Ünite 8: Lazer Tarama

Lazer Tarama

Lazer tarama son yıllarda hem topoğrafik harita yapımı hem de yakın mesafe 3B objelerin elde edilmesinde devrim yapmıştır. Sayısal arazi modelleri ve yüzey modellerinin elde edilmesi için yeni ve bağımsız bir teknolojidir. Atmosferik araştırmalar, batimetrik ölçmeler ve buzul araştırmaları gibi birçok alanda çok yönlü olarak kullanılan bir teknolojidir. Lazer tarama sistemlerini hava lazer tarama ve yersel lazer tarama olarak iki gruba ayırabiliriz.

Hava Lazer Tarama

Hava lazer tarama sistemleri; Sistem tarafından yüzeye gönderilen lazer ışınlarının yüzeyden dönüp sistem tarafından algılanmasına kadar geçen zamandan, lazer tarayıcı ile yüzey arasındaki mesafe hesaplanılarak ölçüm yapılır. Lazer tarama sistemleri temel olarak iki çeşittir. Bunlar, dalga biçimli ve darbeli lazerdir. Darbeli lazer sistemi topoğrafik harita yapımında yaygın olarak kullanılmaktadır. Dalga biçimli lazer sistemi sürekli sinyalleri kullanır ve dönen sinyaller kaydedilir. Topoğrafik LiDAR sistemleri tarafından toplanan verilerden elde edilen birçok ürün vardır. Bu ürünleri aşağıdaki gibi ifade edebiliriz.

• Sayısal yükseklik modelleri (DEM)
• Sayısal arazi modelleri (DTM, çıplak arazi yükseklik verisi)
• Üçgenlenmiş düzensiz ağlar (TIN)
• Eşyükselti eğrileri
• Gölgeli kabartmalı haritalar
• Yamaç ve eğim haritaları

LiDAR üç temel veri toplama aracı olan lazer tarayıcı, GPS ve IMU’nun birlikte kullanılmasından oluşan bir sistemdir. Lazer tarayıcı yeryüzüne kızılötesi sinyal gönderir. Tarayıcı tarafından yeryüzüne gönderilen sinyal sayısı sinyal tekrarlama oranı olarak isimlendirilir ve kHz biriminde ölçülür. Örneğin, 10 kHz’in anlamı, saniyede 10.000 sinyal gönderiyor demektir. Lazer ışınının gidişi ve gelişi arasındaki zaman kaydedilir. Bundan dolayı, yakındaki objelerden yansıyan sinyaller uzaktaki objelerden daha hızlı dönecektir. Lazer tarayıcı ile nesne yüzeyi taranır. Lazer tarayıcı ile lazer ışınının yansıtıldığı nesne noktasının arasındaki mesafe lazer ışınları yardımı ile ışığın gidip gelmesi için gereken süreden hesaplanır.

Lazer altimetresinde ölçülecek yüzeye bağlı olarak iki farklı lazer çeşidi kullanılır. Topoğrafik lazer olarak adlandırılan sistemler yeryüzü ölçümü için elektromanyetik spektrumunun kızıl ötesi bölümü kullanılır. Batimetrik lazer altimetre ölçümleri için elektromanyetik spektrumun mavi/yeşil bölgesi kullanılır. Bunun sebebi LiDAR tarafından az ya da hiçbir algılamanın olmamasıdır. Diğer bir fark ise mavi/yeşil lazerin iki katı bir frekansa sahip olmalarıdır. Batimerik derinliğin hesaplanması yansıyan sinyallerden kolaylıkla hesaplanır. Suyun derinliği dönen iki sinyalin farkıdır.

Tam fonksiyonlu bir LiDAR sistemi için veri toplama işlemleri esnasında her bir bileşen tarafından kullanılan hassas zaman araçları önemlidir. GPS konum bilgisinin ne zaman ölçüldüğünü, IMU verisinin ne zaman kaydedildiğini, lazer sinyalinin ne zaman gönderildiğinin ve tabii ki ne zaman döndüğünün bilinmesi çok önemlidir. Üç ayrı ve farklı bileşenden oluşan LiDAR için her bir bileşenin zamanlamasını diğerlerine uydurmak mümkün olmayabilir. GPS alıcısı uçuş süresince genellikle 1 saniye aralıklarla alıcının konumunu belirler. Fakat uçaklar saniyede 50 m’den fazla yol aldığı için lazer tarayıcının konumunun belirlenmesi için interpole edilmesi gerekir. IMU, algılayıcıların eksendeki dönüklük değerlerini sağlar. Elde edilen sonuçların tek bir yer referans siteminde olması gerekir ancak ölçüm işlemlerinde üç farklı parçanın kullanılması ile üç farklı referans sisteminin kullanılması problemi daha da zorlaştırır. Verilerin yer referans sistemine çevrilmesi için yer kontrol noktalarına ihtiyaç vardır. Bu noktalar, yer koordinat sistemine dönüşüm yapılması için gerekli olan parametrelerin hesaplanmasında kullanılır. LiDAR sisteminin önemli bir bileşeni olan lazer, optik enerji çıktısı oluşturmak için kimyasal ve elektrik enerjisini kullanır. Çıktı lazer sinyalinin giren enerjinin yaklaşık % 10’u göstermesinden dolayı bu dönüşümdeki en büyük problem enerji kaybıdır. Bu sistem farklı alanlarda kullanılmaktadır. Bu alanları; Haritacılık, Yapı Endüstrisi, Ormancılık, Şehir Planlama olarak sıralayabiliriz. LiDAR sistemi için standart bir veri formatı yoktur. Fakat ham nokta verisi ASCII formatında oluşturulur. İlk uçuş tamamlandıktan sonra ham LiDAR verileri ön işleme tabi tutulur. Yukarda ifade edildiği gibi eğik mesafe, dönen her sinyal için hesaplanır. Daha sonra bu verilerde atmosferik etkiler düzeltilir. IMU tarafından belirlenen üç eksendeki açılar veri toplama esnasında tarayıcının yöneltmesi için uygulanır. GPS verileri ayrı olarak işlenir ve daha sonra LiDAR işlemlerine dahil edilir. Algılayıcıların konumlarının ve tarama esnasındaki şerit açısının kullanılması ile yer noktasının yüksekliği kolaylıkla hesap edilebilir. Basit trigonometrik eşitlikler yardımıyla yer noktasının X,Y ve H koordinatları hesaplandıktan sonra hepsi yer referans sistemine dönüştürülür. Lazer sinyali yüzeye gönderildiğinde birden fazla cisme çarpabilir. Örneğin şekil 8.2’deki gibi bir lazer ışını yeryüzüne gönderiliyor. Bazı sinyaller direkt toprağa giderken bazıları önce ağaç yaprakları ile karşılaşıyor. Sistem ayarlarına bağlı olarak algılayıcılar bu iki veriyi toplayabilir. Bu genellikle “ilk sinyal ilk döner (yapraklara değenler), son sinyal (toprağa gidenler) son döner” şeklinde tanımlanır. Bazı sistemlerde 5 farklı biçimde veri toplamak mümkündür. Topoğrafik harita yapımında genellikle son dönen elemanlar esas olarak alınır. LiDAR yoğun bitki örtülü alanların yüzey haritalamasında zorluklara karşılaşır. Sinyal dönüşleri yükseklikte değişikliklere sebep olan bitki örtüsü içinden yansıyabilir ve yayılabilir, böylece gerçek arazi yüzeyine nüfuz etme ve geri dönme işlemi sınırlanabilir. GPS ve IMU’daki var olan hatalar doğrulukları etkiler. Su, asfalt, katran, bulutlar ve sis gibi belli maddeler ve yüzeyler yakın kızılötesi dalga boylarını yutar ve değersiz veya zayıf sinyal dönüşlerine sebep olur. LiDAR ve fotogrametri, veri toplama ve veri işleme gibi birçok bakımdan karşılaştırılabilir. Uçuş yüksekliği karşılaştırıldığı zaman fotogrametri önemli bir üstünlük sunar. Genellikle, LiDAR yaklaşık 1000 m ile sınırlıdır. Hava kameralarında kullanılan geniş açılı lensler sebebiyle açısal görüş alanı LiDAR’ın tarama genişliğinden daha geniştir. Bunun anlamı LiDAR’ın çok daha fazla veri elde etmesi için uçuş zamanı 3-5 kat artacaktır. Örnekleme boyutu çok farklıdır. Fotogrametri için, uçuş yüksekliğini 1000 m, kamera asal uzaklığını 150 mm olarak kabul edersek örnekleme alanı ya da arazideki piksel boyutu 15 cm’dir. Lazer taramanın izi 1 metre civarındadır.

LiDAR ve fotogrametri arasındaki farklılıkları aşağıdaki gibi sıralayabiliriz:

• Fotogrametri pasif, LiDAR ise aktif bir algılama sistemdir.
• Fotogrametride genellikle çerçeve ya da çizgisel geometriye sahip algılayıcılar kullanılır. LiDARda ise polar geometrili algılayıcılar kullanılır.
• Fotogrametride tüm arazi yapısı söz konusu iken, LiDARda noktasal modelleme söz konusudur.
• Fotogrametride geometrik ve radyometrik olarak çok kaliteli görüntüler elde edilirken, LiDARda ise görüntü yoktur ya da daha düşük kalitede monokromatik görüntüler söz konusudur.

LiDAR ve fotogrametrinin ortak yönleri de vardır:

• GPS ya da navigasyon amaçlı GPS/INS kullanımı her iki sistemde de kullanılmaktadır.
• Filtreleme, binalar gibi sayısal arazi modeline ait olmayan nesnelerin kaldırılması, veri küçültme ve sıkıştırma, elektrik direklerinin tespiti gibi ham veri işleme yöntemlerinin kullanımı.
• LiDAR verileri görüntü olarak ele alınabilir ve onlara çeşitli görüntü işleme ve analiz teknikleri uygulanabilir.
• Algılayıcı entegrasyonu ve görüntü işleme ve analiz konuları iki teknolojiyi birleştiren önemli bir konudur.

Topoğrafik LiDAR sistemleri tarafından toplanan verilerden elde edilen birçok ürün vardır. Bu ürünleri aşağıdaki gibi ifade edebiliriz:

• Sayısal yükseklik modelleri (DEM)
• Sayısal arazi modelleri (DTM, çıplak arazi yükseklik verisi)
• Üçgenlenmiş düzensiz ağlar (TIN)
• Eşyükselti eğrileri
• Gölgeli kabartmalı haritalar
• Yamaç ve eğim haritaları

Yersel Lazer Tarama

Yersel Lazer tarama verileri, genel anlamıyla çok sayıda koordinatlı nokta verisinden oluşan Mekansâl verilerdir. Bu sistemde, nokta verisi elde edilecek obje veya objelere fiziksel temasta bulunulmadan, 3 boyutlu tarama uygulamaları gerçekleştirilebilmektedir. Yersel lazer tarama teknolojisi her türlü mühendislik ve mimarlık çalışmalarında, arkeolojide, tıbbi çalışmalarda, üretim dallarında, zarar tespit uygulamalarında, ulaşım çalışmalarında kullanım imkanı olan bir teknolojidir.

Yersel Lazer Tarama Uygulamaları

LiDAR sistemi yersel ve fotogrametrik ölçme yöntemleri ile karşılaştırıldığında tamamlayıcı bir teknolojidir. Birçok ölçme uygulamalarında havadan lazerle tarama teknolojisi, diğer bilinen algılayıcıları içeren sayısal kameralar, çok bantlı tarayıcılar ve termal kameralarla birlikte kullanılmaktadır. Diğer teknolojiklerle toplanamayan özellikleri kolaylıkla elde eden bu sistem farklı alanlarda kullanılmaktadır. Haritacılık: LiDAR, topoğrafik harita yapımı uygulamaları için hızlı, yüksek doğruluk için yeterli sıklıkta yükseklik verisi elde edilebilen bir sistemdir. Yapı Endüstrisi: Uygun ve doğru şekilde geometrik olarak referanslandırılmış sayısal yükseklik verisi, yapı endüstrisi uygulamalarında vazgeçilmezler arasında yer alır. Ormancılık: LiDAR’ın ilk ticari kullanım alanlarından birisidir. Ağaç gölgesi altındaki arazi ve topoğrafya hakkındaki doğru bilgiler hem ormancılık endüstrisi hem de doğal kaynak yönetimi için önemlidir. Şehir Planlama: Haberleşme ve afet planlaması içeren çeşitli uygulamalar için söz konusu bölgelerin yüksek doğruluklu sayısal modellerine ihtiyaç vardır. Bir aktif uzaktan algılama sistemi olarak LiDAR, kentsel çevrelerin istenilen doğrulukta üretilmiş haritasını sunar. Kültürel mirasımızın bir parçası olan taşınmaz kültür varlıklarımız, tarihin tanıkları olarak geçmişten günümüze çok değerli bilgileri üzerlerinde taşırlar. Bu bilgi birikiminin değişikliğe uğramadan aslına uygun haliyle kayıt altına alınması ve korunabilmesi için mimari belgeleme çalışmalarının, yapı tarihi araştırmalarının ve koruma planlarının hazırlanmasının önemli payı vardır. Mimari belgeleme çalışmalarında ileri teknoloji metotlarının üstünlüklerini özetleyecek olursak;

Maliyet: Arazide çalışacak ekip sayısı ve süresi klasik metotlarda gereken sayıdan daha azdır. Cihazların ilk maliyeti yüksek olmasına karşılık ileri kullanımlarıyla kendini amorti edebilmektedir. Ayrıca teknolojinin gelişmesine paralel olarak cihaz maliyetlerinin hızlı bir şekilde düştüğü gözlenmektedir.

Süre: Arazide ölçü alma çalışmaları klasik yöntemlere göre kısa sürede tamamlanır. Alınan veriler ofis ortamında kıymetlendirilir. Verilerin değerlendirilmesi ve çizimlerin hassasiyeti çalışmanın özelliğine göre belirlenir. Çizimler istenilen detay hassasiyetine göre, istenilen ölçekte hazırlanır.

Hassasiyet ve Doğruluk: Yapılan ölçümlerin doğruluğu, arazide ölçüm esnasında cihazların vermiş olduğu raporlardan hemen kontrol edilebilir. Klasik metot ile yapılan ölçümlerde karşılaşılan insan kaynaklı hatalar en aza indirgenebilir. Çalışmanın özelliğine göre ölçüm yapılacak cihazların hassasiyeti ayarlanabilir.

Mesafe: Ölçüm cihazları belgeleme yapılacak alana belli bir mesafede konumlanabilir. Klasik metotlarla alanda birebir ölçüm alınması gerekmektedir. İleri teknoloji metotlarında ulaşılması güç alanlar ya da yıkım tehlikesi olan durumlarda alandan belli bir mesafede veri alınabilir. Bu noktadan incelendiğinde özellikle çok tehlikeli ve tahrip olmuş alanlarda klasik ölçme işlemi çok zordur.

Esneklik: Ölçüm cihazlarıyla elde edilen verilerle istenilen her düzlemden yatay ya da dikey kesit (hatta gerekli görüldüğünde farklı bir açıda) alınabilir, bununla birlikte görünüşlerin çizilebilmesi için gerekli iz düşüm düzlemi yüzeye istenilen açıda oluşturulabilmektedir. Bu özellik klasik metotlara göre çok büyük esneklik kazandırmıştır.