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