Büyük Ölçekli Harita Üretiminde LiDAR ve Ortofoto

Büyük Ölçekli Harita Üretiminde
LiDAR ve Ortofoto
Prof. Dr. Ferruh YILDIZ
Selçuk Üniversitesi
Ders İçeriği














LiDAR Nedir?
Kullanım Şekilleri
Bileşenleri
Çalışma Prensibi
Özellikleri
LAS
Çoklu Dönüş
Çoklu Sinyal
İşlem Adımları
Doğruluğu
Elde Edilen Ürünler
Kullanım Yerleri
Avantaj ve Dezavantajları
Tez Konusu Kapsamında Yapılması
Planlananlar
LiDAR Nedir?
Light Detection And Ranging
Işığı Algılama ve Mesafe Ölçme
Lazer Tarama ile 3B Veri (Nokta) Toplama
Kısa sürede, istenilen yoğunlukta ve yüksek doğrulukta
yükseklik (topoğrafya) verisi toplamak için kullanılan bir
uzaktan algılama sistemidir.
Hızlı ve doğru Sayısal Yükseklik Modelleri (SYM-DEM)
üretmek için veri toplayan, üç teknolojinin (Lazer, GPS,
IMU) birleştiği bir sistemdir.
Kullanım Şekilleri
 Havadan (Airborne) Tarama
Uçak veya helikoptere monte
edilerek geniş alanlar ve koridorlar
kolayca taranarak SYM’leri toplanır.
Topoğrafik
Geniş Alan
Batimetrik
Koridor Haritalama
 Yersel (Terrestial) Tarama
Bina röleve alımları, restorasyon,
arkeoloji, çevre düzenleme,
madencilik gibi alanlarda total station
cihazı gibi (sabit olarak) kullanılır.
 Mobil Tarama
Kara ve deniz araçları üzerine monte
edilerek hareketli lazer taraması ile
çevre düzenleme, bina alımı, tünel,
nehir yatağı gibi alanlarda kullanılır.
Kullanım Şekilleri
Kullanım Şekilleri
Geniş Alan Sistemi
Koridor Haritalama Sistemi
Sabit Kanatlı Uçak
Helikopter
Daha yüksekten veri toplama
(2000-3000 m.)
Daha alçaktan veri toplama
(< 1000 m.)
Geniş şerit genişliği
Dar şerit genişliği
Daha az nokta yoğunluğu
(m² de ≤ 2)
Daha çok nokta yoğunluğu
(m² ≥ 10)
Daha düşük doğruluk seviyeleri
Daha yüksek doğruluk
seviyeleri
Düşük sinyal oranı
Yüksek sinyal oranı
Daha fazla yer kontrol noktası
Daha az yer kontrol noktası
Daha pahalı
Daha ucuz
Daha az detaylı topoğrafya ve
detay bilgisi
Daha detaylı topoğrafya ve
detay bilgisi
Bileşenleri
GPS
GPS uydu triangülasyonu ile uçağın
konumu 0.1 sn. de bire kadar ölçülür.
TARAYICI
Veri toplar/tarar
IMU
Her 0.002 sn.de bire kadar uçağın
konumu ve dönüklük açıları da ölçülür.
Yer kontrol noktası (GPS)
Konumu bilinen yer noktasına
bağlı olarak uçağın konumu 0.1
sn. de bire kadar ölçülür.
Bileşenleri

Lazer Tarayıcı
• Mesafe Ölçümü
• Sinyal Gönderme ve Alıcı Birimi
• Dönen ayna

GPS
• Konumlama ve zaman bilgisi
• Platformda ve yer kontrol noktasında

IMU (Ataletsel Ölçü Birimi)
• Açısal Ölçüm (Dönüklükler ve Eğiklik)
• Konumlama

Platform
• Uçak-Helikopter
• Hareketli bir araç
Bileşenleri

Yazılım
• Planlama
• Uçuş Yönetim Sistemi
• Veri İşleme

Bilgisayar ve Depolama Birimi
• Sistemin Kontrolü

İlave Sensör (opsiyonel)
• Sayısal Kamera
- Fotoğraf
* Dik
* Eğik
- Video
* Normal görüntü
* Kızıl ötesi
Çalışma Prensibi

Lazer bir optik sinyal (ışın, pulse) üretir ve bunu
gönderir.

Sinyal bir nesneye çarparak geri yansır ve alıcıya geri
döner. Bazı sinyaller için birden fazla dönüş olur.

Dönen her sinyalin şiddeti (intensity, nesnenin sinyali ne
kadar geri yansıttığı) kaydedilir.

Alıcı sinyalin seyahat süresini hassas bir şekilde ölçer.

Işığın hızı bilindiğinden seyahat süresi mesafeye çevrilir.
Çalışma Prensibi



Mesafe, lazerin tarama açısı,
lazerin
konumu
(GPS)
ve
yöneltmesi (IMU) bilindiğinden,
her bir lazer sinyali için doğru
x,y,z yer koordinatları (nokta
bulutu) hesaplanır.
Bu arada eğer isteniliyorsa,
proje alanının sayısal fotoğrafı
veya video görüntüsü de çekilir.
Ofiste veri işleme yazılımları ile
nokta
bulutu
bir
takım
işlemlerden geçirilerek kaba
hatalar ayıklanır ve filtreleme
gibi
işlemlerle
veri
kıymetlendirilerek
istenilen
sonuç ürün elde edilir.
GPS Uyduları
GPS
Baz İstasyonu
Özellikleri




x,y ve z koordinatları oldukça doğru (dm. seviyesinde)
olarak bilinen, çok sayıda nokta elde edilir.
Aktif sistemdir.
Çalışmak için güneş ışığına ihtiyaç duymadığından gece
de veri toplanabilmektedir. Ancak sistem kötü hava
koşullarından (bulut, yağmur, sis vb.) etkilenmektedir.
Veri toplama sırasında sayısal fotoğraf veya video
çekimi yapılabilmektedir. Böylece aynı anda bölgeye ait
ortofoto üretme imkanına da sahip olunmaktadır. Ayrıca
çekilen görüntüler verilerin işlenmesi esnasında
yardımcı kaynak olarak da kullanılmaktadır.
Özellikleri

Nesnelerden aynı sinyal için “Çok Sayıda Geri Dönüş
(multiple returns)” alınabilmektedir. Böylece daha
detaylı veri toplanmaktadır.

“Çok Sayıda Sinyal (Multiple Pulse in the Air, MPiA)”
özelliği bulunmaktadır.

Piyasada mevcut sistemler;
- 200-5.000 m. arasında değişen uçuş yüksekliklerinden,
- Saniyede 20.000-500.000 sinyal yayarak,
- 0.1- 5 m. arası değişen nokta sıklığında,
- 1°- 75° tarama açısı ile ve
- dm. seviyesinde mutlak yatay ve düşey doğruluklarda
veri toplayabilmektedir.
Özellikleri

LiDAR ile toplanan veriler, LAS veya ASCII
formatındaki dosyalarda depolanırlar ve transfer
edilirler.

RADAR sistemi ile benzer özellikte olup, farklı olarak
elektromanyetik spektrumun kızıl ötesi (infra-red, 1064
nm) bölümü kullanılmaktadır.

Farklı yüzeyler, kızıl ötesi ışınları farklı şekilde
emdiklerinden, alıcının kaydettiği şiddet değerinden
yüzeyin
tipi
veya
kimyasal
yapısı
da
belirlenebilmektedir.
Özellikleri

Sistem denizlerde 50m ye kadar su altı topoğrafyası
(marine DEM) üretimi için kullanılabilmektedir
(Batimetrik LiDAR). Ancak bu durumda yer için
kullanılan LiDAR teknolojisinin farklı bir versiyonu
(kullanılan dalga boyu, frekansı vb.) kullanılmaktadır.

Geliştirilen algoritmalar ile veri işleme için otomatik
çözümler sağlanmaktadır.

Pek çok uygulama için, geleneksel arazi çalışmaları ve
klasik fotogrametrinin yerini alacak bir sistemdir.
Özellikleri
Münhanilerden üretilen
10 m. çözünürlüklü SAM
LiDAR verisinden üretilen
0.6 m aralıklı münhani
LiDAR verisinden üretilen
3.6 m. çözünürlüklü SAM
30 m SAM’dan üretilen 3 m
aralıklı münhani
Özellikleri
2 m. çözünürlüklü LiDAR SYM
50 cm. çözünürlüklü LiDAR SYM
1 m. çözünürlüklü LiDAR SYM
25 cm. çözünürlüklü LiDAR SYM
Veri Doğruluğu
LiDAR’dan elde edilecek sonuç ürün doğruluğunu
etkileyen faktörler:
– GPS, IMU ve lazerin doğası gereği bulunan doğruluk
sınırlamaları
– Kullanılan sistemin doğruluğu
– Uçuş planlama ve uçuş koşulları (Uçuş hızı,
yüksekliği, tarama açısı, sinyal frekansı)
– Atmosferik etkiler
– Arazinin engebeliği
– Bitki örtüsü
– Yer Kontrol Noktası Sayısı ve Dağılımı
Veri Doğruluğu
Literatürde geçen, yapılan çeşitli çalışmalar sonucunda
elde edilen örnek doğruluk değerleri:
Mutlak Düşey Doğruluk:
+/- 0.15 m, Sert yüzeyler ve açık düzgün arazi için
+/- 0.25 m, Yumuşak/Bitki örtülü yüzeyler (düz veya eğimli arazi)için
+/- 0.30 - 0.50 m, Yumuşak/Bitki örtülü yüzeyler (tepelik arazi) için
Mutlak Yatay Doğruluk:
+/- 0.50 - 0.75 m, Aşırı derecede tepelik arazi için
LAS

LiDAR ham verisini (nokta bulutu) depolama ve değişim
formatı; “Log ASCII Standart (LAS)” dosya formatıdır.

LAS binary ve açık bir endüstriyel formattır.

Veri değişimi için ASCII format da kullanılmaktadır.
Ancak LAS formatı standart bir format iken veri değişimi
için tanımlanmış standart bir ASCII format yoktur.

Bir dosya milyonlarca kayıt
içerebildiğinden
dosya
boyutu çok büyük olur.

1 km² lik alan için 1 m.
çözünürlüklü ham veri içeren
dosya ~ 30 MB.
LAS
LAS dosya içeriği 3 bölümden oluşur:
 Başlık Bloğu
 Değişken Uzunluklu Kayıtlar
 Noktalara Ait Veriler;
- nokta koordinatları (x,y,z),
- dönen sinyalin şiddeti (intensity),
- dönüş sayısı ve kaçıncı dönüş olduğu,
- LiDAR’a özgü diğer öznitelikler (uçuş hattı, yüzey
kategorisi vb.)
Sinyal Şiddet Görüntüsü (Intensity Image)
LiDAR’da alıcı birim, dönen sinyalin dönüş zamanı ile birlikte,
sinyalin şiddetini (intensity) de kaydeder. Bu değer sinyalin geri
yansıdığı nesnenin, sinyali ne kadar geri yansıttığını (örn,
karanlık yüzeyler daha az), yani yüzeyin ışığı ne kadar emdiğini
gösterir. Bu veri, nesne yüzeyinin özelliğini ayırt etmede
kullanılabilecek bir bilgidir.
Sinyalin şiddet değerinden yararla,
düşük çözünürlüklü siyah-beyaz hava
fotoğrafı görünümünde gri tonlamalı
görüntüler elde edilir. Konumlandırılmış
sinyal şiddet görüntüleri;
- veri işlemede yardımcı kaynak,
stereo
çiftler
oluşturularak,
üzerinden kırıklık hatları ve planimetrik
detay toplama (Lidargrammetry)
- LiDAR verisinin kalite kontrolü
- yüzeylerin kimyasal özelliklerini
tespit etme
Çok Sayıda Dönüş (Multiple Returns)
Lazer
altimetresinin
eski
versiyonlarında, sinyalin ilk çarptığı
nesneye olan mesafe ölçülmekteydi.
Son çıkan sistemlerle birlikte, her bir
sinyalin eğer varsa 1., 2., 3. ve son
olarak da 4. dönüşü yakalanmaktadır.
Bu sistemlerde lazer sinyalinin çapı
büyütülmüştür. Eğer bu geniş sinyal
birden fazla nesneden geriye yansırsa,
bu nesnelerin hepsine birden olan
mesafeler kaydedilir.
Çok sayıda dönüş, yer üstünde
bulunan nesneleri (ağaç, bina vb.) tespit
etme
ve
SYM-SAM
üretimi
çalışmalarında faydalıdır.
Bu uygulama çoğunlukla bitki örtüsü
ile
ilgili
çalışmalarda
kendini
göstermektedir.
Çok Sayıda Dönüş
ilk alınan sinyal
son alınan sinyal
Çok Sayıda Dönüş
Full
Filtered
st
rd
14th
Returns
Returns
2
3nd
Returns
Vegetated
GroundROW
Set
Çok Sayıda Dönüş
Yoğun ormanlık alanda, SAM
İlk dönüşler
İlk ve son dönüşler
Çok Sayıda Sinyal (Multi Pulse in Air, MPiA)

Yüksek sinyal oranlarında (örn. 500 kHz.) veri toplamak
istendiğinde, ışığın hızından dolayı max. uçuş
yüksekliği sınırlanır.

Bu soruna çözüm olarak son çıkan sensörlerde MPiA
teknolojisi bulunmaktadır.

MPiA ile sensörden birden fazla sinyal yayılmasına
olanak sağlanarak, yüksek irtifalarda yüksek sinyal
oranlarında veri toplanabilmektedir.

Tek Sinyal (single pulse) yerine, çift sinyal (örn. 2x250
kHz.) gönderilmekte, böylece sn. de yayılan sinyal
sayısı örneğin iki kat artmaktadır. Bu durumda objeden
yansıyan sinyal geri gelmeden ikinci sinyal gönderilir.
Kullanımı
Projeden beklenen veri doğruluğu, veri sıklığı
(ayrıntı) ve istenen sonuç ürün, hangi tip LiDAR sistemi
ile veri toplanacağını belirler.
Bir LiDAR projesinden beklenen amaca maliyet etkin
şekilde ulaşabilmek için, aşağıdaki parametreleri en
optimum şekilde belirlemek gerekir. Sonuçta ne az
sayıda ne de gereksiz olarak fazla sayıda nokta elde
etmek gerekir:
• Uçuş yüksekliği ve hızı
• Sinyal oranı (tarama frekansı)
• Tarama açısı
• Sinyal dönüş sayısı
• Uçuş hatlarının bindirme oranı
Nokta
yoğunluğu
(m² nokta
sayısı)
Kullanımı
Sinyal frekansı ↑ Uçuş yüksekliği ↓
Tarama açısı ↑ Uçuş yüksekliği ↑ Sinyal frekansı ↓
Daha yüksekten uçtukça;
- sinyal frekansı azalır
- tarama açısı artar
- nokta yoğunluğu azalır
- doğruluk değerleri düşer
Dağlık bir arazide LiDAR gölgelemesini
indirgemek için dar tarama açısı tercih edilir.
en
aza
LiDAR ile Elde Edilen Ürünler
Nokta Bulutundan yararla;

Sayısal Arazi Modeli (DTM)

Sayısal Yüzey Modeli (DSM)

3-B detay (bina, tel, ağaç vb.) çıkarımı

Sinyal Şiddet Görüntüsü (Intensity Image)

Arazi Kullanım/Arazi Örtüsü Haritası

TIN

Eş Yükselti Eğrileri (Contours)

Kırıklık Hatları (Breaklines)

Denizaltı Topoğrafyası (Batimetry)
Kullanım Yerleri
• Geniş alanlar için hassas SAM ve SYM üretimi
• Koridor Haritalama (ENH, boru hattı vb. güzergahı)
• Arazi Kullanım/Örtüsü Haritası (Sınıflandırma)
• Doğal kaynakların yönetimi
• Ormancılık
• Şehir modelleme
• Ortofoto üretimi
• Taşkın/sel riski haritalama
• Yol, demiryolu vb. inşa projeleri
• Yerleşim yeri planlama, altyapı ve kalkınma projeleri
• Sahil bölgesi/kıyı haritalama ve izleme
• Batimetri, gemi enkazı bulma, denizaltına kablo döşeme
• Afet önleme ve değerlendirme,
• Değişikliklerin Tespiti, vb.
LiDAR geleneksel harita üretim tekniklerinin yerini almaz, onları
bütünler, tamamlar !
LiDAR İşlem Adımları

Planlama
- Uçuş Hatları, Uçuş Yüksekliği ve Hızı
- Bindirme Oranları
- Lazer Tarama Parametreleri
- Arazi Yüksekliği, Bitki Örtüsü, Uygulama Amacı

Veri Toplama
- Sistemin Kalibrasyonu
- Yer Kontrol Noktası(ları)
- Uçuş

Veri İşleme (Process)
- Ön-işlemler
- Filtreleme
- Akıllı/Otomatik ve Manuel Editleme
- SYM ve SAM üretme
- İstenilen bilgileri (bina, ağaç vb.) veriden çıkarma/toplama

Kalite Kontrol
Veri İşleme
Ham LiDAR verisinde (nokta bulutu) düzensiz aralıklı,
milyonlarca nokta (X,Y,Z) vardır. Veri içerisinde hatalı geri
yansıma değerleri bulunmakta, kullanıcının sonuç
üründe olmasını istemediği nesneler yer almakta, yer
noktaları ile yerde olmayan noktaların (nesnelerin) çok
sayıda dönüşleri birlikte yer almaktadır.
Bu verinin ticari CBS yazılımlarında doğrudan analiz
amaçlı kullanımı uygun olmadığından veri toplamanın
ardından, verilerin işlenmesi gerekmektedir. Veri işleme
nokta bulutu içerisinden istenilen yararlı bilgileri elde
etmek için de gerekmektedir.
Veri işleme zaman, iş gücü, tecrübe ve güçlü
bilgisayarlara ihtiyaç gösteren zor bir iştir. Günümüzde
bu işlemleri hızlı bir şekilde otomatik olarak yapan
algoritmalar geliştirilmektedir.
Veri İşleme
LiDAR
Ön İşlemler
Nokta bulutu veri işleme
için hazırlanır. Genelde veri
sağlayıcı tarafından yapılır:
- GPS ve IMU ölçümlerinden
yararla gerçek dünya
koordinatlarına
dönüşüm/konumlandırma
- Uçuş hatlarındaki
bindirmelerin kaldırılması
YAZILIMI
Veri İşleme
SAM, SYM ve istenilen bilgiler
elde edilir.
- Filtreleme (Yerden ve yerden
olmayan dönüşlerin ayrılması)
▪ Otomatik (algoritmalarla)
▪ Manuel editleme
- SAM ve SYM üretimi
(enterpolasyon)
- Gürültü filtreleme
- Yararlı bilgilerin (ağaç, bina
vb.) çıkarılması
- Bölümleme (tiling)
- Format dönüşümü
Veri İşleme
Bölümleme
SYM
SAM
Lidargrammetry
Lidargrammetry veri toplama maliyetlerini azaltmak ve
üretilen verilerin doğruluğunu arttırmak için ortaya çıkmıştır.
Amaç, başka bir görüntüye ihtiyaç duymadan stereo olarak
mevcut fotogrametrik sistemlerde veri toplamaktır.
Lidargrammetry;
- Daha hassas ve doğru sonuç ürünler elde etmek,
- Lidar verisinin kalite kontrolünü yapmak,
- Stereo ortamda arazi kırıklık hatları ve planimetrik detay
toplamak üzere kullanılır.
Lidargrammetry
Bunun için klasik fotogrametride yapılanın
tersine; nokta bulutunun (X,Y,Z ve şiddet
değerleri) ilk sınıflandırmasının ardından 2
boyutlu
sinyal
şiddet
görüntüleri
oluşturulmakta, bu görüntülerden istifade ile
elde edilen yapay stereo çiftleri mevcut
fotogrametrik kıymetlendirme bilgisayarlarında
stereo görüşle kıymetlendirilmektedir. Böylece
ilave hava fotoğrafı çekimine gerek kalmadan,
LiDAR verilerinden stereo ortamda detay
toplanabilmektedir.
Bu konuda GeoCue firmasının geliştirdiği bir
yazılım bulunmaktadır.
LiDAR Avantajları
 Hızlı, verimli ve maliyet-etkin bir sistemdir.
 Çok daha doğru ve detaylı/ayrıntılı yükseklik modeli
elde edilir.
 Kullanıcıya esneklik sağlar. LiDAR ile toplanan veri çok
yönlüdür. Çok sayıda ve çeşitlikte kullanım alanı
bulunmaktadır.
 Gece veri
çalışabilir.
toplama
olanağı
olduğundan
24
saat
 Gölgeden etkilenmez. Bulutlu havalarda, eğer çekim
bulutların altından yapılırsa bir sorun yaşanmaz.
 Çekim esnasında çeşitli sensörlerle birlikte kullanılarak
aynı anda farklı görüntüler (fotoğraf, video vb.) de elde
edilebilmektedir.
LiDAR Avantajları
 Veri toplamanın çok zor olduğu bölgeler (özellikle sık
ormanlar, yerleşim alanı, sarp kayalık arazi, detayın çok
az olduğu yerler vb.) için kolaylık sağlamaktadır.
 Koridor haritalama, bitki örtüsü, değişim izleme, risk
analizi, kıyı şeridi belirleme çalışmaları için idealdir.
 Uçuş öncesi yer kontrol noktası tesisine (veya fazla
sayıda) ihtiyaç yoktur.
 Göze zararlı değildir ve çevre dostu bir teknolojidir.
LiDAR Avantajları
Geleneksel fotogrametri ve arazi çalışmalarına göre
DAHA;

Doğru

Detaylı

Hızlı

Esnek/Çeşitli kullanım alanları

Ekonomik (belli koşullar için)

Çok çeşitli koşullarda veri toplama
LiDAR Dezavantajları

Toplanan verinin boyutu çok büyüktür.

Veriyi editleme/işlemden geçirme zorunluluğu (1 uçuş
günü için 3-6 gün editleme süresi) vardır. Çünkü ham
veri düzensiz aralıklıdır ve hem yerin (ground) hem de
nesnelerin (non-ground) koordinatlarını içerir.

Veri işleme için her ne kadar otomatik algoritmalar
geliştirilse de, veriyi manuel editleme (işgücü ve
tecrübe gerektirir) zorunluluğu bulunmaktadır.

Lazer sinyali doğadaki her şeyden geri yansıyacağı
için, ham veri istenmeyen detaylardan (araba, kuş vb.)
da geri yansıma değerleri içermektedir.
LiDAR Dezavantajları

Veri işlenirken zaman zaman yardımcı görüntülere
ihtiyaç duyulmaktadır.

Geniş alanları çalışmak,
açısından zordur.

Kötü hava koşullarında uygun çalışmaz. İyi sonuç için
gökyüzünün temiz olması (bulut, yağmur, kar, sis,
duman, pus, toz vb. den etkilenir) gerekmektedir.

Bazı materyaller/yüzeyler (asfalt, su vb.) kızılötesi dalga
boyunu
emdiğinden
sinyali
geriye
iyi
yansıtmamaktadır.
zaman
ve
veri
boyutu
Uygulama
Sunu Sonu