ÖNSÖZ
İstanbul Teknik Üniversitesi İnşaat Fakültesi Geomatik Mühendisliği Bölümü lisan programı
bitirme projemizi yaparken, desteğini esirgemeyen, bilgi ve deneyimleriyle beni yönlendiren
tez danışmanımYar. Doç. Dr. Zaide DURAN’a ve Yar. Doç. Dr. Ahmet Özgür DOĞRU’ya
sonsuz teşekkürlerimizi sunarım
Çalışmamım arazi çalışmaları ve sonrasındaki her adımda zaman ayırıp yardım ve desteklerini
esirgemeyen Araş. Gör. Yüksek Müh. Umut AYDAR’a çok teşekkür ederim.
OCAK 2014
Cem Deniz ŞAHİN
1
İÇİNDEKİLER
ÖZET ………………………………………………………………………………………… 9
1. GİRİŞ..................................................................................................................................... 6
1.1 Taşkın Sonucu Silindirik Objeler Etrafında Oluşan Toprak Hareketlerinin Lazer Tarama
ile İzlenmesi ve Modellenmesi ............................................................................................. 6
2. LAZER TARAYICI SİSTEMLER..................................................................................... 6
2.1 Lazer Tarayıcı Tanımı ve Teknolojisi .............................................................................. 6
2.2 Lazer Tarama Doğruluğu .................................................................................................. 7
2.3 Lazer Tarayıcı Sistem Çeşitleri ........................................................................................ 9
2.3.1 Uçağa Takılı Lazer Tarayıcı Sistemler ...................................................................... 9
2.3.2 Yersel Lazer Tarayıcı Sistemler............................................................................... 11
2.3.2.1 Yersel Lazer Tarayıcı Sistem Bileşenleri .......................................................... 12
2.3.2.2 Yersel Lazer Tarayıcıların Kullanım Alanları................................................... 12
2.3.2.3 Yersel Lazer Tarayıcı Sistemlerin Çalışma İlkeleri .......................................... 13
2.3.2.3.1 Bir Lazer Işınının Gidiş Geliş Süresi ile Ölçme Yapanlar ......................... 13
2.3.2.3.2 Faz Karşılaştırma Metodu ile Ölçme Yapanlar .......................................... 14
2.3.2.3.3 Triangulasyon Metodu ile Ölçme Yapanlar ............................................... 15
2
2.3.2.3.3.1 Tek Kamera Çözümü ........................................................................... 15
2.3.2.3.3.2 İki Kamera Çözümü ............................................................................. 15
2.3.3.4 Yersel Lazer Tarayıcı Nokta Bulutlarının Birleştirilmesi ................................. 16
2.3.3.4.1 Iteratif En Yakın Nokta Yöntemi .............................................................. 18
2.3.3.4.2 En Küçük Karelerle 3B Yüzey Eşleme Yöntemi ...................................... 18
2.3.3.4.3 Bağımsız Model Yöntemi .......................................................................... 18
2.3.3.4.4 Doğrudan Jeodezik Koordinatlı Ölçmeler Yöntemi ................................... 19
3. BOYUTLU MODELLEME ............................................................................................. 20
4. UYGULAMA ...................................................................................................................... 21
4.1 Kullanılan Donanım ve Yazılım ..................................................................................... 22
4.2. Çalışma Alanının Belirlenmesi ve Tarama İşlemi ..................................................... 23
5. SONUÇ ve ÖNERİLER
KAYNAKLAR .................................................................................................................. 53
3
KISALTMALAR
CAD
Computer Aided Design
3B
3 Boyutlu
GPS
Global Positioning System
TLS
Terrestrial Laser Scanning
CCD
Charged Coupled Device
4
ÖZET
Bina, anıt, gibi mimari eserlerin yanı sıra yol, köprü v.b. mühendislik yapılarının 3 Boyutlu
olarak belgelendirilmeleri geleneksek jeodezik ve fotogrametrik yöntemler ile yıllardır
yapılmaktadır. Üretilen CAD verileriyle modelden bilgi elde etmek, modelleme ve
düzeltmeler yapmak kolaydır. Günümüzde yersel lazer tarayıcı sistemleri ile ölçeğe bağlı
kalınmaksızın modelleme yapılabilmektedir. Lazer tarayıcılar farklı platformlarda, tıbbi
görüntülemeden, endüstriyel tasarıma, çarpışma testlerinden risk haritası üretimine kadar
birçok farklı amaçlarla kullanılmaktadır. Bununla birlikte tarihi ve kültürel eserlerin
belgelendirilmesi ve projelendirilmesinde günümüzde kullanılan jeodezik ve fotogrametrik
yöntemlerle birlikte yersel lazer tarayıcılar geniş bir kullanım alanı bulmaktadır. Yersel lazer
tarayıcılardan elde edilen nokta bulutları farklı amaçlar ile kullanılabilir. Nokta bulutlarının
kaydedilmesi, birleştirilmesi, inceltilmesi, nokta boşluklarının doldurulması, filtrelenmesi ile
nesnelerin 3 boyutlu modelleri oluşturulmaktadır. Oluşturulan bu modeller üzerinden,
mühendislik uygulamaları için gerekli her türlü veriye ulaşılabilmektedir. Bu veriler sayesinde
çok kısa sürede çalışılması zor olan objelerin 3 Boyutlu koordinatlı verileri elde edilmektedir.
Ayrıca elde edilen noktaların renk değerlerinin bulunması ortamın modellenmesinde etkin bir
rol oynamaktadır. Bu teknoloji ile yaptığımız uygulamada taşkın sonucu silindirik objeler
etrafında oluşan toprak hareketini ve toprak yüzeyine yaptığı ekinin gözlemlenmesi ve
modellenmesi amaçlanmıştır.
5
1. GİRİŞ
1.1 Taşkın Sonucu Silindirik Objeler Etrafında Oluşan Toprak Hareketlerinin Lazer
Tarama ile İzlenmesi ve Modellenmesi
Bina, anıt, gibi mimari eserlerin yanı sıra yol, köprü v.b. mühendislik yapılarının 3 Boyutlu
olarak belgelendirilmeleri geleneksek jeodezik ve fotogrametrik yöntemler ile yıllardır
yapılmaktadır. Üretilen CAD verileriyle modelden bilgi elde etmek, modelleme ve
düzeltmeler yapmak kolaydır. Günümüzde yersel lazer tarayıcı sistemleri ile ölçeğe bağlı
kalınmaksızın modelleme yapılabilmektedir. Lazer tarayıcılar farklı platformlarda, tıbbi
görüntülemeden, endüstriyel tasarıma, çarpışma testlerinden risk haritası üretimine kadar
birçok farklı amaçlarla kullanılmaktadır. Ayrıca bu teknoloji üç boyutlu modelleme
teknolojisine de büyük katkı sağlamaktadır. Oluşturulan bu modeller üzerinden, mühendislik
uygulamaları için gerekli her türlü veriye ulaşılabilmektedir.
Bu uygulama da İTÜ Hidrolik Laboratuvarında hazırlanan deney ortamı sayesinde, taşkın
sonucu silindirik objeler etrafında oluşan toprak hareketleri lazer tarama ile izlenmiş ve
modellenmiştir, bu yapılan deney İnşaat Mühendisliği Bölümünün yaptığı çalışmalara da
destekleyici bir uygulama sağlamıştır.
2. LAZER TARAYICI SİSTEMLER
2.1 Lazer Tarayıcı Teknolojisi
Lazer teknolojisi alanındaki araştırmalar, 1960 yılından bu yana 40 yılı geçkin bir tarihe
sahiptir. Yersel lazer tarama teknolojisinin bir ölçüm aracı olarak gerçekten bir araştırma alanı
haline gelmesi sadece, bu son 10 yılda olmuştur. Tek renklilik, iyi kolimasyon, yüksek güç,
kısa atımlar veya lazer ışığının ayarlanmasının muhtemelliği gibi lazer radyasyonunun belirli
niteliklerinden dolayı ölçümler için kullanılan bu teknolojinin avantajı, daha yeni fark edildi.
Hızlı ve minimum giderle, acilen bütün obje(3B model) hakkında eksiksiz 3 boyutlu
geometrik ve görsel bilgiye ulaşmak lazer tarama teknolojileri ile olmaktadır.
Örneğin geleneksel jeodezik ölçüm metotları, tüm yer ölçümü veya gerçek zamanlı GPS
ölçümleri, objenin hızlı bir şekilde geometrik ve görsel bilgilerine ulaşmak için çok uygun
değildir. Bunlar sadece tek tek nokta ölçümüne izin verir. Bu nedenle bu metotlar genellikle
6
yavaştır. Modern reflektörsüz total stationlar ve diğer gelişen teknolojilerde de nokta bazlı
tarama fonksiyonları vardır. Fakat tarama süresinin fazlalığı, elde edilen nokta sayısının
azlığı, taranan objenin gerçek modeline uygun nokta kümelerinin elde edilemeyişi, yersel
lazer tarama teknolojisini ön plana çıkarmıştır.
Dijital fotoğraflama metotları, özellikle kültürel miras kaydında ve mimari ölçümlerde etkili,
ama hala bazı eksiklikleri vardır. İlk olarak modelin analiz edilebilmesinden önce, resim
işleme ve yöneltme gereklidir. Buda bize gösteriyor ki datadan verimli bilgi alma yolu, tarama
teknolojisine göre daha uzundur. İkincisi, çok elverişsiz dış koşullu ortamlar (yetersiz
aydınlatma, toz vs.) için uygun değildirler. Bu nedenle, obje geometrisinin yüksek doğrulukla
3 boyutlu ölçümüne direkt izin veren başka bir tekniğin uygulanması gereğini getirmektedir.
Böyle bir teknik 90’lı yılların sonu ve 2000’li yılların başında ortaya çıkmış ve buna Yersel
Lazer Taraması (TLS - Terrestrial Laser Scanning) tekniği denilmiştir. Jeodezik ölçüm tekniği
olarak TLS üzerine kapsamlı araştırma 2000’den sonra başlamıştır. Bugüne kadar son yedi
yılda TLS alanında gerçek bir canlılık görülmüştür.
3D lazer tarayıcı teknolojisi, yeni teknoloji alanında yeni bir gelişim yönünün önünü açmıştır.
Bu yüzden, birçok bilim adamı ve üretici firma, bu teknolojinin öneminin farkına varıp daha
fazla ilgi duymaya başlamışlardır. Son yıllarda, bu konuyla ilişkili pek çok teknoloji ve
ürünler piyasaya çıkmıştır. Bugünlerde, birçok şirket ve araştırma enstitüsü, bu teknoloji için
araştırma yapmak ve sistemi geliştirmek ve 3B sisteminin yerini alabilecek kendi ürünlerini
yaratabilmek için çok fazla para ve insan gücü sarf etmektedir. (Gümüş, K., Erkaya, H. 2007)
2.2 Lazer Tarama Doğruluğu
Lazer tarayıcılarla ölçülen her nokta bulutu çok sayıda rastlantısal hata içerir. Bu hatalar; ışın
yansıması ve ışın kalınlığından kaynaklanan ölçme sistemi hatalarıdır. Ölçüler jeodezik
koordinat sistemine dönüştürülecekse bu hatalara dönüşümde kullanılan noktaların hataları da
eklenmektedir. Taranan noktaların doğruluğunu tarayıcının açısal doğruluğu, mesafe
doğruluğu, çözünürlüğü, kenar etkisi yani ışın kalınlığı, yansıyan sinyal gücü ile sıcaklık,
atmosferik koşullar ve radyasyon gibi çevresel koşullar etkiler.
7
Lazer ışın kalınlığından dolayı obje kenarına çarpan ışının bir kısmı geri dönerken bir kısmı
da diğer yüzeyden geri yansıyacaktır. Bu durumda aynı lazer ışını için iki farklı ölçü noktası
elde edilecektir. Bu hata, lazer ışın kalınlığının azaltılması ile en aza indirilebilir.
Tarayıcılardan gönderilen ve obje yüzeyinden dönen sinyaller kaydedilerek objenin gri tonlu
yansıma görüntüleri oluşturulmaktadır. Yansıyan sinyalin gücü, yüzeyin parlaklığı, mesafe,
atmosferik koşullar ve ışığın geliş açısına göre değişir. Beyaz yüzeylerden yansıma çok fazla
olurken, siyah yüzeylerden yansıma çok az olmaktadır. Renkli yüzeylerde yansıma etkisi,
lazer tarayıcının spektral özelliğine (yeşil, kırmızı, kızılötesi) bağlı olarak değişir.
Atmosferik koşulların kısa mesafelerde etkisi çok azdır. Toz ve su buharı lazer ışın
kalınlığından dolayı ölçüleri etkileyecektir. Bu hata obje kenarlarında lazer ışın kalınlığından
dolayı kaçınılmaz olarak oluşan ölçü hatalarıyla aynı büyüklüktedir. Bu hatanın giderilmesi,
ancak lazer nokta büyüklüğünün minimuma indirilmesiyle mümkündür.
Bir lazer tarayıcı, ancak kendi çalışma sıcaklığında optimum olarak çalışır. Sıcaklık, kendi
çalışma aralığında olsa bile mesafe ölçümünde etkili olabilir. Tarayıcının iç sıcaklığı, çalışma
ve radyasyon nedeniyle dış sıcaklıktan bir miktar fazla olacaktır. Lazer tarayıcı aletlerin çoğu,
çalışma sıcaklığı belirlenen aralığı aştığında otomatik olarak kapanmaktadır.
Lazer tarayıcıların doğruluk araştırmasıyla ilgili pek çok metot geliştirilmiş ve sonuçları
yayınlanmıştır. Doğruluk araştırması için en iyi test alanı ve programı Almanya’da MainzUniversty of Applied Sciences’da geliştirilen test alanıdır. Bu test alanında değişik lazer
tarayıcıların mesafe ve yansıma ölçümlerine ilişkin test sonuçları verilmiştir. Sonuç olarak,
lazer tarayıcıların ölçü doğruluğu uzun mesafelerde (>1000m) 10cm, ışın yapısına bağlı
olarak azalsa da kısa mesafelerde (<300m) ölçü hassasiyeti 1cm civarındadır ( Altuntaş, C.,
Yıldız F. 2008)
8
2.3 Lazer Tarayıcı Sistem Çeşitleri
2.3.1 Havadan Lazer Tarama (LİDAR)
Lidar, İngilizce "Laser imaging detection and ranging" kelimelerinin baş harflerini içeren bir
kısaltmadır. Çok farklı kullanım alanları olduğu gibi harita sektöründeki Havadan
Lidar (Airborne Lidar) sistemi ile (Şekil1) uçuş yüksekliğine bağlı olarak dar veya geniş
alanlarda şerit, uzun koridor alımlar için de kullanılır. Gelişen teknolojiye rağmen, gerek
fotogrametride, gerekse uzaktan algılamada ortogörüntü üretiminde Yer Kontrol Noktaları
önemini korumaktadır. Yer Kontrol Noktaları’ nın seçiminde noktanın niteliği, sayısı,
dağılımı ve doğruluğu önemlidir. Havadan Lidar uygulamalarında ise Yer Kontrol Noktaları’
na gerek duyulmadan Global Positioning System/ Inertial Measurement Unit (GPS/IMU)
sistemleriyle dış yöneltme gerçekleştirilmektedir (Topan ve diğerleri, 2007). Özellikle
topoğrafyanın çok bozuk olduğu alanlarda tercih edilmektedir. Bu sistem ile yüzeylerin 3
boyutlu modellerinin çıkarılması da sağlanmaktadır
Şekil 1 Lidar Sistem
9
Lidar sistemleri, yükseklik verisi toplamak için geleneksel yöntemlerden farklı birçok avantaj
sunar. Güvenilir koordinat ve yükseklik bilgisi (XYZ) elde edilmesi, yüksek duyarlıkta düşey
koordinat hassasiyeti, hızlı veri toplama/işleme, erişilemeyen noktalardan veri toplama
özelliği, isteğe bağlı nokta yoğunluğu belirleyebilme özelliği, isteğe bağlı görüntü alanı
seçebilme özelliği, batimetri topografya, kısa süreli çalışmalarda geniş alanlardan da fazla veri
toplama ve sonuç ürün elde edebilme, özellikle tehlikeli bölgelerde veri toplama ve bitki
örtüsüyle kapalı alanlarda yapraklara nüfuz etme imkanı ile daha hassas Sayısal Arazi Modeli
(SAM) ve Sayısal Yükseklik Modeli(SYM) oluşturma gibi özellikleri nedeniyle özellikle
büyük projelerde zaman/maliyet açısından tercih edilmektedir.
Şekil 2 Havadan Lazer Tarama
10
2.3.2 Yersel Lazer Tarayıcı Sistemler
Yersel lazer tarama, geleneksel ölçme teknikleri ile kıyaslandığında 3B nokta bilgilerinin çok
yüksek hızla elde edilebildiği bir ölçme tekniğidir. Ölçme alanının 3B nokta bilgileri, nokta
dizileri şeklinde yüksek doğrulukla ölçüle bilmektedir. Yersel lazer tarayıcılar pek çok ölçme
uygulamasında, özellikle tarihi yapıların röleve çalışmalarında giderek artan bir oranda
kullanılmaktadır.
Yersel lazer ölçmelerinde temel büyüklük, alet ve ölçülen nokta arasındaki mesafedir. Lazer
mesafe ölçümü için farklı teknikler kullanılmaktadır. Bunlar; üçgenleme, faz farkı ölçü mü,
ışığının gidiş/dönüş zamanı ölçümü ya da puls metodudur. Yersel lazer tarayıcılarda, kısa
zaman aralıklarıyla lazer pulslarının gönderilmesi ve ölçülmesi esasına dayanan puls metodu
kullanılmaktadır (Lichti D.D. ve Gordon S.J. 2004).
Sensör teknolojisi ve bununla ilgili yazılım araçlarındaki hızlı gelişme; mühendislik
çalışmaları, tarihi ve kültürel eserlerin dokümantasyonu ve kent alanlarının 3B modellenmesi,
madencilik çalışmaları, deformasyon analizi ve orman alanları ölçümü gibi pek çok alanda
geometrik verilerin elde edilmesinde yersel lazer taramayı önemli bir yöntem haline
getirmiştir. Yersel lazer tarama tekniklerinin ortaya çıkmasıyla birlikte; sensör modelleme,
detay çıkarma, nokta bulutu (point cloud) oluşturma, veri birleştirme ve diğer pek çok alanda
yeni araştırma alanları ortaya çıkmıştır.
Yakın resim fotogrametrisi ve yeni bir teknoloji olan yersel lazer tarama tekniğinin birlikte
kullanılması 3B model oluşturmada, obje sınıflandırmada ve sanal gerçeklik uygulamalarında
yeni fırsatlar ortaya çıkarmıştır. Lazer tarama teknolojisi ve yakın resim fotogrametrisi,
birbirini tamamlayıcı yöntemler olarak görülebilir. Örneğin, yersel lazer tarayıcılarla bir
objenin 3B bilgileri çok yüksek çözünürlükte ve hızlı bir şekilde elde edilebilir. Aynı bilgiler
yakın resim fotogrametrisi kullanılarak da elde edilebilir ancak, yakın resim fotogrametrisinde
aynı bilgilerin elde edilmesi bir operatörün çok yoğun çalışmasını gerektirir. Yersel lazer
tarayıcılar çok yüksek çözünürlükte değildir, oysa yakın resim fotogrametrisinde yüksek
çözünürlüklü digital kameralar kullanılır. Yersel lazer tarayıcılar aletin kurulabildiği zemin
noktasından belli yatay ve düşey açılar altında objeyi görüntüleyebilirken, kamera obje
etrafında hareket ettirilerek objenin tamamı görüntülenebilir (Forkuo ve King 2004).
11
Lazer tarama işlemiyle elde edilen nokta bulutundan; temel ölçme verileri, ortofoto
görüntüler, 2 veya 3 boyutlu çizimler, 3B animasyon, katı yüzey modelleri ya da doku
giydirilmiş 3B modeller elde edilebilir. Etkin bir veri toplama tekniği olan lazer tarayıcılar
hem ölçmecilere hem de bu ölçüleri kullananlara büyük kolaylıklar sağlar.
2.3.3.1 Yersel Lazer Tarayıcı Sistem Bileşenleri
Bir yersel lazer tarayıcı sistemi (TLS) şu bileşenlerden oluşur:
1) Tarama ünitesi (tarayıcı )
2) Kontrol ünitesi
3) Güç kaynağı
4) Tripod ve Sehpa
Tarayıcı ünitesi, boyut olarak bildiğimiz ölçü aletlerinden daha büyük bir yapıdadır. Bir
Yersel Lazer Tarayıcının öz bileşeni tarama ünitesidir. Bu bileşen basitçe direkt 3 boyutlu veri
yakalamak için kullanılan sistemdir. Bir lazer tarama ünitesi iki bileşenden meydana gelir:
- Lazer telemetresi (Lazer uzunluk ölçme sistemi )
- Lazer ışın saptırma ünitesi ( Optik mekaniksel tarayıcı ) (WEHR ve LOHR 1999 ).
Şekil 3 Lazer tarayıcı bileşenleri
2.3.3.2 Yersel Lazer Tarayıcıların Kullanım Alanları
1. Projelerin sahaya uygunluğunun kontrolü, planlarla yapı ilerleyişinin karşılaştırılması ve
kalite kontrolün sağlanması
12
2. Sanal planlama ve mevcut arazi ilişkilerini içeren mekânsal durumun analiz edilmesi
(birleşik yapılar, çok katlı ulaşım merkezleri, alışveriş merkezleri, vb.)
3. Binaların, yapıların uygun bakımını sağlamak için, interaktif yapı incelemeleri, risk
keşifleri ve çürüme kontrollerini amaç edinen yapı bilgi sistemleri kurulması. (Wunderlich,
2003).
4. Görsel 3D fabrika yaratmak için endüstriyel ortamların belgelenmesi, yani mevcut fabrika
veya tesisin tam dijital modelinin elde edilmesi. Bir görsel 3D kurulumuyla, yeni ekipman
programlanabilir ve üretim durumu gerekmeksizin çalışmalar devam edebilir. 3D model
yardımıyla, değişiklikler nedeniyle eskiyen mevcut çizimleri, gerçeğe uygun olarak sağlamak
mümkündür.
5. Bir ülkenin altyapı tesislerinin belgelemesi. Demiryolu, yol şebekesi, tüneller, köprüler,
enerji hatları gibi hasar görmüş alanların teşhisi için olağan araştırma gerektiren
değerlendirme yöntemleri için bir temel sağlar. Bu şekilde gerekli onarımlar gecikmesiz
tamamlanabilir.
6. Taranacak obje ya da alanın deformasyon kontrolü sadece ayrık noktalar olmaksızın yersel
lazer tarayıcılarla sıklıkla analiz edilebilir. Böylece yerel deformasyonlar ortaya çıkabilir.
7. Tarihi mirasın (kiliseler, kaleler, saraylar, vb.) detaylı durumu ve hasar değerlendirilmesi,
bunların muhafazası için gerekli belgelendirmelerin yapılması, hasar ve yıkım durumunda
gelecekte verilen herhangi bir zaman için restorasyonun sağlanması. Bu durumlarda, en narin
yapılar ve detayları belgelendirilmelidir. Bu, ulusal anlamda kültürel miras bilgi sisteminin
kurulması için daha fazla temel sağlayabilir. Doğru, gerçek, görsel 3B modeller sayesinde,
internet aracılığıyla dünyadaki tüm insanlara tarihi miraslar sanal(Sanal Turizm) olarak
ziyaret ettirilebilir (Reshetyuk, 2005).
2.3.3.3 Yersel Lazer Tarayıcı Sistemlerin Çalışma İlkeleri
2.3.3.3.1 Bir Lazer Işınının Gidiş Geliş Süresi ile Ölçme Yapanlar
13
Bir lazer ışını nesneye gönderilir ve gönderici ile yüzey arasındaki mesafe, sinyal iletimi ile
alımı arasındaki seyahat zamanı ile ölçülür. Bu prensip, total stationların çalışma prensibinden
dolayı da iyi bilinir. Aslında, motor eksenli total station, tarama aleti olarak çalışmaya
programlanabilir. Ölçüm oranları çok düşük olabilir, bununla birlikte aletin kütlesi nedeniyle
eksen etrafındaki artan rotasyon basamakları yeterince hızlı değildir, sinyal süreci çok vakit
alır ve açısal değerler kodlanmış çemberlerden zahmetli bir şekilde okunmalıdır. Tarayıcılar,
lazer ışının açısal sapması için küçük dönüş aletleri kullanırlar ve uzunluk hesaplaması için
basit algoritmalar kullanır. Uzaklık ölçümlerinin tipik standart sapmaları, birkaç milimetre
olmaktadır. Uzaklıkların göreceli olarak kısa olmasından dolayı, bu doğruluk, tüm nesne alanı
için hemen hemen aynıdır. 3D doğruluğu aynı zamanda, ışının açısal noktalama
doğruluğundan etkilenir
Şekil 4 Bir lazer ışınının gidiş geliş süresi ile ölçme işlemi.
2.3.3.3.2 Faz Karşılaştırma Metodu ile Ölçme Yapanlar
Bu metot aynı zamanda yine total stationlar da bilindiği gibidir. Bu durumda, iletilmiş lazer,
uyumlu bir dalgayla ayarlanmıştır ve mesafe iletilen ve alınan dalgalar arasındaki faz
farkından hesaplanmıştır. Kullanıcıların bakış açısından bu metot, uçuş zamanı metodundan
farkı yoktur. Daha karışık sinyal analizinden dolayı sonuçlar daha doğru olabilir. İyi
tanımlanmış bir dönüş sinyaline ihtiyaç olduğu için, faz kıyaslama metodunu kullanan
tarayıcılar, kısa uzunluklarda daha etkilidir (Boehler, W. and Marbs, A., 2002).
14
2.3.3.3.3 Triangulasyon Metodu ile Ölçme Yapanlar
2.3.3.3.3.1 Tek Kamera Çözümü
Bu tarayıcı basit bir ışın yayma düzeneğinden oluşur. Bu alet, mekanik aletin bir ucundan
nesneye olan artan değişen açılarla ve lazer noktalarını sezen bir CCD kamerasıyla lazer
ışınını gönderir. Yansıtıcı yüzey elementlerinin 3D pozisyonları, sonuç üçgeninden elde edilir.
Bu prensip, menzil bulucuların kullanıldığı araştırmada önceliklere sahiptir. Bu açıdan, alet ve
nesne arasındaki menzilinin doğruluğu mesafe alanıyla birlikte iyi bilinir. Açıkça,
uygulamayla ilgili sebeplerden dolayı, temel uzunluk isteğe bağlı olarak arttırılamaz. Bu
tarayıcılar, uzaklık tarayıcılarından daha doğru olan durumlarda, kısa mesafeleri ve küçük
nesneler için önemli bir rol oynar. (Boehler, W. and Marbs, A., 2002).
Şekil 5 Tek kamera çözümü.
2.3.3.3.3.2 İki Kamera Çözümü
Triangulasyon prensibinin bir değişkeni, iki CCD kamerası kullanımıdır. İncelenecek nokta
ya da bölge, hiçbir ölçme fonksiyonu olmayan ayrı bir ışık projektörüyle üretilir. Çözümlerin
geniş bir değişikliği görülebilir. Projeksiyon, hareket eden şerit bölümlerinin bir ışık
çizgisinden oluşur. Geometrik çözüm, tek kamera prensibiyle aynıdır, aynı doğruluk
sonuçlarını oluşturur. İki kamera kullanan aletlerin tümü yüksek oranlar sağlamaz ve gerçek
zamanlı 3D koordinatları üretmezler. Bununla birlikte, eğer yüksek nokta oranları ve gerçek
zaman süreci sağlanırsa, bu aletler, yukarıda belirtilen tarama aletlerine bir alternatif olarak
görülebilir. (Boehler, W. and Marbs, A., 2002).
15
Şekil 6 İki kamera çözümü.
2.3.3.5 Yersel Lazer Tarayıcı Nokta Bulutlarının Birleştirilmesi
Lazer tarayıcılarla binaları, tarihi eserleri ya da başka alanları tümüyle görüntüleyebilmek için
değişik noktalardan çok sayıda tarama yapılır. Her bir taramadan elde edilen nokta bulutunun
koordinatları, tarayıcı alet merkezli lokal koordinatlardır. Objenin 3B modelini oluşturmak
için bütün nokta bulutları, seçilen referans koordinat sisteminde birleştirilmelidir. Genellikle
ilk taramanın koordinat sistemi referans olarak alınır. Bu durumda ilk taramadan sonraki
taramaların referans koordinat sistemine 3B dönüşümlerinin yapılması gerekir.
Nokta bulutları jeodezik koordinat sistemine dayalı olarak da birleştirilebilir. Bunun için
birleştirme ya doğrudan jeodezik koordinat sisteminde yapılır ya da nokta bulutu içerisinde
yeterli sayıda nokta tanımlanarak jeodezik koordinat sistemine dönüşüm yapılır. Jeodezik
koordinatlar sayesinde yersel lazer tarayıcı nokta bulutlarının farklı yöntemlerle elde edilmiş
veri kümeleri ile entegrasyonu da kolay olacaktır .
16
Nokta bulutlarının referans koordinat sisteminde birleştirilmesi aşağıdaki yöntemlerin
birisiyle yapılabilir:
1. Iteratif en yakın nokta (Iterative closest point) yöntemi
2. En küçük karelerle 3B yüzey eşleme (Least square 3D matching) yöntemi
3. Bağımsız model yöntemi (Independent model triangulation)
4. Doğrudan jeodezik koordinatlı ölçmeler (Direct georeferencing) dir
17
Şekil 7 Yersel lazer tarayıcı nokta bulutlarının birleştirilmesi.
2.3.3.5.1 Iteratif En Yakın Nokta Yöntemi
Bu yöntemi Besl ve Mckay (1992) ve Zhang (1994) tarafından geliştirilmiş ve bugüne kadar
yöntemi geliştirecek çok sayıda çalışma yapılmıştır. Yöntemin farklı veri kümelerine farklı
şekillere uygulanmasını içeren değişik türleri bulunmaktaDır. Bu yöntemde nokta bulutları
arasındaki 3B dönüşüm parametreleri itratif olarak bulunur. Yöntem, referans nokta kümesi
(M) ve araştırma nokta kümesi (N) aynı ölçekli kabul edilerek dönüşüm parametrelerinin en
yakın nokta çiftleri bulunması temeline dayanır.
Yöntem, yaklaşık yöneltmesi yapılmış nokta bulutlarının dönüşüm parametrelerinin
hesaplanmasında en çok kullanılan yöntemdir. Yoğun hesaplama gerektirmesine rağmen
kolay uygulanabilmesi ve yüksek doğrulukta sonuç vermesi nedeniyle lazer taramalarının
eşleştirilmesine yaygın olarak kullanılmaktadır.
2.3.3.5.2 En Küçük Karelerle 3B Yüzey Eşleme Yöntemi
En küçük karelerle 3B görüntü eşleme metodu, 2B görüntü eşleme algoritmasının
genişletilerek 3B yüzeylerin eşlenmesinde kullanılması şeklinde geliştirilmiştir.
2.3.3.5.3 Bağımsız Model Yöntemi
Bu yöntemde nokta bulutları ölçme işleminin amacına bağlı olarak önceden tanımlı yersel
koordinat sisteminde, ya da lazer taramalarının referans alınan birisinin koordinat sisteminde
18
birleştirilir. İlk durumda, bütün taramalarda yer kontrol noktalarının bulunması gerekir. Yer
kontrol noktalarının kullanımı farklı zamanlarda yapılan lazer taramalarının birleştirilmesini,
lazer noktalarının doğruluğunun artırılmasını, fotogrametrik ve topoğrafik ölçülerin bu
ölçülerle birleştirilmesini sağlar. Yer kontrol noktaları aynı zamanda bağlama noktalarının
uygunsuz dağılımından ve ölçü metodundan kaynaklanan dönüşüm hatalarını da azaltır.
Bütün modellerin yer kontrol noktalarına dayalı olarak koordinatlandırılması ölçü süresi ve
maliyetini artıracağından lazer tarayıcıların kullanım avantajlarına da aykırı olacaktır. Bu
nedenle nokta bulutlarının referans koordinat sisteminde birleştirilmesi için bağımsız model
yöntemi geliştirilmiştir.
Bağımız model yöntemi, hava nirengisi hesaplamalarında kullanılan bağımsız modeller
yöntemine benzer olarak, farklı noktalardan alınan bütün 3B modellerin eş zamanlı
dengelenmesi şeklindedir. Bağlama noktaları iki komşu modelin birbirine göre dönüklük ve
ötelenmelerinin hesaplanmasını sağlarken, yer kontrol noktaları modellerin verilen referans
sistemine oturtulmasını sağlar.
2.3.3.5.4 Doğrudan Jeodezik Koordinatlı Ölçme Yöntemi
Diğer yöntemlerin teknik, ekonomik ya da operasyonel nedenlerden dolayı uygulanamadığı
durumlar için doğrudan jeodezik koordinatlı ölçüm yöntemi geliştirilmiştir. Bu bağlamda
doğrudan jeodezik
koordinatlı
ölçü
yapmayı
gerektiren durumlar aşağıdaki
gibi
sınıflandırılabilir.
1. Objenin geometrik şekli ve boyutları nedeniyle yer kontrol noktası tesisi mümkün olmayan
ya da yer kontrol tesisinin çok pahalı olduğu geniş alanların ölçümünde (tünel, yol vb.),
2. Planlama ya da şehir modelleme amaçlı düşük doğruluklu olarak geniş alanların 3B
görüntülenmesi uygulamalarında,
3. Yer kontrol noktası tesisinin çok zor ya da mümkün olmadığı durumlarda(Altuntaş, C.,
Yıldız, F., 2008).
Tünel,yol maden işletmesi gibi çok büyük ve genellikle lokal kontrol imkanı dahi olmayan
alanlarda taramalarının referans olarak seçilen bir taramanın koordinat sisteminde
19
birleştirilmesi durumunda oluşacak model çok sayıda sistematik hata içerecektir. Bu sakıncayı
gidermek için lazer tarayıcıdan elde edilen 3B model koordinatları jeodezik koordinatlara
dönüştürülebilir. Bu ise çok sayıda yer kontrol noktası tesisini ve ölçüsünü gerektirecektir.
3. BOYUTLU MODELLEME
Üç boyutlu modelleme için kullanılan yöntemler, tamamen mesleki olan jeodezik ve
fotogrametrik çalışmaları içeren klasik yöneltme, değerlendirme ve çizim aşamalarından
oluşur. Jeodezik koordinatlandırma çalışmalarının ardından objelerin yerden ya da havadan
fotogrametrik resimlerinin çekilmesi veya uydu görüntülerinin sağlanması ile başlayan süreç,
üç boyutlu sayısal yüzey modelleri ve üzerindeki detayların üç boyutlu olarak
konumlandırılması ile üç boyutlu şehir modellerinin oluşturulması için altlıkların hazırlanması
ile tamamlanır.
Üç boyutlu modelleme içinde en önemli konulardan birisi de sayısal arazi modellerinin elde
edilmesidir. Fotogrametrik yöntemlerle elde edilen sayısal arazi modellerinin yanında, bu iş
için özellikle üretilen yazılımlar kullanılarak bir fonksiyon yardımı ile otomatik ya da yarı
otomatik sayısal arazi modeli üretimi yapılmaktadır.
Üç boyutlu şehir modellerinde, gereksiz bina detayı olarak kabul edilen objeler (balkon, saçak
vb.) üç boyutlu olarak çizilemeyen detaylardır. Bunlar daha sonra üç boyutlu olarak çizilen
binaların çatı konumlarından, otomatik veya otomatik olmayan yöntemler ile bina hatlarının
sayısal yüzey modeline kadar indirilmesi ile tamamlanır. Bu detaylar modellerin çiziminde
ihmal edilir. Ancak istendiği takdirde çeşitli animasyon teknikleri ile resimler yardımı ile
görsel etki olarak ifade edilebilir. (Ergün, B.
2003)
20
Şekil 8 3 Boyutlu modelleme örneği.
Şekil 9 3 Boyutlu bina modeli ve kaplanması.
4. UYGULAMA
Büyük bir hızla gelişen teknoloji hayatımızı kolaylaştırmakta ve teknolojinin bize sunduğu
imkanlar sayesinde klasik ölçme yöntemleri yerini son yıllarda büyük önem kazanan lazer
teknolojisine, lazer taramasına bırakmıştır. Lazer tarama ile ölçme yöntemlerinin klasik ölçme
yöntemlerine göre daha pratik, daha doğru, zaman ve verilerin işlenilebilirliği açısından daha
verimli oluşu bu teknolojiyi günden güne öne geçirmekte ve bu teknolojiye olan ilgi ve talebi
artırmaktadır Ayrıca bu teknoloji üç boyutlu modelleme teknolojisine de büyük katkı
sağlamaktadır. Oluşturulan bu modeller üzerinden, mühendislik uygulamaları için gerekli her
türlü veriye ulaşılabilmektedir.
21
Öncelikle bu konu üzerinde araştırma yapılmasının sebebi, taşkın sonucunda ağaç gibi doğal
objeler etrafında oluşan değişimleri gözlemek için yapılan deney düzeneklerinde ve
modellemelerinde genellikle silindirik objeler kullanılmaktadır bu çalışmalar sonucunda da
çeşitli sonuçlar elde edilip işlemler yapılmaktadır. Yapılan bu uygulamada taşkın sonucunda
silindirik obje ve ağaç etrafındaki toprak hareketinin farklı olduğunu göstermek amaçlanmıştır
Bu anlamda da çalışmanın ilk adımı olarak silindirik obje etrafında oluşan değişimleri lazer
tarama ile belirlendi ve modellendi. Uygulama kısmında da bu işlem adımlarından
bahsedilmiştir.
4.1 Kullanılan Donanım ve Yazılım
Uygulama kapsamında Leica ScanStation C10 yersel lazer tarayıcı ve kişisel bilgisayarlar
kullanılmıştır.
Şekil 10 Leica ScanStation C10
22
Uygulamada Leica Cyclone ve Geomagic yazılımları kullanılmıştır
.
5.2.1 Çalışma Alanının Belirlenmesi ve Tarama İşlemi
Uygulama alanı olarak İTÜ İnşaat Fakültesi, İnşaat Mühendisliği Bölümü Hidrolik
Laboratuvarı seçilmiş ve deney düzeneği hazırlanmıştır. Deney düzeneği içi kumla dolu olan
bir havuzdan oluşmakta ve içindir metal silindirik bir obje bulunmaktadır. Tarama işlemi için
objenin ön ve arka tarafı olmak üzere iki kez alet kurulmuştur. Ölçme aletinin …… için
havuzun sağ ve sol kenarına reflektör yerleştirilmiştir. Ayrıca bu reflektörler nokta
bulutlarının birleştirilmesinde de kullanılmıştır. Birleştirme işlemi için tercih ettiğimiz
yöntemde uygun dağılımlı en az üç farklı nokta seçilmesi gerekmektedir. Bu amaçla iki tanesi
reflektörlerin merkez noktaları, diğer noktalar ise her iki taramada da görünen ortak
noktalardan seçilmiştir.
23
Şekil 11 Deney Düzeneği
Düzenekte silindir objenin bulunduğu bir toprak havuz hazırlanmış, ve taşkından önce ilk
tarama işlemi yapılmış, daha sonra taşkın sonucu oluşan değişimi gözlemleyebilmek için
ikinci tarama gerçekleştirilmiştir.
24
Şekil 12 İlk Durum
25
Şekil 13 İlk Durum
26
Şekil 14 İkinci Durum – Taşkın Sonrası
27
Şekil 15 İkinci Durum – Taşkın Sonrası
28
Toplamda iki cepheden dört kez alet kurularak gerçekleştirilen taramalar sonucunda
uygulaması yapılan deney için dört adet nokta bulutu verisi ede edilmiştir.
Şekil 16 Nokta Bulutu Olarak, Ölçüm Yapılan Deney Düzeneği
Ölçümlerden sonra bilgisayar ortamında kullanılan Cyclone yazılımı ile öncelikle taşkın
olmadan düzeneğin iki tarafından ölçülen veriler birleştirildi, daha sonra taşkın sonucu oluşan
değişimi gösteren iki nokta bulutu birleştirildi ve sonrasında da taşkın öncesi ve sonrasını
gösteren birleştirilmiş nokta bulutları üzerinden farkları gözlemleyebilmek için tekrar
birleştirme işlemi uygulandı (Şekil 16).
29
Şekil 17 Birleştirme İşlemi Örneği
Daha sonra nokta bulutlarının üzerine yüzey geçirme işlemi yapıldı. Geomagic programı
kullanılarak yapılan bu işlemde, oluşan değişim oldukça net bir şekilde gözlendi.
Şekil 18 Yüzey Geçirme
30
Şekil 19 ,20 ve 21 ‘de taşkın öncesi yapılan ölçüm sonucu oluşan nokta bulutlarına yapılan
yüzey geçirme işlemi sonucu birkaç örnek gösterilmiştir.
Şekil 19
Şekil 20
31
Şekil 21
32
Şekil 22, 23, 24 ve 25 ‘te taşkın sonrası yapılan ölçüm sonucu oluşan nokta bulutlarına
yapılan yüzey geçirme işlemi sonucu birkaç örnek gösterilmiştir. Değişim oldukça net bir
şekilde görülmektedir.
Şekil 22
33
Şekil 23
34
Şekil 24
Şekil 25
Şekil 25 ‘te meydana gelen çökmenin alttan görünüşü gösterilmiştir.
35
Şekil 26, 27 ve 28 ‘de iki ölçme sonucunda değişimi gözlemleye bilmek için aynı konumda
iki ölçümün üst üste getirilmesi işlemi sonucu ortaya çıkan Geomagic programı
görüntülerinden örnekler verilmiştir.
Şekil 26
36
Şekil 27
Şekil 28
37
Şekil 29
Birbirleri arasındaki yükseklik değişimlerini göstermek için, belli bir aralıkta farklı
yüksekliklere farklı renkler atanarak, temel bir yükseklik modeli oluşturuldu.
Şekil 29, 30 ve 31’de bununla ilgili örnekler verilmiştir.
38
Şekil 30
Şekil 31
39
Yapılan bu işlemlerden sonra yüzey geçirilen nokta bulutları tekrar Cyclone programında
matematiksel olarak yorumlayabilmek için hacim hesaplama işlemleri yapıldı.
Hacim hesaplama işlemi yapılırken kullanılan yüzeyler şekil 32, 33,34, 35 ve 36 te
gösterilmekte şekil 37, 38, 39,40 ve 41’da ise iki ölçüm arasındaki oluşan farklar
gösterilmektedir.
Şekil 32 Taşkın Öncesi
40
Şekil 33 Taşkın Öncesi
Şekil 34 Taşkın Sonrası
41
Şekil 35 Taşkın Sonrası
Şekil 36 Taşkın Sonrası
42
Şekil 37 Taşkın Öncesi ve Sonrasının Birleşimi
Şekil 38 Taşkın Öncesi ve Sonrasının Birleşimi
43
Şekil 39 Taşkın Öncesi ve Sonrasının Birleşimi
Şekil 40 Taşkın Öncesi ve Sonrasının Birleşimi
44
Şekil 41 Taşkın Öncesi ve Sonrasının Birleşimi
5.SONUÇ ve ÖNERİLER
Giriş kısmında da belirtildiği gibi son yıllarda oldukça gelişen bu teknoloji sayesinde, yapılan
mühendislik ölçmeleri kolaylaşmıştır. Bu uygulamada da lazer tarayıcı kullanarak zaman ve iş
gücü açısından oldukça tasarruf sağlanmıştır. Taşkın sonucu oluşan toprak hareketleri oldukça
kolay bir şekilde modellenmiştir. Yapılan bu uygulamanın devamında amacımızda
belirttiğimiz gibi, ağaç vb. doğal silindirik objelerin etrafında oluşacak olan değişimler de
gözlenip, iki ölçmenin aslında farklı sonuçlar doğurduğunu ortaya koymaktır.
Yapılan bu uygulama sadece küçük bir bölgeyi kapsamaktadır, daha büyük alanlar için
havadan lazer tarama işlemlerinin tercih edilmesi daha akıllıca bir sonuç oluşturacaktır.
Kullanılan yazılımlardan verimli sonuçlar elde edilmiştir. Buna benzer gelecek uygulamalarda
da bu yazılımların kullanımı tercih edilebilir.
45
KAYNAKLAR
Mettenleiter, M., 2000. Imaging Laser Radar for 3DModelling of Real World Environments.
Internat. Conference on OPTO/IRS2/MTT. Erfurt, Germany, May 9 – 11.
Boehler, W. and Marbs, A., 2002. 3D Scanning Instruments. In Proceedings of International
Workshop on Scanning for Cultural Heritage Recording – Complementing or Replacing
Photogrammetry. Corfu, Greece, September, 1 – 2.
Boehler, W. and Marbs, A., Investigating Laser Scanner Accuracy - Institute for Spatial
Information and Surveying Technology, FH Mainz, University of Applied Sciences, Mainz,
Germany
Reshetyuk, Yuriy, 2005 “Investigation and calibration of pulsed time-of-flight terrestrial
laser scanners” Department of Transport and Economics Division of Geodesy 100 44
Stockholm
http://www.3dlasermapping.com
Gümüş, K. ,Erkaya, H. 2007 TMMOB Harita ve Kadastro Mühendisleri Odası 11. Türkiye
Harita Bilimsel ve Teknik Kurultayı 2 – 6 Nisan, Ankara
Altuntaş, C., Yıldız F., Yersel Lazer Tarayıcı Ölçme Prensipleri ve Nokta Bulutlarının
Birleştirilmesi
http:// www.riegl.co.at
Wehr, A. and Lohr, U., 1999. Airborne laser scanning – an introduction and overview.
ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing
http://www.isprs.org
http://www.leica.com
Gümüş, K., Erkaya, H., Tunalıoğlu, N. 2009 TMMOB Harita ve Kadastro Mühendisleri
Odası 12. Türkiye Harita Bilimsel ve Teknik Kurultayı 11­15 Mayıs , Ankara
46
Wunderlich, T. A., 2003. Terrestrial Laser Scanners – an Important Step towards
Construction Information. In Proceedings of FIG Working Week. Paris, France, April 13 –
17.
Lichti D.D. ve Gordon S.J. 2004 Error Propagation in Directly Georeferenced Terrestrial
Laser Scanner Point Clouds for Cultural Heritage Recording, Proceedings of FIG Working
Week, s.on CD, Athens, Greece, 22-27
Forkuo E.K. ve King B. 2004 : Automatic Fusion of Photogrammetric Imagery And Laser
Scanner Point Clouds, ISPRS XXth Congress, Commission 4, s.921-926, İstanbul, 12-23
47
Download

ÖNSÖZ İstanbul Teknik Üniversitesi İnşaat Fakültesi