Eroavatko mittalaitteiden aineistot? Kuinka paljon?

Otsikkokuva

Edellisessä blogissa käsittelimme, millä perusteilla kannattaa valita käyttötarkoitukseen sopiva mittalaite ennen mittausta ja sen aikana. Tällä kertaa selvitetään miten mittalaitteiden aineistot eroavat toisistaan, jotta voit valita parhaimman omaan käyttötarkoitukseesi. Jokainen mittalaite edustaa omaa kategoriaansa: Trimble X7 maalaserkeilainta, GeoSLAM ZEB Horizon käsikäyttöistä laserkeilainta ja Matterport Pro2 3D-kamera strukturoidun valon kamerajärjestelmää (kuva 1). Tästä syystä niillä on omat vahvuutensa, jotka soveltuvat parhaiten eri sovelluksiin.

Erilaisia mittauslaitteita

Kuva 1. Blogissa esiteltävät laitteet vasemmalta oikealle: robottitakymetri Trimble S9, kolmijalkalaserkeilain Trimble X7, 3D-kamerajärjestelmä Matterport Pro2 3D-kamera ja käsikeilain GeoSLAM ZEB Horizon.

Tarkastellaan ensin mittalaitteita niiden tarkkuuksien mukaan (kuva 2). Mikäli kohteesta halutaan millimetrien tarkkuudella aineistoa, saadaan se parhaiten X7-laserkeilaimella. Tämän mittaustulokset eroavat Trimble S9 -robottitakymetrin etäisyyksistä alle 2 mm verran. Paikoitellen ero on vielä pienempi (alle 1 mm), kun etäisyyksien hajonta otetaan huomioon. Mikäli kohteesta halutaan kevyt realistisen näköinen verkkomalli, voidaan se mitata Matterportilla. Matterportin palvelimen mallista mitattavat piirteet eroavat keskimäärin noin 12 mm verran Trimble S9 -robottitakymetrin etäisyyksistä. Etäisyyksissä on kuitenkin melko suuri hajonta noin 6-19 mm. Etäisyyserot ovat samat Matterportin palvelimen mallin ja MatterPak-paketista ladatun xyz-pistepilven välillä. Nopealla ZEB Horizon -laserkeilaimella voidaan mitata kohde alle 7 mm tarkkuudella, kun pistepilveä verrataan Trimble S9 -robottitakymetrin etäisyyksiin. Tällöin GeoSLAM Connect -ohjelmistossa suodatettu pistepilvi antaa aavistuksen tarkempia tuloksia.

Taulukko eri mittalaitteiden ero mitatuista etäisyyksistä ja niiden hajonta

Kuva 2. Keskimääräinen mittalaitteen ero Trimble S9 -robottitakymetrillä mitatuista etäisyyksistä ja etäisyyksien hajonta.

Pistepilvien tiheys ja vaikuttavat tekijät

Mittalaitetta valitessa on syytä huomioida tarkkuuden lisäksi pistepilven tiheys, koska se vaikuttaa havaittavien kohteiden kokoon. Pistepilven tiheyteen vaikuttaa mittausetäisyys. X7-laserkeilaimen kanssa voi asetuksilla valita pisteiden välisen etäisyyden. Asetuksesta riippuen pisteiden välinen etäisyys on 4-11 mm 10 m etäisyydellä laserkeilaimesta. Muilla laitteilla asetuksien kautta ei voida vaikuttaa pistepilven tiheyteen. Käsikeilain ZEB Horizon pistepilven tiheyteen voi vaikuttaa mittausetäisyyden kautta. Mikäli etäisyys on alle 10 m, on pistetiheys alle 10 cm. Matterportin pistepilvissä vastaavaa etäisyyden vaikutusta ei ole havaittavissa, koska pistepilvi muodostetaan havainnoista tekoälyn avulla kolmioverkkomallista. Samalla pistetiheys on keskimäärin sama kaikkialla xyz-pistepilvessä.

Tarkastelimme seinäpinnoilta pistepilven tiheyttä, joiden havaitseminen on toteutettu laitteesta riippumatta muutaman metrin päästä seinästä. Tältä lyhyeltä etäisyydeltä on jo havaittavissa, minkä kokoisia ovat pienimmät laitteilla havaittavat kohteet. Kaikista laitteista pienimpiä kohteita voidaan havaita  X7:n avulla, koska pisteiden välinen minimietäisyys on keskimäärin 4,7 mm. ZEB Horizon kykenee havaitsemaan keskimäärin noin 20 mm suurempia kohteita. Vastaavasti Matterportilla voidaan havaita piirteitä, jotka ovat suurempia kuin 21 mm. Lisäksi Matterportin pistepilvi jakautuu tasavälisen ruutujakauman mukaan, koska se muodostetaan kolmioverkkomallin pohjalta (kuva 3).

Kuva 3. Laitteiden pisteiden jakauma 10×10 cm kokoisella seinäpinnan alueella.

Löytyykö aineistosta kohinaa?

Pelkällä tarkkuuden ja pistepilven tiheyden vertaamisella ei pystytä valitsemaan parasta mahdollista laitetta käyttötarkoitukseen. Laitteen sovelluskohteesta riippuen myös aineiston kohinaisuudella on merkitystä. Vertailimme laitteiden kohinaisuutta laskemalla seinäpinnan pisteiden etäisyyksien jakaumaa tasopinnasta (kuva 4). Kaikkein vähiten kohinaa ilmenee X7:n aineistossa. 98 % X7:n havainnoista on alle 5,5 mm päässä lasketusta tasopinnasta ja 60 % havainnoista on alle 1,8 mm etäisyydellä. Kohina on siis suuruusluokaltaan noin 4 mm. ZEB Horizon on vuorostaan melko kohinainen, koska kohina suodattamattomassa aineistossa on noin 19 mm. Kohinan määrä saadaan kuitenkin huomattavasti pienemmäksi automaattisella GeoSLAM Connect -ohjelmiston suodattimella. Tällöin kohinan suuruusluokka on noin 7 mm. Samaan kohinaisuusluokkaan kuin suodatetulla ZEB Horizon -laitteella päästään Matterportin xyz-pistepilvellä, jonka kohinaisuus on noin 8 mm.

Kuva 4. Pistepilvien etäisyys tasopinnasta suhteessa pistemäärän prosenttiosuuteen. Näiden pohjalta voidaan laskea kohinan keskimääräinen suuruusluokka. X7:llä etäisyydet vaihtelevat alle 1,8-5,5 mm, jolloin kohinan suuruus on noin 4 mm. Vastaavat luvut ovat ZEB Horizonin kanssa suodattamattomalla noin 19 mm ja suodatetulla noin 7 mm. Matterportin kohdalla Matterport-palvelimen MatterPak xyz-aineistossa kohina on noin 8 mm.

Mittalaitteiden ominaisuuksien koonti

Kun yhdistetään edellisessä blogissa tehdyt havainnot ja tässä blogissa esitellyt tarkkuuden, tiheyden ja kohinan erot, voidaan helpommin valita sopivin mittalaite käyttötarkoitukseen. Koostimme molemmista blogeista esille nousseen piirteet, jotka kannattaa huomioida mittalaitteen valintaa tehdessä (taulukko 1).

Mikäli käyttötarkoitukseen tarvitaan millimetrien tarkkuudella tieto 3D-geometriasta, laitteen tulisi tunnistaa vähintään noin 0,5 cm kokoiset kohteet ja mittaukseen käytettävällä ajalla ei ole rajoitteita, kannattaa valita X7-kolmijalkakeilain. Lisäksi sillä on pitkä kantama, vähäinen kohina ja aineisto on heti käytettävissä, kun kohteessa mittaukset saadaan päätökseen.

Toisaalta käyttötarkoituksessa, jossa mittausaika on rajoitettu sekä mitattavat kohteet ovat 2 cm suurempia että tarkkuuden tulisi olla alle senttimetrin, soveltuu käyttöön parhaiten ZEB Horizon -käsikeilain. Automaattisten prosessointien kautta käyttäjä saa vähäkohinaista aineistoa pitkän kantamankin takaa.

Sisätiloista, joista tarvitaan senttimetrin tarkkuutta ja helposti sekä nopeasti internetissä jaettavaa 3D-mallia, kannattaa aineisto kerätä Matterport Pro2 3D-kameralla. Pelkkien sisätilojen mittaamisen syynä on Matterportin toimintaperiaate, joka hyödyntää infrapunavaloa. Tästä syystä suora auringon valo häiritsee kuvauksia.

Kun valitaan parasta mahdollista menetelmää mittauskohteen mittaamiseksi tietyn sovelluskohteen tarkoitukseen, tulee huomioida monia piirteitä. Yksikään laite ei ole paras mahdollinen kaikessa. Tästä syystä eri mittalaitteet tukevat enemminkin toisiaan, kuin syrjäyttävät toisensa. Joskus paras laite käyttötarkoituksessa voi olla laitteiden yhdistelmä. Tällöin osa kohteesta mitataan yhdellä laitteella ja toinen toisella.

Taulukko 1. Mittalaitteiden ominaisuudet, joiden avulla voi helpottaa käyttötarkoitukseen sopivan laitteen valintaa.

Kirjoittaja

Aino Keitaanniemi
DI, PhD-opiskelija, osa-aikaisesti töissä Geotrimillä

aino.keitaanniemi (at) geotrim.fi

Mainitut tuotteet

Trimble X7

3D-laserkeilain

Trimble S9 / S9 HP

Robottitakymetri

360-kamerajärjestelmät

Matterport 3D-kamerat

GeoSLAM ZEB-HORIZON

Käsiskanneri

Käytännön erot kolmijalkakeilaimen, 3D-kamerajärjestelmän ja käsikeilaimen välillä

mitta ja suunnittelu blogi kuva 3 tabletit

Kuinka valita paras mittalaite sisätilojen 3D-mallintamiseen? Lähdimme selvittämään tätä käytännön kautta, mittaamalla samaa kohdetta kolmella eri laitteella. Nämä laitteet ovat Trimble X7 -kolmijalkakeilain, 3D-kamerajärjestelmä Matterport Pro2 3D ja käsikeilain GeoSLAM ZEB Horizon (kuva 1). Tässä blogissa käymme läpi, miten menetelmät eroavat mittauksen suunnitteluvaiheessa sekä mittauksen aikana. Seuraavassa blogissa syvennymme tarkemmin aineistojen eroihin. Mittauksen työnkulun ja aineistojen pohjalta on helpompi valita sopivin mittalaite käyttötarkoitukseen.

mitta ja suunnittelu blogi kuva 1

Kuva 1. Blogissa esiintyvät laitteet vasemmalta oikealle: Trimble X7, Matterport Pro2 3D-kamera ja GeoSLAM ZEB Horizon.

Blogisarjan kohteena oli perinteinen toimistokäytävä, jonka varrella oli eri kokoisia neuvotteluhuoneita. Sen pinta-ala oli 400 m2 ja kuvassa 2 esitellään sen pohjapiirros. Ennen aineistojen keruuta avasimme jokaisen mitattavan huoneen ovet ja sytytimme valot. Käytännössä vain Matterport 3D-kamera tarvitsee tasaisen valotuksen kuviinsa, jotta niistä pystytään muodostamaan yhtenäinen kokonaisuus. Tästä huolimatta sytytimme valot myös laserkeilauksien ajaksi, jotta pistepilvien visualisoinnissa ei olisi suuria eroja tilojen välillä. Laitteiden aineistojen tarkastelua varten lisäsimme toimistokäytävälle ja neuvotteluhuoneisiin yhteensä 25 paperista shakkiruututähystä. Nämä mittasimme Trimble S9 -takymetrillä, jonka tarkkuus on 2 mm. 

Kuva 2. Vasemmalla puolella toimistokäytävän pohjapiirros ja oikealla puolella shakkiruututähys, jota mitataan GeoSLAM ZEB Horizonilla.

Työnkulku

Työnkulultaan mittalaitteet ovat samanhenkisiä. Kaikilla laitteilla mitatessa täytyy valmistella kohde mittausta varten avaamalla ovet haluttuihin tiloihin. Samoin mittaukset tulee suunnitella ennakkoon, jotta voidaan millä tahansa mittalaitteella saada paras mahdollinen tulos. Varsinaisessa mittauksessa laitteet eroavat menetelmänsä vuoksi, mutta käytännössä erot ovat pieniä. Lopuksi aineistojen keräämisen jälkeen täytyy aineistoista muodostaa luettavia pistepilviä.

Jokaisella laitteella mitatessa on hyvä suunnitella mittauksen toteuttaminen esimerkkisi pohjapiirroksen avulla. Suunnittelun kannalta X7 ja Matterport 3D-kamera ovat samankaltaisia, koska molemmissa tapauksissa tulee suunnitella keilaus-/kuvauspaikat. Eroavan toimintaperiaatteen vuoksi suunnitelman tekeminen ei kuitenkaan ole identtinen. X7-laserkeilaimen kanssa käyttäjä määrittää mittausasetukset eli pistepilven tiheyden ja laserkeilaukseen kuluvan ajan. Vastaavia asetuksia ei voi valita muilla mittalaitteilla. Lisäksi Matterport 3D-kameran sijainteja tulee sijoitella enemmän kuin laserkeilaussijainteja, koska sen mittauskantama on 4,5 m. Laserkeilaimilla mittauskantama on 80 m (X7) ja 100 m (ZEB Horizon). ZEB Horizon -mittauksen suunnittelussa määritetään laitteen kanssa käveltävä reitti. Tämän reitin suositellaan kulkevan mittauskohteen ympäri ja päättyvän samaan paikkaan josta mittaus aloitettiin. Lisäksi reitti tulisi olla käveltävissä alle 30 minuutissa tai muuten mittaus tulee suorittaa useammalla erillisellä reitillä. 

Helposti aineistoa millä tahansa laitteella

Mittausten suunnittelun lisäksi kaikki käytetyt laitteet ovat helppokäyttöisiä. Kun X7 ja Matterport 3D-kamera ovat kolmijalallaan, voidaan niitä siirtää vapaasti haluttuihin sijainteihin ja ohjata itse aineiston keruuta tabletin ohjelmistolta. Aineistonkeruun aikana käyttäjä voi seurata työn edistymistä reaaliajassa (kuva 3). 

mitta ja suunnittelu blogi kuva 3 tabletit

Kuva 3. Reaaliaikaisen ohjausohjelmiston näkymät. Vasemmalla puolella Trimble X7:n ohjausnäkymä ja oikealla puolella Matterport Pro2 3D-kameran ohjausnäkymä. 

Myös ZEB Horizon on helppokäyttöinen, koska sen käyttämisessä tarvitaan vain paria nappia. Itse mittauksen aikana kaikilla laitteilla kannattaa edetä loogisesti. Tästä syystä aloitimme kaikilla laitteilla yhdestä kohteen päästä ja etenimme vastakkaista päätä kohden. ZEB Horizon -laitteen kohdalla kuitenkin palattiin takaisin alkuun, jotta saatiin mittaus suljettua. X7-laserkeilaimella käytimme koko alueen kartoittamiseen 41 keilausasemaa, jotka laserkeilain rekisteröi jo mittauksen aikana tabletin Trimble Perspective -sovelluksessa. Vastaava kuvausasemien määrä Matterportilla on 72 kuvausasemaa, koska mittausetäisyys on huomattavasti lyhyempi. Kuvausasemien väliset suhteet käyttäjä näkee 2D-kuvana kuvauksen aikana. Kuvassa 4 on kuvattu toteutuneet laserkeilaus-/kuvausasemat sekä ZEB Horizonin kanssa kuljettu reitti.

Mitta ja suunnittelu blogi 4 mittaukset

Kuva 4. Kuvaus-/laserkeilausasemat ja ZEB Horizon-laitteen mittausreitti.

Työnkulultaan suurimmat erot laitteissa ovat mittaukseen kuluva aika ja aineiston prosessointi. Soveltuvan laitteen valinnassa ei kuitenkaan kannata katsoa vain mittausaikaa tai tarkkuutta. Näiden yhdistelmästä löytyy yleensä paras mahdollinen laite käyttötarkoitukseen. Ajallisesti X7 tarvitsi noin kaksi tuntia kohteen laserkeilaamiseen (taulukko 1). Vaikka laserkeilausasemia tarvitaan vähemmän, vievät yksittäiset keilausasemat enemmän aikaa kuin muilla menetelmillä.  Samaan aikaan X7 kerää kuitenkin huomattavasti enemmän pistehavaintoja verrattuna muihin laitteisiin. Matterport 3D-kameralla saatiin kohde kuvattua noin tunnissa. Yhden kuvausaseman kuvaaminen 3D-kameralla vie noin 30 sekuntia. Kaikkein nopein menetelmä on ZEB Horizon, jolla mitattiin kohde viidessä minuutissa. Tämä onnistuu, koska ZEB Horizon kerää pistehavaintonsa liikkeessä. 

Mitta ja suunnittelu blogi taulukko 1

Taulukko 1. Mittalaitteiden erot taulukossa.

Laitteiden aineistojen prosessointi on tehty myös helpoksi automatisoinnin avulla. X7 laserkeilaimessa automatisointi on viety niin pitkälle, että valmis pistepilviaineisto on heti vietävissä suoraan mittauksen jälkeen toisiin ohjelmistoihin. Tämä tarkoittaa sitä, että X7 rekisteröi keilausasemat laserkeilauksen aikana ja rekisteröidyn pistepilven voi viedä Trimble Perspective -ohjelmistosta monissa eri formaateissa.

ZEB Horizon laitteen aineistojen prosessointi vaatii käyttäjältä hieman enemmän. Ennen automatisoitua rekisteröintiä käyttäjä valitsee lopullisen pistepilven formaatin, suodatetaanko aineistoa ja millainen aineisto on kyseessä esimerkiksi sisätila. Tämän jälkeen GeoSLAM Connect–ohjelmisto prosessoi aineiston automaattisesti pistepilveksi.

Myös Matterport 3D-kameran aineiston prosessointi on automatisoitu. Käyttäjä lähettää aineiston suoraan aineistonkeruussa käytetystä tabletista Matterportin palvelimelle prosessoitavaksi. Lopullinen aineisto ilmestyy palvelimelle automaattisen prosessoinnin jälkeen.  Se on suoraan tarkasteltavissa ja jaettavissa verkkosivun palvelimella. Verkkosivun mallista voidaan mm. mitata etäisyyksiä tai lisätä aineistoon videoita tai muuta sisältöä. Aineiston voi myös ladata paikalliselle tietokoneelle xyz- ja e57-pistepilvinä ja obj-verkkomallina.

Loppukatsaus laitteiden eroihin

Työnkulultaan laitteet eivät eroa suuresti toisistaan. Kaikki mittalaitteet ovat helppokäyttöisiä ja vahvasti automatisoituja prosessoinnin osalta. Eli käytössä suurimmat erot löytyvät mittaustavoista ja siihen kuluvasta ajasta. X7 ja Matterport 3D-kamera vaativat enemmän aikaa, koska ne suorittavat aineiston keruun kolmijalalta. Vastaavasti ZEB Horizon pystyy mittaamaan kohteen liikkeessä. Lisäksi käyttäjän kannattaa pohtia käyttötarkoituksen vaatiman aineiston muotoa. Tarvitaanko kohteessa laserkeilainta (pitkiä etäisyyksiä ja ulkotiloja) vai riittääkö strukturoidun valon 3D-kamera (sisätilat). Myös lopullisen aineiston käytön osalta kannattaa pohtia tarvitaanko selaimessa helposti jaettavaa 3D-mallia vai riittääkö pistepilvi ja siitä tuotettavat jatkotuotteet käyttötarkoituksen tarpeisiin. 

Kirjoittaja

Aino Keitaanniemi
DI, PhD-opiskelija, osa-aikaisesti töissä Geotrimillä

aino.keitaanniemi (at) geotrim.fi

Laitteet

Trimble X7

3D-laserkeilain

GeoSLAM ZEB-HORIZON

Käsiskanneri

360-kamerajärjestelmät

Matterport 3D-kamerat

Työmaadokumentointi ilman suurta kuvakansiota

NCC:llä siirrytään askel askeleelta kohti edistyneempää työmaadokumentointia. Riku Laiho, Head of VDC (Virtual Design and Construction), ja Aku-Matti Kauppinen, projekti-insinööri, ovat valjastaneet Matterport Pro2 3D-kameran  apuvälineekseen jo useammalla työmaalla. Tällä kertaa Matterport pääsi työmaalle Jakomäessä, jossa Jakomäen sydän -palvelurakennus rakentuu allianssissa kaupungin, suunnittelijoiden ja NCC:n yhteistyönä. Palvelurakennus tulee sisältämään alueen peruskoulun, päiväkodin, nuorisotalon sekä kansalaistoimintaa. 

Aku-Matti Kauppinen ja Matterport Jakomäen palvelurakennuksen pääportailla.

Matterport 3D-kamera pääsi NCC:n matkaan erään kehityshankeen myötä, jolloin kaivattiin työkalua tekemään 360 asteen dokumentointia työmaalta. Tämän hankkeen jälkeen Matterport-kamera on ollut mukana useilla työmailla sen käytön helppouden vuoksi. Sillä saa kätevästi lähtötiedot kartoitettua. Tämä toteutettiin myös Jakomäen liikuntasalissa samalla, kun suunnittelijat olivat tekemässä omaa katsaustaan. Malliin myös palattiin muutamia kertoja ja se nopeutti suunnittelun etenemistä. Sen takia ei tarvinnut seisauttaa suunnittelua, jotta joku ehtisi käydä paikan päällä tarkistamaan pienen yksityiskohdan. Asia voitiin tarkistaa suoraan työpöydän ääressä eikä aikaa hukattu odotteluun.

Jakomäessä Matterport-kamera pääsi myös mukaan lattialämmitysputkien dokumentoinnissa ja laadunvalvonnassa. Kun putket oli saatu paikoilleen tuotettiin tiloista Matterport malli. Tällä tavalla dokumentoinnissa vältetään tarve kuvata satoja yksityiskohtaisia kuvia kohteesta, jotka tarvisi kansioida ja nimetä vielä tunnistettavasti oikeisiin tiloihin liittyen. Matterport-kameran kuvat näyttävät tarkkojen yksityiskohtien lisäksi tunnistettavasti kuvauskohteen ympäristön. Tästä syystä Matterportin malli pääsi myös mukaan lattialämmitysputkien jälkeen tehtävien muutosten suunnittelussa. Samalla varmistettiin ettei lämmitysputket jää tulevien väliseinien alle. 

Kuvakaappaukset Matterport-mallista sekä sisältä että koko lattiapinnasta lattialämmitysputkien asennuksen jälkeen.

Matterport-kamera valmiin projektin esittelyssä

NCC on käyttänyt Matterport-kameraa myös valmiin projektin esittelyssä. Tämä on suunnitteilla myös Jakomäessä, jotta tulevat opiskelijat voisivat tutustua kouluun jo ennen rakennuksen virallista avautumista. Matterport tarjoaa mahdollisuuden esitellä tiloja virtuaalisesti, joten satojen koululaisten työmaavierailulle ei tarvitse toteuttaa suuria suunnitelmia. Rakennus voidaan mallintaa turvallisesti ja nopeasti. Lopullinen malli voidaan jakaa selaimessa ja siellä voi jopa liikkua virtuaalisesti Samsung Gear VR tai Google Cardboard Headset:n avulla.

Nämä ovat vasta ensimmäisiä askeleita Matterportin ja NCC:n yhteisellä matkalla. Yhdessä he etsivät jatkuvasti uusia käyttötarkoituksia Matterport 3D-kameralle.

Kirjoittaja: Aino Keitaanniemi

Miksi sovittaisin eri menetelmillä kerätyt pistepilviaineistot yhdeksi pistepilveksi?

Suunnitteletko rakennuksen korjausrakentamista? Oletko törmännyt tilanteeseen, jossa pistepilviaineiston kerääminen eri menetelmiä yhdistämällä olisi ajallisesti kannattanut? Usein työltä vaaditaan tehokkuutta ja luotettavuutta, jotta hanke olisi kannattava. Tämä pätee myös ja erityisesti rakennuksen korjausrakentamisessa. Kustannukset nousevat kellon raksuttaessa, aikaa on rajallisesti ja mahdollisen myöhästymisen uhkasakot ahdistavat.

Jotta kerätyn pistepilviaineiston laatu ei kärsisi, on tärkeää tunnistaa, mikä menetelmä sopii parhaiten mihinkin tilanteeseen. Esimerkiksi Matterportin kamera on tehokas ja vaivaton tapa kerätä rakennuksen sisätiloista pistepilviaineistoa, mutta sen toimintaperiaate rajoittaa laitteen käyttöä ulkona. Rajoittavana tekijänä on auringonvalo, joka on samalla aaltopituudella kuin Matterport. Tästä syystä ulkotilat kannattaa täydentää pistepilveen laserkeilaimen avulla.

Miten laserkeilauksella ja Matterportin kameralla kerätyt pistepilvet voidaan yhdistää?


Laserkeilaimella ja Matterportin kameralla kerätyt pistepilvet voidaan yhdistää toisiinsa joko tähysten avulla tai pistepilvipohjaisesti. Tähyksinä voidaan käyttää Matterportin omia tähyksiä, jolloin tähykset auttavat suurien tilojen mallinnusta Matterportilla sekä pistepilvien yhdistämistä (Lisätietoa asiasta englanniksi Matterportin sivuilta). Tähykset tulee sijoitella mallinnusalueelle ennen kuin aloittaa aineiston keräämisen. Yhdistämisen varmistamiseksi täytyy molemmissa aineistoissa näkyä vähintään kolme (3) yhteistä tähystä.

Käytännössä yhdistäminen tapahtuu vasta toimistolla, kun molemmat aineistot ovat esikäsitelty. Matterport-pistepilvi ladataan MyMatterport-palvelimelta MatterPak-tiedostona, joka sisältää pistepilven lisäksi kolmioverkkomallin kohteesta. Laserkeilauksen pistepilvi täytyy myös esikäsitellä eli rekisteröidä erilliset laserkeilausasemat yhdeksi pistepilveksi. Tähyksillä yhdistäessä valittu pistepilviohjelmisto vaikuttaa aineistojen yhdistämiseen. Toisissa ohjelmistoissa joudut manuaalisesti näyttämään vastaavat tähykset aineistojen välillä, kun taas toisissa se voi onnistua automaattisesti. Tähysten osoituksen jälkeen saat tiedon kuinka tarkasti pistepilvet osuivat yhteen.

Toinen menetelmä pistepilvien yhdistämiselle on pistepilvipohjainen yhteensovitus. Tällöin on parasta, että molemmilla laitteilla kerätään aineistoa samalta alueelta. Tämän yhteisen alueen tulee olla vähintään 10 % koko pistepilviaineistosta. Lisäksi tarkempi tulos saadaan, jos päällekkäisyysalue ei ole vain yhdellä puolella rakennusta. Tämä vähentää pistepilvien välisiä kiertymiä (kuva 1).

 Jos ei ole tarkkana, voi vähäisellä päällekkäisyydellä pistepilvet kiertyä. Kaukaa rekisteröinti voi näyttää hyvältä, mutta läheltä katsottuna löytyy virheitä. Kuten kuvan vasemmalla olevasta ikkunasta voi havaita. Matterport 3D-kameran pistepilvi (ruskean sävyinen) on kiertynyt TX8-laserkeilaimen pistepilveen nähden (punasävyinen), kun yritetään yhteensovitusta näiden pistepilvien välillä.Kuva 1) Jos ei ole tarkkana, voi vähäisellä päällekkäisyydellä pistepilvet kiertyä. Kaukaa rekisteröinti voi näyttää hyvältä, mutta läheltä katsottuna löytyy virheitä. Kuten kuvan vasemmalla olevasta ikkunasta voi havaita. Matterport 3D-kameran pistepilvi (ruskean sävyinen) on kiertynyt TX8-laserkeilaimen pistepilveen nähden (punasävyinen), kun yritetään yhteensovitusta näiden pistepilvien välillä.

Pistepilvipohjaisella menetelmällä aineistot esikäsitellään samalla tavalla kuin aikaisemmin. Käyttämäsi pistepilviohjelmisto vaikuttaa yhdistämisen toteutukseen. Yhdistäminen voi onnistua joko näyttämällä pistepilvelle muutamia yhteisiä piirteitä tai manuaalisesti sovittamalla pistepilvet yhteen. Manuaalisen sovituksen jälkeen ohjelmistoissa on työkalu, joka toteuttaa automaattisesti tarkemman yhteensovituksen. Tämä antaa lopulta sovitukselle tarkkuuden.

Pistepilvipohjaisella menetelmällä aineistot esikäsitellään samalla tavalla kuin aikaisemmin. Käyttämäsi pistepilviohjelmisto vaikuttaa yhdistämisen toteutukseen. Yhdistäminen voi onnistua joko näyttämällä pistepilvelle muutamia yhteisiä piirteitä tai manuaalisesti sovittamalla pistepilvet yhteen. Manuaalisen sovituksen jälkeen ohjelmistoissa on työkalu, joka toteuttaa automaattisesti tarkemman yhteensovituksen. Tämä antaa lopulta sovitukselle tarkkuuden.

Luontokeskus Haltian pistepilviaineiston kerääminen Matterportin Pro2 3D-kameran, TrimbleTX8-laserkeilaimen sekä GeoSLAM ZEB-REVO RT-käsiskannerin avulla


Kohteenamme oli Suomen Luontokeskus Haltia Nuuksiossa. Sisätilat mallinsimme Matterportilla sekä kädessä kannettavalla GeoSLAM ZEB-REVO RT -laserkeilaimella. Sisätilan lisäksi laserkeilasimme ZEB-REVO RT:llä terassialueita. Noin puoli vuotta myöhemmin kävimme laserkeilaamassa Haltian ulkopuolen Trimble TX8 -laserkeilaimella. Tästä syystä emme voineet käyttää tähyksiä, joten yhdistäminen täytyi tehdä pistepilvipohjaisesti. Yhteensä pistepilvien tuottamiseen kului noin 14 h ja lopulliseen yhdistämiseen noin 1h.

Kuva 2) Aineisto kerättiin seuraavilla laitteilla; Matterport (vasemmalla), TX8 (keskellä) ja ZEB-REVO RT (oikealla).

Puolen vuoden tauon ja ihmispaljouden vuoksi keräsimme Matterportilla aineiston vain sisätiloista ja TX8:lla vain ulkona. Tästä syystä aineistojen välillä oli vain 3 % päällekkäisyys, joka muodostui ikkunoiden kautta tehdyistä TX8-laserkeilaimen havainnoista. Tämä ei kuitenkaan estänyt yhteensovitusta, koska olimme laserkeilanneet myös ZEB-REVO RT:llä. Sillä on päällekkäisiä havaintoja Matterportin kanssa 25 % ja 8 % TX8:n kanssa. Päätimme sovittaa ensimmäisenä Matterportin ZEB-REVO RT:n pistepilveen. Sen jälkeen sovitimme TX8:n pistepilven ZEB-REVO RT:n pistepilveen. Lopuksi yhdistimme Matterportin ja TX8 pienellä hienosäädöllä yhteen.

Pistepilviaineistojen sovittaminen yhdeksi pistepilveksi


Tällä kertaa käytimme Trimble RealWorks -ohjelmistoa ja sen pilvipohjaista yhdistämistyökalua. Ennen eri menetelmien pistepilvien yhdistämistä rekisteröimme TX8-aineistot yhdeksi pistepilveksi ja värjäsimme pistepilvet. Pistepilvet värjättiin laserkeilauksen kanssa samanaikaisesti otetuilla valokuvilla. Nämä kuvat yhdistettiin ensin panoraamakuviksi, jotka yhdistettiin keilausasemiin Trimblen RealWorks-ohjelmistossa. Värjäämisessä käytettiin RealColor-työkalua, jossa jokaiselle keilausasemalle valitaan vastaava panoraamakuva sen värjäämiseksi. Kun kaikki keilausasemat oli värjätty, rekisteröitiin ne yhdeksi pistepilveksi automaattisesti tasopintojen avulla. Rekisteröity pistepilvi tallennettiin omaksi tiedostoksi.

Laserkeilauksen rekisteröinnin jälkeen ladattiin muut aineistot RealWorks-ohjelmistoon. Kun kaikki aineistot oli ladattu samaan projektiin, aloitettiin aineistojen yhdistäminen. Trimble RealWorks:llä pistepilvipohjaisesti pistepilvien yhdistäminen on helppoa. Käyttäjän tulee valita projekti ja sen sisältä yhdistettävät pistepilvet, jonka jälkeen aktivoidaan pistepilvipohjainen rekisteröinti. Tämän jälkeen tarkistetaan, kumpi aineistoista on referenssinä eli kumpi aineistoista pysyy paikallaan. Sen jälkeen osoitetaan muutama yhteinen piste molemmista aineistoista (kuva 3). Näiden pisteiden avulla ohjelmisto yhdistää pistepilvet toisiinsa.

Kuva 3) Pistepilvipohjainen pistepilvien yhteensovitus vaatii käyttäjää osoittamaan yhteisiä pisteitä aineistoista.

Osoitettujen pisteiden jälkeen käytimme refine-työkalua, jolloin ohjelmisto automaattisesti parantaa yhteensovitusta. Kannattaa kuitenkin tarkastaa yhteensovituksen onnistuminen työkalun käytön jälkeen, koska vähäinen päällekkäisyys voi aiheuttaa virheellisiä tuloksia. Tästä syystä vaiheen voi jättää pois, jos automaatio ei osaa yhdistää pistepilviä oikein. Kun rekisteröinti on valmis, valitaan yhdistetäänkö pistepilvet yhdeksi pistepilveksi vai ei. Tässä tapauksessa, kun käytimme ZEB-REVO RT -laserkeilainta yhdistämisen apuna, emme halunneet yhdistää sen pistepilveä lopulliseen pistepilveen. Valitsimme ettei aineistoja yhdistetä ja aktivoimme pistepilvien uudet sijainnit. Tarkemmat sovituksen vaiheet voit tarkastella tästä videosta:


Matterportin ja ZEB-REVO RT:n välinen yhteensovitus onnistui 3,5 cm tarkkuudella. Tämän jälkeen yhteensovitettu TX8 ja ZEB-REVO RT onnistui 3,3 cm tarkkuudella. Näiden yhteensovitusten jälkeen avasimme vielä kerran pilvipohjaisen yhteensovituksen Matterportin ja TX8:n välille. Tällä kertaa tarkastelimme yhdistystä visuaalisesti ja aktivoimme pistepilvien yhdistämisen toisiinsa. Tarkkuudeksi pistepilvien välille saimme 3,3 cm. Tarkkuuden kohdalla tulee huomioida, kuinka pieni päällekkäisyys aineistoilla oli. Mitä pienempi pistepilvien päällekkäisyysalue on sitä vaikeampaa ja epätarkempaa niiden yhdistäminen on. Tässä tapauksessa, kun päällekkäisyys aineistojen välillä oli vain 3 %, tarkkuus on todella hyvä. 

Kuva 4) Lopullinen pistepilvi Haltiasta, jossa ulkotilat on mallinnettu TX8-laserkeilaimella ja sisätilat Matterport Pro 2 -kameralla.

Menetelmien yhdistämisen jälkeen Luontokeskus Haltian pistepilvi koostuu 47 miljoonasta pisteestä (kuva 4). Nyt aineisto kattaa suurimman osan sisä- ja ulkotiloista. Tätä voitaisiin täydentää vielä lisää sisätiloissa sekä katon osalta. Katosta voitaisiin kerätä aineisto dronen avulla ja se voitaisiin yhdistää samalla menetelmällä jo yhdistettyihin pistepilviin. 

Miksi eri menetelmillä kerätty pistepilviaineisto kannatti?


Menetelmien yhdistämisellä voidaan säästää aikaa ja rahaa sekä kattaa suurempia alueita. Säästöjen syynä on Matterportin nopeus verrattuna maalaserkeilaimeen sisätilojen mallintamisessa. Jos tila olisi mallinnettu pelkällä maalaserkeilaimella, olisi siihen kulunut huomattavasti enemmän aikaa. Tästä syystä aineistojen yhdistäminen GeoSLAM ZEB-REVO RT -laserkeilaimen avulla nopeutti tuotantoa. ZEB-REVOn kannettavuuden ansiosta mitattiin muutamassa minuutissa tarvittava päällekkäisaineisto, jolla Matterportin sisätilojen ja TX8:n ulkotilojen pistepilvet yhdistettiin.

Toisaalta laserkeilain mahdollistaa Matterport-pistepilvien sitomisen muuhun ympäristöön. Lisäksi eri menetelmillä ei välttämättä saa kerätyksi aineistoa kaikista kohdista, kuten katolta. Tästä syystä on kannattavaa yhdistää menetelmiä, joten pistepilvet ovat kattavampia ja täten hyödyllisempiä.  

Lopulta epäoptimaalisista lähtökohdista (ei tähyksiä ja vähäinen päällekkäisyys pistepilvien välillä) huolimatta on mahdollista yhdistää eri menetelmien pistepilviä. Yhdistäminen on mahdollista jopa 3 % päällekkäisyydellä, jos apuna voidaan käyttää kattavampaa aineistoa.

Mikäli innostuit kokeilemaan aineistojen yhdistämistä, suosittelemme keräämään aineiston joko yli 10 % päällekkäisyydellä tai vähintään kolmea tähystä käyttäen. Kerää aineistolle mahdollisimman paljon yhteisiä piirteitä esimerkiksi avaamalla ikkunoita tai ovia eri puolilta rakennusta ja muista pitää yhteys muuttumattomana eri menetelmien käytön aikana.    

Kirjoittaja

Aino Keitaanniemi
DI, PhD-opiskelija, osa-aikaisesti töissä Geotrimillä

aino.keitaanniemi (at) geotrim.fi

Mikä erottaa laserkeilaimen syvyyskamerasta?

Ympäristöämme voidaan mallintaa kolmiulotteisesti useilla eri menetelmillä esimerkiksi laserkeilaimilla ja syvyyskameroilla. Nämä laitteet tuottavat pistepilviä, jotka muodostuvat useista pistemäisistä havainnoista, eli pisteistä, kolmiulotteisessa avaruudessa. Näitä pisteitä voi olla miljoonia, jolloin ne muodostavat yhdessä 3D-muotoja. Vaikka lopputuloksien pistepilvet soveltuvat moniin tarkoituksiin, vaikuttaa sen tuottamiseen käytetty laite sen käyttötarkoitukseen. Tarkastellaan seuraavaksi yhden laserkeilaimen ja yhden syvyyskameran toimintaa. Laserkeilaimena on GeoSLAM ZEB-REVO RT ja syvyyskamerana Matterport Pro2 3D-kamera.

Laserkeilaimet kuten ZEB-REVO RT tuottavat pistepilviä laservalon avulla. Ne lähettävät laservaloa tietyllä aallonpituudella, joka kohteeseen osuessaan heijastuu takaisin. Tästä yksinkertaistettu piirros kuvassa 1. Laserkeilain havaitsee takaisin heijastuneen laservalon ja muodostaa 3D-etäisyyshavainnon eli pisteen. Tämän pisteen sijainnin laserkeilain voi laskea esimerkiksi laservalon etenemiseen kuluneen ajan ja sen lähtösuunnan pohjalta. Näistä heijastumista muodostuvista pisteistä muodostuu lopulta pistepilvi.

Kuva 1. ZEB-REVO RT lähettää ja vastaanottaa laservaloa, jota kuvassa punaiset kaksipäiset nuolet esittävät. Samalla itse laite pyörii vihreän nuolen mukaiseen suuntaan.

Kattavimman laserkeilauspistepilven saa, kun kerää havaintoja kohteesta useista suunnista. Tällöin ei yksikään nurkka jää mallintamatta. Tämä on tehty tehokkaaksi ZEB-REVO RT laserkeilaimessa, koska sen kanssa voi kävellä ympäri kohdetta mittauksen aikana. Tästä syystä sillä aineiston kerääminen on huomattavasti nopeampaa kuin muilla 3D-mallinnusmenetelmillä. Laserkeilattuun pistepilveä voidaan vapaasti muokata jälkilaskennassa esimerkiksi värjäämällä aineisto osittaisesti havainnointihetken kuvilla tai vain harmaasävyillä.

Miten Matterport Pro 2 3D-kamera eroaa tästä? Matterport lähettää myös valoa tarkemmin sanottuna infrapuna-aallonpituudella, joka muodostaa kohteen pinnalle tunnetun muotoisen kuvion. Tätä ei paljaalla silmällä erota, mutta laitteen kamera ja tarkoitukseen suunniteltu sensori havaitsevat sen. Kohteeseen osuessaan valokuvio mukautuu kohteen pinnan mukaisesti, joten laite kykenee kuvion havaintojen pohjalta muodostamaan pistehavintoja. Nämä pistehavainnot muodostavat lopulta pistepilven. Kuvassa 2 on yksinkertaistettu piirros kohteeseen heijastetusta kuviosta.

Kuva 2. Punaiset katkoviivat kuvastavat lähetettyä valokuviota, jota Matterport Pro 2 3D-kamera havainnoi sensorilla ja kameralla (oranssit katkoviivat).

Matterport Pro 2 3D-kameralla saa kattavan pistepilven helposti siirtämällä laitetta aina muutaman metrin päähän edellisestä kuvauspaikasta. Tämä on helppoa, koska laitetta ohjataan tabletilta ja samalla voidaan tarkastella aineiston kattavuutta. Laite tuottaa myös tehokkaasti värillisen mallin kohteesta Matterportin pilvipalveluun, josta mallin voi ladata muutamassa formaatissa pientä kustannusta vastaan omalle koneelle.

Fyysisen toimintaperiaatteen lisäksi tärkein ero näiden laitteiden välillä on niiden soveltuvuus eri käyttötarkoituksiin. ZEB-REVO RT:llä voidaan kerätä minuuteissa kattavaa aineistoa sekä sisätiloista, maan alta että ulkoa. Matterport ei tästä jää kauas, koska sillä voidaan kerätä aineistoa sekä sisätiloissa että maan alla. Ulkona aineiston kerääminen Matterportilla on hankalaa, koska lähetetty valokuvio on auringon valon kanssa samalla aallonpituudella. Ulkona mittaaminen on kuitenkin mahdollista auringonlaskun jälkeen. Mittauksen nopeuteen vaikuttaa myös laitteen mittausetäisyys, koska lyhyellä mittausetäisyydellä (alle 10 m) täytyy kerätä aineistoa useammasta paikasta, jotta saadaan tarpeeksi havaintoja. Käyttötarkoituksen mukaan on myös tärkeää valita laite, jonka mittausmenetelmällä saavutetaan toivottu lopputuloksen tarkkuus. Seuraavassa taulukossa 1 ovat molempien laitteiden tarkkuudet, aallonpituudet ja mittausetäisyydet, jotka määrittävät edellä mainituilla tavoilla laitteiden soveltuvuutta eri käyttötarkoituksiin.

Taulukko 1. Laitteiden ominaisuudet.

Tarkastellaan menetelmien eroja samasta kohteesta kerätyn aineiston avulla. Kävimme keräämässä aineistoa Temppeliaukion kirkosta molemmilla laitteilla. Taulukossa 2 näkyy, kuinka nämä menetelmät eroavat toisistaan käytössä. ZEB-REVO RT on huomattavasti nopeampi menetelmä aineiston keruussa, koska laitteen kanssa voi kävellä samalla kun se laserkeilaa. Pistepilven koko on myös isompi ZEB-REVO RT:llä, mutta pistepilven koko vaihtelee aina kohteen mukaan. Lisäksi Matterportin automaattinen pilvilaskenta poistaa Matterportin  pistepilvestä kohinan, mutta laserkeilaimen pistepilvessä kohinaa ei ole poistettu.

Valmiin pistepilven saaminen eroaa laitteiden välillä, koska Matterport toteuttaa pistepilven automaattisesti ja laserkeilain vaatii käyttäjän apua. Matterportin kohdalla käyttäjä lataa aineiston tabletilta Matterportin pilvipalveluun ja palvelu aloittaa automaattisen prosessoinnin. Kun prosessointi on valmis, lähettää palvelu siitä tiedon sähköpostilla käyttäjälle. Viimeisenä vaiheena käyttäjän tulee kirjautua pilvipalveluun ja ladata MatterPak-tiedosto, joka sisältää pistepilven värillisenä xyz-formaatissa.

ZEB-REVO RT:n valmiin pistepilven saaminen eroaa Matterportin automatisoidusta pistepilven prosessoinnista. Prosessointi alkaa, kun käyttäjä lataa laserkeilaimesta kerätyn aineiston tietokoneelle. Tämä ladattu aineisto avataan GeoSLAM Hub -ohjelmistossa, jossa käyttäjä voi halutessaan vaikuttaa pistepilven prosessointiasetuksiin. Tämä ei kuitenkaan ole pakollista, koska ohjelmiston olettamat asetukset toimivat hyvin erilaisilla aineistoilla. Kun asetukset on valittu, aloittaa ohjelmisto pistepilven automaattisen prosessoinnin. Valmiin prosessoinnin jälkeen, käyttäjä voi tarkastella pistepilveä ohjelmistossa ja tallentaa sen valitsemassaan formaatissa. Lopullisen pistepilven tuottaminen riippuu aina kohteesta, mutta normaalisti prosessoinnissa kuluu yhtä kauan kuin aineiston keruussa. Tällä kertaa kuitenkin teimme muutamia siistimisiä pistepilvelle kuten ikkunoiden heijastumien ja aloituksesta syntyvien mittaaja havaintojen poiston.

Taulukko 2 Menetelmien erot mittaustilanteessa.

Kuvaparissa 3 on kuvat molempien menetelmien pistepilvistä. Kuten näistä pistepilvistä havaitaan, eivät menetelmät eroa paljoakaan lopputulokseltaan. Suurin ero on se, että ZEB-REVO RT:n pistepilvi ei ole väritetty mittaushetken väreillä vaan laitteen luomilla harmaasävyillä.

Kuva 3. Temppeliaukion kirkon alttari pistepilvinä sekä Matterport Pro 2 3D-kameralla että ZEB-REVO RT laserkeilaimella.

Eroavista menetelmistään huolimatta molemmille laitteille löytyy käyttötilanteensa. Matterport on tehty käyttäjäystävälliseksi helpon käyttöliittymän ja automaattisen värjätyn pistepilven prosessoinnin avulla. Se on parhaimmillaan sisätilojen visualisoinnissa ja dokumentoinnissa. Vastaavasti ZEB-REVO RT:stä on luotu käyttäjäystävällinen yksinkertaisen käyttöliittymän ja nopeutensa avulla. Laite on tehokkaimmillaan monikerroksisissa sisätilamallinnuksissa, metsissä sekä tunneleissa. On siis hyvä pitää mielessä millainen kohde on kyseessä ja millä menetelmällä siitä saa parhaan mahdollisen tuloksen.

Kirjoittaja

Aino Keitaanniemi
DI, PhD-opiskelija, osa-aikaisesti töissä Geotrimillä

aino.keitaanniemi (at) geotrim.fi


GeoSLAM ZEB-REVO RT

Käsiskanneri