Lähilaserkeilauksella kohde kolmiulotteiseksi
Kirjoittajat: Hannu Hyyppä, TKK, Marika Ahlavuo, TKK ja Antero Kukko, Geodeettinen laitos
Artikkeli pdf-muodossa (Positio 1/2009)
Lähilaserkeilaus tarjoaa mittatarkkaa ja nopeasti hyödynnettävää tietoa pienistäkin kohteista. Eurooppalaiset museot ovat menetelmän jo löytäneet, kolmiulotteinen paikkatieto odottaa vielä läpimurtoaan.
Laseriin perustuvan 3D-mallintamisen tekniikat ovat kehittyneet vauhdilla. Käytetyimmät mittatarkat 3D-mallinnusteknologiat ovat tällä hetkellä digitaalikuvaus ja laserkeilaus.
Laajojen ja yksityiskohtaisten mallien tekeminen kymmenistä tai jopa sadoista erillisistä digitaalikuvista on työlästä. Yksityiskohtaisten tietojen kerääminen kohteesta kolmiulotteisena vaatii myös tarkempia työkaluja. Laserkeilatessa pistepilven tiheys voidaan määritellä sen mukaan, kuinka tarkka pinnan malli tarvitaan. Mitä tiheämpi pistepilvi, sitä tarkempi analyysi pinnan rakenteesta voidaan tuottaa – myös siinä olevista virheistä.
Museot innostuivat esinemallinnuksesta
Ensimmäinen 3D-lähilaserkeilain esiteltiin yli kymmenen vuotta sitten. Laite ja sen tuomat mahdollisuudet herättivät kiinnostusta varsinkin museoalalla. Korvaamattomien keraamisten esineiden esillepano yleisölle on korvattu osittain laserkeilaimien avulla tuotetuilla kopioilla. Alkuperäiset aarteet säilytetään vartioituna tiloissa, joissa lämpötila-, kosteus ja valo-olosuhteet ovat optimaaliset.
Kun Ateneumin julkisivu betoniveistoksineen entisöitiin vuonna 2006, lähilaserkeilausmenetelmän sopivuutta kokeiltiin julkisivun dokumentointiin.
Käyttäjiä vielä vähän
Laserkeilausta ovat kehittäneet fotogrammetrian asiantuntijat erityisesti mittaustehtävissä.
- Laserkeilauksen mahdollisuuksista tiedetään yhä enemmän. Tutkimusta laserkeilausaineiston tehokkaammasta hyödynnettävyydestä tehdään jatkuvasti niin kotimaassa kuin ulkomaillakin. Suomessa uranuurtajia ovat TKK ja Geodeettinen laitos, kertoo professori Juha Hyyppä Geodeettisesta laitoksesta.
- Käyttäjiä on vielä melko niukasti siihen nähden, mitä mahdollisuuksia uusi tekniikka tarjoaa paikkatietoalalla. 3D-laserskannerille on käyttöä kaikkialla, missä kohteen kolmiulotteisuudella tai yleensäkään muodolla on merkitystä, jatkaa Hyyppä. Laserkeilaus on yksi parhaista tekniikoista toteuttaa 3D-malleja ja virtuaalitodellisuutta reaalimaailmasta.
Teollisuuslaserkeilaimet on tarkoitettu erityisesti pienien kohteiden erittäin tarkkaan mittaamiseen. TKK ja Geodeettinen laitos on hankkineet tutkimuskäyttöön yhteisen Konica-Minoltan lähilaserkeilaimen.
- Konica Minoltan keilainten toiminta perustuu optiseen kolmiomittaukseen, jossa mitattavaa kohdetta pyyhkäistään laserjuovalla. Kohteesta takaisin heijastuva valo kulkee linssin lävitse sensorin pinnalle, jossa sen sijainti rekisteröidään, kertoo toimitusjohtaja Peter Korhonen Mitaten Finland Oy:stä. Kohteen etäisyys lasketaan valonlähteen ja sensorin välisen etäisyyden ja havaittavan valon saapumiskulman perusteella.
Tällaisia keilaimia käytetään teollisuusmittauksissa esimerkiksi muotinvalmistuksen yhteydessä, missä kappaleen valmistustoleranssi voi olla millimetrin kymmenes- tai sadasosan luokkaa. Laitteen käytön rajoituksena on lyhyt mittausetäisyys ja tyypillisesti suuret katvealueet. Suurin mittausetäisyys on yleensä muutama metri, jolloin kohteesta voidaan kattaa noin neliömetrin suuruinen alue kerrallaan. Kohteeseen syntyviä katvealueita voidaan pienentää pyörittämällä kohdetta ja yhdistämällä useammasta suunnasta mitatut aineistot. Tarkimmillaan mittalaitteen syvyyssuunnassa (z-suunnassa) päästään sadasosamillien tarkkuuteen.
Pistepilviä jalostetaan
Keilaus- ja mallinnus kattaa yksinkertaistettuna seuraavat vaiheet: mittauksien suunnittelu, keilaukset eri suunnista, keilatun 3D-pistepilven rekisteröiminen, pisteaineiston suodattaminen ja kohinan poistaminen sekä varsinaisen kohteen mallinnus.
Pistepilvestä tehdään kolmioverkko ja pintamalleja. Toisinaan pistepilvet sisältävät pisteitä turhan tiheästi, jolloin aineiston käsittely vaikeutuu. Pisteistön tiheyttä voidaan silloin harventaa ilman, että kohteen muoto kärsii. Pisteaineiston suodatukseen kuluu myös kohteeseen kuulumattomien pisteiden rajaus pois käsiteltävästä aineistosta. Tarkoituksena on vähentää käsittelyn kohteena olevan aineiston määrää mahdollisimman pieneksi, jolloin käsittely on helpompaa.
Joskus pintamalliin jää mittausgeometrian tai pinnan heijastusominisuuksien vuoksi aukkoja, joita voidaan täyttää ja poistaa ohjelmistojen toiminnoilla. Digitaalikuvista voidaan yhdistää tekstuurit laserkeilattuun pintamalliin muun muassa virtuaalimallin luomiseksi.
Laserkeilauksen yhteydessä rekisteröinnillä tarkoitetaan yleensä samasta kohteesta eri suunnista keilattujen aineistojen yhdistämistä toisiinsa tai laserpistepilven muuntamista maastokoordinaatistoon tunnettujen pisteiden tai piirteiden avulla.
- Toimenpide voidaan toteuttaa usealla eri tavalla. Aineistoista voidaan etsiä vastinpisteitä tai -piirteitä ja löytää niiden avulla muunnosparametrit. Toinen yleisesti käytetty menetelmä on pistepilven yhteensovitus pinnan kanssa. Pinta luodaan referenssinä pidettävästä laserpistepilvestä esimerkiksi kolmioimalla. Rekisteröitävää laserpistepilveä verrataan pintaan. Perusajatuksena on minimoida pisteiden etäisyys pinnasta iteratiivisen laskentaprosessin avulla. On tärkeää etsiä ensin hyvä likiarvo rekisteröinnille, jotta laskenta ei juutu paikalliseen minimikohtaan, selventää yliopisto-opettaja Petri Rönnholm TKK:n fotogrammetrian ja kaukokartoituksen tutkimusyksiköstä.
Tuomiokirkon reliefit keilattiin nosturista
Harvalla teknisellä laitteella on yhtä monta sovellusaluetta ja -kohdetta kuin 3D-skannerilla. Laitteet soveltuvat esimerkiksi metalliteollisuuden ja lääketieteen tarpeisiin, arkeologian sovelluksiin sekä useilla muillakin aloilla erilaisten pintojen ja muotojen muutosten seuraamiseen. Lähilaserkeilauksen soveltuvuutta on tutkittu myös maantieteellisissä ja biologisissa sovelluksissa.
Helsingin tuomiokirkon julkisivuilla olevien kipsireliefien keilaus on hyvä esimerkki teollisuuskeilaimen käytöstä digitaalisessa tallentamisessa kulttuurihistorian ja rakennustaiteen saralla. Museovirasto halusi kokeilla vuonna 2006 digitaalista tallentamista perinteisten mittaus- ja valokuvausmenetelmien rinnalla ennen reliefien entisöintiä. Ankarien säiden vaikutuksesta reliefit olivat rapistuneet huonoon kuntoon ja ne haluttiin entisöidä.
- Keilausaineiston avulla voidaan reliefin tuhoutumisen tai rikkoutumisen sattuessa valmistaa tarkalleen uusi kopio. Tuomiokirkko asetti haasteita mittaukselle, koska reliefit olivat korkealla ja ulkotilassa. Keilaukset tehtiinkin lopulta yöllä nosturin korista. Keilauksia tehtiin useita kymmeniä sekä kohtisuorasta että sivuilta, kertoo Peter Korhonen.
- Lähilaserkeilausaineistoa voidaan jatkossa hyödyntää kohteiden digitaalisten 3D-dokumenttien muodossa. Pintojen ja muotojen seuraamisen tueksi saadaan aineistoa, jonka pohjalta uudis-, korjaus- ja entisöintityöt on nykyistä helpompi suunnitella, ja muutoksia voidaan tarkastella halutulla aikajänteellä. Tarkka työprosessin tunteminen onkin edellytys parhaan hyödyn saamiseksi mittausaineistosta. Saadun kolmiulotteisen paikkatiedon hyödyntäminen on yksi jatkotutkimuskohteista, jatkaa Peter Korhonen.
Hannu Hyyppä työskentelee dosenttina TKK:lla ja on TKK:n uudessa Rakennetun ympäristön mittauksen ja mallinnuksen instituutissa johtajana. Sähköposti: hannu.hyyppa[at]tkk.fi.
Marika Ahlavuo toimii TKK:n Rakennetun ympäristön mittauksen ja mallinnuksen instituutissa koordinaattorina. Sähköposti: marika.ahlavuo[at]tkk.fi.
Antero Kukko työskentelee erikoistutkijana Geodeettisessa laitoksessa ja Rakennetun ympäristön mittauksen ja mallinnuksen instituutissa tutkimuspäällikkönä. Sähköposti: antero.kukko[at]fgi.fi.
Lähilaserkeilaus pähkinänkuoressa
Laserkeilauksella tarkoitetaan yleisesti mittausmenetelmää, jossa etäisyyden mittaus perustuu laserkeilaimesta lähtevän valon kulkuun laitteesta kohteeseen ja takaisin. Laserkeilaimet voidaan jakaa käyttötapansa perusteella kolmeen luokaan: ilmalaserkeilaimet, maalaserkeilaimet ja lähilaserkeilaimet, joista käytetään myös nimityksiä teollisuuslaserkeilain tai 3D-esineskanneri.
Lähilaserkeilain on laite, jolla voidaan muutamassa sekunnissa kuvata valittu kohde ja siirtää kuva kolmiulotteisena tietokoneen näytölle. Jotta keilattavaa kohdetta voidaan tarkastella kolmiulotteisesti, se täytyy kuvata tai skannata vähintään neljästä eri suunnasta. Käyttämällä ns. pyörityspöytää saadaan kohdetta pyöritettyä automaattisesti.
Skannauksen tuloksena saadaan kolmiulotteinen pistepilvi, jota voidaan jalostaa mm. pintamalliksi, kolmioverkoksi tai CAD-malliksi. Kolmiulotteista kuvaa voidaan pyörittää, tarkastella eri kulmista ja sitä voidaan ryhtyä muokkaamaan digitaalisesti. Luodusta mallista voidaan mitata ja tarkastaa yksityiskohtia mm. reikiä, kulmia, halkeamia ja niiden paikkoja ja etäisyyksiä toisiinsa millimetrin sadasosien tarkkuudella.
Keilaimet ovat kalliita ja niiden käyttäminen vaatii erityisosaamista. Uuden tekniikan hyödyntäminen tuottaa kuitenkin uusia sovelluskohteita sitä mukaa, kun osaaminen ja tekniikan hyödyntäminen nopeutuu. Kohteen muoto, pinta, sijainti, valaistus- ja keilausolosuhteet asettavat kuitenkin rajoituksia keilaukselle.
Lähilaserkeilainlaitteita on Suomessa vain muutamia yritysten, tutkimuslaitosten ja yliopistojen omistuksessa. Päinvastoin kuin ilmalaserkeilausohjelmistojen kohdalla, yksikään laserkeilausohjelmisto ei ole saavuttanut kiistatonta markkinajohtajuutta. Aineistot käsitellään usein ensin keilaimen laitevalmistajan omalla ohjelmistolla, jonka jälkeen pistepilveä voidaan mallintaa keilausta varten suunnitelluilla ohjelmistoilla kuten RapidFormilla tai Geomagicilla. Laserkeilainaineiston käsittely vaatii yleensä useampia sovellusohjelmia käyttötarkoitusten mukaan. Keilauspisteet tai valmiit mallit voidaan edelleen siirtää muun muassa CAD-ohjelmistoihin halutussa formaatissa.
22.6.2010 15:44