Ανάπτυξη διαδικασίας βαθμονόμησης συστήματος LiDAR
Authors: Πόθου Άννα 
Published: August 2021

Η παρούσα διατριβή εντάσσεται στο γενικότερο πεδίο της μετρητικής εκμετάλλευσης μη συμβατικών απεικονίσεων από ψηφιακά συστήματα, εστιάζοντας στα κινούμενα συστήματα χαρτογράφησης MMS (Mobile Mapping System) και ειδικότερα στα συστήματα LiDAR (Light Detection and Ranging).Το σύστημα LiDAR ανήκει στην κατηγορία των αερομεταφερόμενων συστημάτων απεικόνισης, αποτελεί συχνά βασικό τμήμα ενός MMS και θα μπορούσε να χαρακτηριστεί ως ένα σύνθετο σύστημα αφού περιλαμβάνει δέκτες GPS (Global Positioning System) και αδρανειακά συστήματα INS (Inertial Navigation System) για τις ανάγκες της πλοήγησης, ενώ για της χαρτογράφησης περιλαμβάνει απαραιτήτως μια διάταξη σάρωσης laser και πολύ συχνά μια ψηφιακή φωτομηχανή. Πρόσφατα, με την εξέλιξή τους τα συστήματα LiDAR έγιναν το κύριο εργαλείο για την απόκτηση δεδομένων επιφανείας (DTM, DSM κ.ά.) και αποτελούν πλέον εξελιγμένα συστήματα χαρτογράφησης. Ο επιτυχής συνδυασμός των δεδομένων που παράγουν τα διάφορα υποσυστήματα ενός MMS, αποτελεί παράγοντα καθοριστικής σημασίας για την σωστή λειτουργία του συστήματος. Η ακρίβεια του τελικού προϊόντος επηρεάζεται άμεσα από την ακρίβεια των επιμέρους δεκτών, την θέση και τον προσανατολισμό, που επιτυγχάνεται μέσω του συστήματος GPS/INS, τον συγχρονισμό τους, την βαθμονόμηση του συστήματος, τις ιδιότητες του δέκτη απεικόνισης (φωτομηχανή ή/και σύστημα LiDAR) και την επίδραση της γεωμετρίας τους. Παρόλα τα πλεονεκτήματα των σύγχρονων MMS, η πολυπλοκότητά τους παρουσιάζει απαιτήσεις κυρίως ως προς την ορθή βαθμονόμηση του συστήματος των δεκτών.Η ουσιαστική σημασία των διαδικασιών βαθμονόμησης για κάθε δέκτη ξεχωριστά, η χωρική σχέση μεταξύ του δέκτη INS και των δεκτών απεικόνισης καθώς και η απόκλιση της σχέσης αυτής με την πάροδο του χρόνου, το οποίο στην διεθνή βιβλιογραφία ονομάζεται boresight misalignent, δημιουργεί την ανάγκη περαιτέρω μελέτης. Ο στόχος της διατριβής αυτής είναι η δημιουργία μιας εύχρηστης μεθοδολογίας, με την οποία θα εκτιμώνται οι παράμετροι του boresight misalignment μεταξύ INS και LiDAR παρέχοντας τη δυνατότητα της εξάλειψης τυχόν χονδροειδών σφαλμάτων (outlier) των δεδομένων μέσω ποιοτικών ελέγχων (QA/QC). Για το σκοπό αυτό αναπτύχθηκε αλγόριθμος μετασχηματισμού μεταξύ δεδομένων αναφοράς τα οποία λαμβάνονται από φωτογραμμετρική απόδοση αεροφωτογραφιών και από σάρωση με χρήση LiDAR.Με στόχο την εν μέρει κάλυψη του αναμφισβήτητου κενού στην ελληνική αλλά μερικώς και στην διεθνή βιβλιογραφία, πραγματοποιείται αρχικά αναλυτική παρουσίαση των αρχών λειτουργίας των συστημάτων LiDAR. Περιγράφονται οι δέκτες πλοήγησης και απεικόνισης που συμπεριλαμβάνονται σε αυτά και αναλυτικά παρατίθεται η θεωρητική προσέγγιση του LiDAR/INS boresight misalignment και η έως σήμερα αντιμετώπιση του όλου ζητήματος. Προτείνεται μέθοδος βαθμονόμησης μεταξύ του LiDAR και του INS, μέσω του βέλτιστου συνδυασμού των δεδομένων LiDAR με εκείνα των αεροφωτογραφιών, η οποία συμβάλει στην βελτίωση της ακρίβειας σάρωσης επιφανείας μέσω LiDAR. Προσδιορίζονται κριτήρια επιλογής καταλλήλων θέσεων αναφοράς και μελετάται η αποτελεσματικότητά τους και η αξιοποίηση της χρήσης αστικών περιοχών για την εκτίμηση των παραμέτρων του LiDAR/INS boresight misalignment. Μελετάται η ελάχιστη πυκνότητα των θέσεων αναφοράς και η χωρική κατανομή τους, προκειμένου να εξαχθούν συμπεράσματα σε σχέση με τις καθοριστικής σημασίας, για το κόστος του έργου, επιλογές των συγκεκριμένων παραμέτρων που γίνεται κατά τον προγραμματισμό της πτήσης. Η θεωρητική προσέγγιση των ζητημάτων αυτών μετουσιώνεται σε πρακτικές εφαρμογές, με την βοήθεια κατάλληλων πραγματικών και προσομοιωμένων δεδομένων.