Yersel lazer tarama ölçmelerinde ölçme stratejisi geliştirme
Strategy development for terrestrial laser scanning measurements
Yazar: METEHAN ASIM AYGÜN
Danışman: PROF. DR. RAHMİ NURHAN ÇELİK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Geomatik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Geomatik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Jeodezi ve Fotogrametri = Geodesy and Photogrammetry

Özet:
Yaşadığımız dönem, insanların yaşadıkları çevreyle olan ilişkisini düzenlemek ve
yönetmek için çevresinde bulunan objeleri ölçmek suretiyle gerçek dünya modelleri
ürettiği bir dönemdir. Oluşturulan modelleri analiz ederek bilgi edinmek, insan ve
çevre ilişkisindeki karar verme süreçlerinde kullanılan, etkili bir araç haline
gelmiştir.
Bugün sahip olduğumuz teknolojik gelişmişlik düzeyi, pek çok alanda kullanılan
bilginin içeriğini ve niteliğini değiştirmiştir. Bir obje hakkında üretilen bilgilerin
hepsi, objenin konumu ya da şekli ile ilgili olmak durumunda değildir. Ancak
teknolojik imkanlar, bir objeye ait çeşitli bilgilerin birbirleri ile entegre olup daha
güçlü anlamlar ifade eden veri setleri oluşumu sürecini başlatmıştır. Objelerin 3D
bilgisi ve 3D bilgilerin yer aldığı bilgi sistemleri, kullanım alanlarını gittikçe
genişletmektedir. 3D veri elde etmek, bu nedenle günümüzün en popüler çalışma
alanlarından biridir.
Yersel lazer tarayıcılar (YLT), bir objenin yüzeyinden topladığı yüksek çözünürlüklü
konum verileriyle objenin gerçeğe yakın bir görüntüsüne sahip nokta bulutları üretir.
Ölçülen obje, karmaşık bir şekle ya da ulaşılması güç bir konuma sahip olsa dahi
yüksek performans gösterebilen YLT, bu özelliği sayesinde diğer ölçme
cihazlarından daha etkilidir. YLT ile üretilen nokta bulutları, 3D model üretimi için
kullanılan en pratik ve en doğru ölçme sonuç ürünlerinden bir tanesidir.
Bir lazer tarama ölçmesinden maksimum verim alabilmek; tarayıcının özellikleri,
taranan objenin büyüklüğü ve şekli, ölçme ortamının fiziksel koşulları gibi etkenlere
bağlıdır. Bu etkenlerin hepsinin üretilen nokta bulutu üzerinde farklı etkileri vardır.
Bu durumda; uygulamacılar, hem kullandıkları YLT hem de yapılan uygulamalar
için gerekli olan veri hakkında teknik bilgi birikimine sahip olmalıdır. Bir ölçme
işine karşı strateji geliştirmek, yapılacak iş ile ilgili teknik bilgilerin yönlendirmesi
olmaksızın gerçekleştirilemez.
YLT ölçmelerinde strateji geliştirmek için, yapılan işin bir 3D konum verisi üretme
işi olduğu düşünülerek hareket edilmelidir. Bu anlamda istenen sonuç ürüne
odaklanarak, verinin nitelikleri iyi anlaşılmalıdır. YLT, oldukça etkili cihazlar
olmasına rağmen en iyi performanslarını diğer ölçme teknikleri ile entegre oldukları
zaman gösterebilirler. İstenen verinin, yalnızca ham nokta bulutları değil, belirli bir
koordinat sistemi içerisinde yer alan, konum verisine ek olarak başka özellikleri de
içeren, yaygın kullanımda olan yazılımlarda incelenip üzerinden rahatlıkla bilgi
türetilebilen sayısal objeler olması, oldukça sık karşılaşılan bir durumdur.
Dolayısıyla uygulamacıların lazer tarama işinin beklentilerini karşılayabilecek bir
bakış açısına ve ölçme stratejisine sahip olması gerekir.
xxvi
Ölçme stratejisinin ilk adımında; bir YLT uygulamacısının sahip olduğu tarayıcı ve
kişisel bilgi birikimi ile tecrübesini analiz etmesi gerekir. Bu analiz sonucunda,
herhangi bir 3D veri üretme işinde sahip olduğu potansiyelin anlaşılması istenir.
Bunun için öncelikle kullanılan ya da kullanılmak istenen ölçme cihazının iyi
anlaşılması gerekir. YLT, çok kısa sürede obje yüzeyine ait, yüksek çözünürlüklü
nokta bulutları elde edebildiğinden dolayı, hem uygulamacılar hem de istemciler için
yanıltıcı hale gelebilen ölçme cihazlarıdır. Oysa YLT ölçmelerinde hata kaynakları,
oldukça önemli ve her uygulamacının yüksek seviyede hakim olması gereken bir
konudur.
Bir uygulamacı, kullandığı tarayıcı ve hata kaynakları konusunda yeterli bilgiye
sahip olarak, istediği kalitede bir nokta bulutu üretebilir. Nokta bulutları, ölçme
işlemi öncesinde belirli koşulların göz önünde bulundurulması ve yardımcı
donanımlar kullanılması sayesinde belirli hatalardan uzak tutulabilir. Bununla
birlikte ölçme işlemi sonrasında da birtakım yazılımlar ile hatalı kısımları
temizlenebilir veya ölçme grubundan çıkarılabilir. Bir nokta bulutu, sonuç ürüne
dönüştürülme işlemlerinden önce mutlaka en doğru haline getirilmiş olmalıdır.
Ölçme stratejisi geliştirmenin bir diğer adımı, istemcinin ihtiyaçlarını anlamaktır.
YLT, sahip oldukları geniş kullanım alanlarında birçok disiplinden insanların
ihtiyaçlarını karşılamak adına kullanılmaktadır. Birlikte çalışılan her disiplinden
insanın ihtiyaçlarını anlamak, uygulamacıların kazanacağı önemli bir tecrübedir. Bir
ölçme işinin planlanması sürecinde, istemci ile yapılan görüşmeler oldukça
önemlidir. İstemcinin talep ettiği sonuç ürün, tarama işlemini doğrudan
etkileyecektir. Uygulamacılar, talep edilen ürüne göre, jeoreferanslandırma için
yersel ölçmeler yapabilir, bu işleme uygun hedefler seçebilir ya da bir yersel
fotogrametri çalışması için planlama yapabilirler. Bir uygulamacı, strateji
geliştirmenin ilk adımında yaptığı analiz ile istemciye sunabileceği sonuç ürün
çeşitliliğinin farkında olmalıdır. Bu ürünlerin hangisinin istemcinin ihtiyacını
gidereceğini bilmek gerekir. Genellikle, lazer tarama ölçmesine ihtiyaç duyan kişiler
veya kurumlar, bu ölçme tekniği ve diğer jeodezik ölçmeler konusunda bilgi sahibi
değildirler. İhtiyaç duydukları verinin nitelikleri konusunda uygulamacıya bilgi
verirken hangi ölçme tekniğinden faydalanmak istedikleri konusunda da bilgileri
yoktur. Bu anlamda; uygulamacılar, gerek görülmesi halinde istemcilere rehberlik
hizmeti sunmalıdır. Dolayısıyla karşı tarafın ihtiyacını anlamak, ölçme stratejisi
geliştirmenin temel adımıdır.
İstemciyle yapılan görüşmelerde; uygulamacıların bunun bir 3D veri üretme işi
olduğu düşüncesiyle hareket etmesi önemlidir. İstemcinin istediği sonuç ürün, YLT
ile olduğu gibi diğer ölçme teknikleri ile de üretilebilecek veriler olabilir. Bununla
birlikte istenen sonuç ürünü elde etmek, yalnızca YLT kullanarak değil birden fazla
ölçme tekniğinin entegrasyonu sayesinde mümkün olabilir. Bu durumda
uygulamacıların diğer ölçme tekniklerine olan hakimiyeti ön plana çıkacaktır.
Uygulamacılar, yaptıkları işe bir 3D veri üretme işi olarak bakmanın avantajını
burada görecektir. Gerektiği takdirde yersel ölçme teknikleri (total station,
GPS/GNSS vb.), yersel fotogrametri veya diğer lazer tarayıcılar ile entegre ölçmeler
yapabilmek, uygulamacılar için oldukça avantaj sağlayan bir durumdur.
Lazer tarama teknolojisi, nokta bulutu işleme ve modelleme yazılımlarının da içinde
bulunduğu bir sektör yaratmıştır. Bu sektörde her geçen gün yeni çalışmaların
yapıldığı ve yeni donanım ve yazılımların piyasaya sürüldüğü görülmektedir.
Uygulamacıların strateji geliştirme çalışması, strateji geliştirmenin analiz süreçleri ve
xxvii
iş sonundaki başarı değerlendirmesi ile sürekli kendini yenileyebilen ve geliştirebilen
bir süreç olmalıdır. Bu süreçte, mevcut ekipmanlar olan cihaz ve yazılımların
yetersiz olduğu durumlar dikkate alınarak, değiştirme ve geliştirme düşüncelerinin,
gelişen teknolojinin takibi ile yapılması gerekir. YLT'ın kullanım alanlarının artması
aynı zamanda ileride farklı istemcilerin ortaya çıkması anlamına da gelir. Bu nedenle
her yeni talebin karşılanması, doğru strateji ile çalışma alışkanlığı kazanmış
uygulamacılar için, kendini yenileyebilen ve geliştirebilen bu süreçte zor
olmayacaktır.
Bu Tez'de; yersel lazer tarama ölçmelerinde strateji geliştirmek düşüncesiyle, ölçme
öncesi çalışmalar ve uygulama esnasında düşünülmesi gerekenler anlatılmış ve genel
anlamda yersel lazer tarayıcılar ile bir objenin 3D geometrik verisini elde etmek
adına optimum çözümler sunulmuştur. Belirli bir stratejiye göre hareket etmenin
uygulamacılara sağlayacağı faydalardan bahsedilmiş ve uygulamacılar için bir örnek
teşkil etmesi istenmiştir.

Abstract:
The period we live in is a period that people produce real-world models by
measuring the objects that are around them to regulate and manage their relationship
with the environment they live in. Gaining knowledge by analyzing the generated
models has become an effective tool used in human and environment related decision
making processes.
The level of technological development we have today has changed the content and
quality of information used in many areas. All information produced about an object
is not necessarily related to its position or shape. However, technological possibilities
have begun the process of forming data sets, in which various pieces of information
about an object are integrated with each other and express stronger meanings. The
3D information and information systems where 3D information is being used are
expanding their usage area. Therefore 3D data acquisition is one of the most popular
workspaces of today.
Terrestrial laser scanners (TLS) produce point clouds with a near-realistic image of
the scanned object with high-accuracy coordinate data gathered from its surface. TLS
can overperform even if the measured object has a complex shape or a difficult
position to reach. Due to this feature, TLS is more effective than other measurment
instruments. Point clouds produced by TLS are one of the most practical and
accurate measurement outputs used for 3D model production.
TLS measurements can be used to solve many problems in different areas. The final
products required in each of these areas can be produced with high accuracy and
speed by TLS. TLS's success in different areas has allowed it to increase its use as a
highly reliable measuring instrument.
TLS, defines a general group of measurement instruments; they have different
measurment principles, use lasers in different wave lengths, and represent the
entirety of different devices in design. There are many TLSs with different
characteristics. These properties also change the structure and quality of the point
clouds obtained. This situation brings along the question of which scanner to use for
which objects. To obtain the point cloud data with the required quality; it is
important to use the right device, to apply the right methods, to eliminate
measurement errors, and to make them within a strategy.
xxx
Achieving maximum performance in a laser scanning measurement depends on the
characteristics of the scanner, the size and shape of the scanned object, and the
physical conditions of the measurement environment. All of these factors have
different effects on the point cloud produced. That's why; the practitioners should
have the technical knowledge about both the TLS they are using and the data needed
for the applications. Developing a strategy in a measurement work can not be made
without directing technical informations about the work to be performed.
In order to develop a strategy in TLS measurements, it should be assumed that the
work being done is a 3D data production work. For this reason, focusing on the
required output, the qualities of the data to be produced must be well understood.
Even though TLS are highly effective devices, they can give their best performance
when they are integrated with other measurement techniques. The requested output is
not likely to be the only raw point cloud. It is quite common for point clouds to be
located in a geodetic coordinate system, containing high-resolution color
information, and being digital objects that can be easily analyzed through
mainstream software. Therefore, practitioners must have a professional vision and
measurement strategy that can meet the expectations of the laser scanning work.
In the context of this Thesis; developing a strategy for terrestrial laser scanning
measurements has a setup which created in three main steps. The vision practitioners
must have in the work of producing 3D data has been explained in these three basic
steps. Each of the steps leads and enhances the next one. The main idea of the Thesis
is that working in accordance with a specific plan will benefit 3D data production
and it should be included as a standard procedure in every work.
In the first step of the measurement strategy; a TLS practitioner must analyze his /
her experience with his / her scanner and personal technical knowledge. As a result
of this analysis, the practitioner must determine his / her 3D data production
capacity. For this, it is necessary to examine the measuring instrument used at first.
TLS is a device that can acquire point clouds with high accuracy of object surface in
a very short time. This feature can become misleading for both practitioners and
clients. However, error sources in TLS measurements are quite important, and each
practitioners should have full knowledge of this subject.
The concept of error in geomatics engineering means that a different measurement
result value is obtained from a known (measured) value and indicates a detectable
deviation. A measurement error is a possible condition for geomatics engineering.
Starting from this, geomatics engineering is a discipline in which measurement error
calculations, detection of measurement errors and estimation of possible errors in the
measurements are done. Since this thesis is written with understanding and
knowledge of geomatic engineering, error sources in TLS measurements are
processed as an important parameter of measurement strategy.
Evaluating a scanner to measure any object can be accomplished by knowing the
device's measurement principles and the laser characteristics it uses. When
practitioners examine a device, they should be able to understand all the information
contained in the device's data page and make predictions about the overall
performance of the device with the information it receives from each technical
parameter. At the same time, it is also important to know that this presentation
information may not reflect the actual performance of the devices. In academic
performance tests conducted with scanners, the devices have different results from
the brochure information, indicating that this information should not always be
xxxi
trusted. TLS is a device produced in very small series and the mechanical designs are
kept extremely secret. It is seen that the devices in the same series can give different
measurement results even with small differences. The same research shows that
devices can achieve the ideal measurement performance with careful use and regular
calibration. It is a recommended practice for practitioners to test the performance of
their devices they use regularly, even in simple ways.
When a practitioner has enough knowledge about the scanner he is using and the
error sources in TLS, he can produce point clouds in high quality. Point clouds can
be kept away from specific measurement errors by taking certain conditions into
consideration and using auxiliary equipment before the measurement process.
However, after the measurement process, faulty parts of point clouds can be cleaned
up by some softwares or removed from the measurement data set. A point cloud must
be absolutely optimized before it is transformed into a product.
Another step in developing a measurement strategy is to understand the needs of the
client. TLS is used to meet the needs of many disciplines in their wide range of uses.
Understanding the needs of people from every discipline working together is an
important experience that practitioners will gain. The negotiations with the client
during the planning of a measurement task are very important. Because the resulting
product requested by the client will directly affect the scanning process. Based on the
product requested, practitioners can do geodetic measurements for georeferencing
and can choose specific targets for this process or make a plan for terrestrial
photogrammetry study. A practitioner should be aware of the resulting product
variety that the client can offer by analyzing the strategy developer's first step. It is
necessary to know which of these products will meet the needs of the client.
Generally, persons or institutions who request laser scanning measurement, do not
have knowledge of this measurement technique and other geodetic measurements.
While they inform the practitioner about the qualities of the data they need, they do
not have any information about which measurement technique they want to use
either. In this sense, practitioners should provide guidance service to clients if it is
necessary. Therefore, understanding the need of the client is the fundamental step in
developing a measurement strategy.
In negotiations with the client; It is important that the practitioners act with the
thought that it is a 3D data production work. The outcomes client requires can be the
data that can be generated by other measurement techniques, such as with TLS.
However, achieving the required outcome may be possible not only by using TLS
but by integrating multiple measurement techniques. Then, the technical information
about the other measurement techniques of the practitioners will become important.
Practitioners will have the advantage of thinking of the work they are doing as a 3D
data production work. If necessary, it is an advantage for practitioners to make
integrated measurements with terrestrial measurement techniques (total station, GPS
etc.), terrestrial photogrammetry or other laser scanners.
xxxii
Processing point clouds, includes all the work done to produce the outcome. 2D
plans and sections can be generated from point clouds, as well as various 3D models.
3D models are the most comprehensive and highest quality products that can be
produced for an object. The physical characteristics of the modeled object can
change the software used modelling process or increase the effort that the
practitioner needs to demonstrate. The most time-consuming step of producing 3D
data is the modelling process. Then, the ability of practitioners to use software
becomes important. There are a variety of modeling software on the market. Some
software developer companies have developed specialized software to produce
models of specific objects. There are also versions of these software that can be
installed as plug-ins to the mainstream CAD programs. It is estimated that there are
hundreds of companies working on 3D data work, and also there are companies that
do this work in our country. The ability of practitioners to use software directly
affects the resulting product quality. Using the most appropriate software for
different objects may seem like the ideal solution, but in general it does not matter
which software is selected. While deciding to choose the right software; the
practicality of use and the resulting product diversity should be taken into
consideration.
Laser scanning technology has created a work field that includes point cloud
processing and modeling software developing. It is seen that new works are being
made every day in this field and new hardwares and softwares are being put on the
market. Strategy development work should be a process that can constantly renew
and improve itself through the analysis processes and evaluation of success at the end
of the work. In this process; it should be taken into consideration that the using
equipment and software are insufficient. For this purpose, replacement and
development attempts need to be done by following the developing technology. The
increased use of TLS also means the appearance of different clients in the future.
Therefore; for every practitioner who has gained working habits with the right
strategy, it will not be difficult in this process, renewing itself.
In this thesis; preliminary studies and what to think about during the laser scanning
measurement are explained. And also, in the general sense, optimum solutions for
obtaining 3D data of an object by TLS, are presented. Working based on a specific
strategy, mentioned the benefits to practitioners and was asked to serve as an
example for practitioners.