Διευρεύνηση αλγοριθμών για την ανίχνευση παραμορφώσεων από νέφη σημείων επίγειου σαρωτή laser

Abstract

Η διαχρονική παρακολούθηση και ο έλεγχος της κινηματικής συμπεριφοράς των παραμορφώσεων αποτελεί ένα από τα πεδία εφαρμογής της γεωδαισίας και απαιτεί μια τεχνική μέτρησης δεδομένων η οποία θα περιλαμβάνει πολλές επιθυμητές ιδιότητες, όπως η αξιοπιστία, η ακρίβεια, το χαμηλό κόστος και η ευκολία στην χρήση. Υπάρχουν πολλές μέθοδοι οι οποίες ενσωματώνουν μερικές από αυτές τις ιδιότητες. Οι παραδοσιακές γεωδαιτικές τεχνικές μετρούν τις τρισδιάστατες συντεταγμένες ενός προφανούς σημείου αναφοράς ή σύγκρισης, κάτι που τις καθιστά αντιοικονομικές μιας και για μεγάλα ή σύνθετα αντικείμενα θα πρέπει να δημιουργηθεί ένα πυκνό δίκτυο από σημεία. Οι επίγειοι σαρωτές είναι σύγχρονα γεωδαιτικά όργανα τα οποία έχουν πολλά συγκριτικά πλεονεκτήματα όπως οι τρισδιάστατες μετρήσεις, η απομακρυσμένη και χωρίς επα\-φή συλλογή δεδομένων καθώς και δυνατότητα συλλογής πυκνής πληροφορίας (νέφη σημείων). Σε γενικές γραμμές, η διαδικασία για την ανίχνευση παραμορφώσεων που περιγράφτηκε για τις κλασσικές μεθόδους δεν μπορεί να εφαρμοστεί πιστά στα δεδομένα σάρωσης από τους επίγειους σαρωτές μιας και τα μεμονωμένα σημεία των επαναλαμβανόμενων σαρώσεων δεν αναφέρονται ακριβώς στην ίδια θέση.

Οι συγκρίσεις των δεδομένων σάρωσης μπορούν να ταξινομηθούν σε 3 μεγάλες κατηγορίες. Στην πρώτη κατηγορία γίνεται σύγκριση απ` ευθείας των σαρώσεων. Στην δεύτερη κατηγορία γίνεται σύγκριση του νέφους σημείων με μία επιφάνεια και στην τρίτη κατηγορία τα νέφη σημείων που λαμβάνονται από τον σαρωτή μοντελοποιούνται και συγκρίνονται οι επιφάνειες που προκύπτουν από τις σαρώσεις. Η παρούσα διπλωματική ασχολείται με την πρώτη κατηγορία όπου τα παραγόμενα νέφη συγκρίνονται απ` ευθείας.

Συγκεκριμένα ο σκοπός της παρούσας διπλωματικής είναι η διερεύνηση των αλγορίθμων α)του εγγύτερου γείτονα, β)της εγγύτερης επιφάνειας, γ) του εγγύτερου κάθετου διανύσματος, και δ) του αλγόριθμου σύγκρισης με βάση τον ICP. Για την αξιολόγηση των αλγορίθμων χρησιμοποιήθηκαν τόσο προσομοιωμένα όσο και πραγματικά δεδομένα και φάνηκε ότι είναι δυνατή η ανίχνευση παραμορφώσεων της τάξης των 9 mm. Όλοι οι αλγόριθμοι ήταν σε θέση να εντοπίσουν τις παραμορφώσεις αλλά αυτός που είχε το μικρότερο σφάλμα και ήταν ο πιο ακριβής ήταν ο αλγόριθμος της εγγύτερης επιφάνειας. Αντιθέτως ο αλγόριθμος του ICP ήταν ο πιο αποτελεσματικός στην εξάλειψη του θορύβου.

The continuous monitoring of deformation behaviour is one of the fields of geodesy and requires a measurement technique that includes many desirable properties, such as reliability, accuracy, low cost and ease of use. There are many methods which incorporate some of these properties. The traditional surveying techniques measure the three-dimensional coordinates of a reference point, making them uneconomic for a large or complex objects. Terrestrial laser scanners (TLS) are modern geodetic instruments that have many advantages such as tree-dimensional measurements, remote and non-contact data collection capabilities and dense collection of information (point clouds). In general, the procedure for detecting deformations described for the conventional methods can not be applied to the data collected from a terrestrial scanner because the individual points of the repeated scans are not mentioned exactly to the same position.

The comparison of the data from TLS can be classified into 3 major categories. The first category is a direct comparison of scans. The second category is a comparison between the point cloud and a surface and in the third category the points clouds obtained by the scanner are modelled and the resulting surfaces are compared. This thesis deals with the first category.

Specifically, the aim of this thesis is to explore the algorithms of i) the nearest neighbour, ii) the nearest surface, iii) the nearest vertical vector, and iv) an algorithm based on ICP. For the evaluation of the algorithms both simulated and real data was used and it has been shown that it is possible to detect deformation of 9 mm. All algorithms were able to detect the deformations but the algorithm of the nearest surface had the smallest error and it was the most accurate algorithm. However the algorithm of the ICP was the most effective in eliminating the noise.