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

Vastaa