huomattavasti parempien INS-GNSS-järjestelmien kanssa, jolloin liikeradasta saadaan parempi ja siten koko pistepilviaineistosta kaikin tavoin laadukkaampi. Mitä halvempi IMU, sen huonolaatuisempi aineisto on se tyypillinen tarina.
Tästä syystä ns. tyypillisellä kinemaattisten aineistojen prosessoinnilla VZ-600i-laserskannerin aineistosta ei saada kovin hyvää, vaikka sen laserkomponentti olisi hyvin tarkka. Myöskään SLAM-teknologia ei RIEGLin mielestä tarjoa vastausta paremman tarkkuuden saavuttamiseksi. Itävallan tutkimuksen edistämisen virasto rahoituksella yhteistyössä Wienin teknisen ylipiston kanssa aloitettiinkin trajektorin laadun parantamiseen keskittyvä projekti, jonka hedelmistä nautimme nyt ja tulevaisuudessa kaikkien Rieglin kinemaattisten laserskannerien aineistojen prosessoinnissa. Pelkistettynä ajatus on robotiikasta tuttu kokonaisvaltainen menetelmä GNSS-, IMU- ja LiDAR-tietojen integroimiseksi, joka perustuu kaikkien mittaustietojen samanaikaiseen mukauttamiseen tarkan liikeradan ja siten pistepilven saamiseksi.
Käytännössä skannereissa tehdään anturitason virhemallinnus, joka puolestaan mahdollistaa inertiasensoreiden virhekomponenttien (esim. kiihtyvyysanturin ja gyroskoopin virheisen) luotettavamman arvioinnin. Tämän seurauksena jopa edullisia inertiasensoreita voidaan käyttää niin, että lopulliset tiedot ovat tarkkoja. Koko menetelmä perustuu siis virheiden tarkkaan tunnistamiseen, mallintamiseen ja niiden eliminointiin mittaustapaa myöten. Tästä syystä skannerissa kannattaa esimerkiksi käyttää mittauksen aikana mielellään vuorottelevaa kiertokuviota. Skanneri pyörii tietyllä nopeudella tietyn ajan ja vaihtaa sitten pyörimissuuntaa.
RIEGL VZ-600i -laserskannerissa kinemaattisen mittauksen voi myös nähdä klassisen stop-and-go -laserskannauksen työnkulun laajennuksena. Stop-and-go -aineiston hankinnassa laserkeilain asennetaan moottoroidulle alustalle, mutta tiedonkeruu suoritetaan vain alustan ollessa paikallaan. Nyt täydennetään tällaista stop-and-go-työnkulkua. Sen sijaan, että tietoja kerättäisiin vain pysäytysvaiheen aikana, lisätietoja voidaan kerätä myös liikkeellelähtövaiheen aikana. Lisäksi tarkempana pidettyä staattisesti mitattua pistepilveä voidaan myös käyttää rajoittamaan kinemaattista pistepilveä ja siten auttamaan liikeradan arvioinnissa. Toisaalta kinemaattisesti mitattujen pisteiden lisääminen johtaa tiheämpään ja yksityiskohtaisempaan lopulliseen pistepilveen ja auttaa täyttämään puuttuvat tiedot, jos kohteet ovat peittyneitä ja jos niitä ei ole havaittu näkyvissä staattisista skannauspaikoista.
Mutta millaisiin tarkkuuksiin RIEGL VZ-600i -laserskannerin kinemaattisella mittaustavalla voi saavuttaa? Edellä mainitussa artikkelissa on saavutettu RMSE-tarkkuus on jatkuvasti parempi kuin σ = 5 mm tasaisilla pinnoilla. Muilla alueilla RMSE on 3,6 cm. Mutta laskennan kehitys jatkuu edelleen. Näin ollen odotammekin tuloksia mielenkiinnolla myös RIEGLin kinemaattisessa prosessointiohjelmassa RiPROCESS, mitä työtä tuore artikkeli valaisee mielenkiintoisesti. Tässä kehityksessä olemme myös siinä ikuisuuskysymyksessä, mikä on fyysisen laitteen ja ohjelmiston keskinäinen suhde. Tehokkaimmissa laitteissa ohjelmisto on näet tiukasti integroitu laitteeseen tehostaen sen käyttöä.
Kiinnostuitko laserskannereistamme? Toimistomme sijaitsee Helsingin Kulosaaressa ja työmaamme kaikkialla Suomessa, Virossa ja Ruotsissa. Ota yhteyttä ja saavu paikan päälle, niin kerromme lisää.
