Az elmúlt néhány évben a kézi és hátizsákos SLAM lézerszkennerek a statikus (állványos) lézerszkennelés és a hagyományos geodéziai bemérés mellett egyre fontosabb eszközzé váltak. A technológia ígérete egyszerű: sétáljunk végig az épületen vagy a területen, és rövid idő alatt elkészülhet egy részletes 3D pontfelhő - állványozás és az egyes álláspontok kézi összekapcsolása nélkül.
A valóság ennél árnyaltabb. A SLAM gyors és rugalmas, de az eredmény pontosságát jelentősen befolyásolja a környezet geometriája, a bejárás módja, a szenzorok állapota és a feldolgozás. A geodéziai feladat célja ezért mindig meghatározza, hogy önállóan, geodéziai kontrollpontokkal vagy más mérési technológiával együtt érdemes-e használni.
Mi az a SLAM, és miben más, mint a statikus szkennelés?
A SLAM (Simultaneous Localization and Mapping) olyan algoritmikus eljárás, amelyben a rendszer a lézerszkenner, az IMU és - típustól függően - kamerák együttes adataiból egyidejűleg becsüli a saját helyzetét, miközben felépíti a környezet térbeli modelljét.
Nincs szükség arra, hogy a műszer minden egyes állásponton megálljon. A szkenner mozgás közben folyamatosan gyűjti az adatokat, a rendszer pedig az egymást követő mérések és a korábban már bejárt területek közötti geometriai egyezésekből becsüli a trajektóriát. Ha a rendszer felismer egy korábban már bejárt területet, loop closure - magyarul hurokzárás - segítségével korrigálhatja a felhalmozódott pályahibát.
Ez alapvetően más megközelítés, mint a hagyományos statikus terresztris lézerszkennelés (TLS), ahol a műszer rögzített álláspontokból gyűjt adatot, majd az álláspontok pontfelhőit utólag regisztrálják. A TLS általában jobban kontrollálható geodéziai munkafolyamatot tesz lehetővé, ugyanakkor lassabb lehet, és bizonyos nehezen hozzáférhető helyeken körülményesebb.
A SLAM egyik nagy előnye éppen az, hogy olyan helyeken is hatékonyan használható, ahol a GNSS nem működik, vagy ahol az állványos mérés nehezen kivitelezhető: például lépcsőházakban, szűk aknákban, technológiai terekben, pincékben vagy összetett épületbelsőkben.
Relatív és abszolút pontosság - a legfontosabb különbségtétel
A SLAM-rendszereknél gyakran találkozunk centiméteres vagy akár milliméteres pontossági adatokkal. Ezek értelmezésénél mindig meg kell nézni, hogy a gyártó pontosan milyen pontosságot, milyen mérési környezetben és milyen ellenőrzési módszerrel ad meg.
Fontos különbség a relatív és az abszolút pontosság.
A relatív pontosság azt írja le, hogy a pontfelhőn belül a részletek egymáshoz képest mennyire pontosan helyezkednek el. Az abszolút pontosság ezzel szemben azt mutatja meg, hogy a pontfelhő egy külső, ismert vonatkoztatási rendszerhez képest (például EOV-ban) mennyire pontos.
A kettő nem ugyanaz. Egy pontfelhő lehet lokálisan nagyon részletes és geometriailag jól használható, miközben az egész felmérés néhány centiméterrel vagy akár ennél nagyobb mértékben elcsúszik, elfordul vagy torzul a kívánt vonatkoztatási rendszerhez képest.
A SLAM egyik tipikus hibajelensége a drift, vagyis a trajektória során felhalmozódó pályahiba. Hosszú bejárásoknál, kevés geometriai részletet tartalmazó környezetben vagy rosszul megtervezett útvonalon ez a hiba jelentősen megnőhet. A jelenség például egy valójában egyenes folyosó enyhe görbülésében vagy egy nagyobb hurok nem tökéletes záródásában is megjelenhet.
Ezért nem célszerű a SLAM-pontfelhő pontosságát egyetlen, általános “centiméteres” számmal jellemezni. A tényleges eredmény mindig az adott műszer, a környezet, a bejárás és a feldolgozási módszer együttese.
Hogyan lehet megbízható geodéziai koordinátákat kapni?
Ha a feladat megköveteli, hogy a pontfelhő ismert koordináta-rendszerbe kerüljön, a SLAM eredményét geodéziai kontrollal kell összekapcsolni.
A gyakorlatban több, egymást kiegészítő megoldás használható:
- Illesztő- vagy kontrollpontok alkalmazása: előzetesen geodéziai módszerrel meghatározott, ismert koordinátájú pontok segítségével a pontfelhő georeferálható, és a feldolgozás során a trajektória felhalmozódott hibája is korlátozható.
- Integrált GNSS/RTK: egyes mobil térképező rendszerek GNSS-szel is támogatják a helymeghatározást. Ez kültéren javíthatja a globális pozíciót, de nem helyettesíti minden esetben a kontrollpontokat, és beltérben vagy takart környezetben természetesen nem használható folyamatosan.
- Hurokzárás (loop closure): a bejárás megtervezése úgy, hogy a rendszer rendszeresen visszatérjen már felmért területekre. Ez lehetőséget ad a feldolgozó algoritmusnak a felhalmozódott pályahiba korrigálására.
- Ellenőrzőpontok (check points): különösen fontos feladatoknál célszerű olyan ismert pontokat is használni, amelyek nem vesznek részt közvetlenül a georeferálásban, hanem a végső pontfelhő pontosságának ellenőrzésére szolgálnak.
A kontrollpontok száma és elosztása nem általánosítható egyetlen ökölszabállyal minden SLAM-rendszerre. A szükséges pontsűrűséget a műszer gyártói ajánlásai, a projekt mérete, az útvonal geometriája és az elvárt pontosság alapján kell meghatározni. A kontrollpontokat célszerű térben jól elosztani, nem pedig egyetlen területre koncentrálni.
Fontos az is, hogy a kontrollpont nem javít meg minden SLAM-hibát. Ha a rendszer egy szakaszon elveszíti a helyzetkövetést, és hibás geometriát illeszt össze, utólagos kontrollpontokkal nem feltétlenül lehet a hibát helyesen “szétosztani”. Ilyen esetben a hibás szakasz újramérése lehet a megfelelő megoldás.
Közterületi utcaszakasz vagy park felmérése
Nyílt, közterületi környezetben - például utcaszakaszon, téren vagy parkban - a SLAM-felmérés egyik legnagyobb kihívása a környezet változékonysága: forgalom, gyalogosok, parkoló vagy mozgó járművek, valamint a kevés geometriai részletet tartalmazó nyílt területek.
Illesztőpontok és georeferálás
Ha a szkenner nem rendelkezik megfelelő GNSS/RTK-kapcsolattal, az EOV-hoz vagy más ismert koordináta-rendszerhez való illesztéshez geodéziai kontrollpontokra lehet szükség.
A pontokat úgy célszerű elhelyezni, hogy a teljes felmérési területet és a fontosabb útvonalszakaszokat megfelelően lefedjék. A kontrollpontok számát nem érdemes merev, minden műszerre érvényes “20-30 méterenként egy pont” szabállyal meghatározni; a helyes kiosztás a konkrét rendszer és a pontossági követelmény függvénye.
A gyakorlatban különösen hasznosak lehetnek a jól azonosítható, stabil pontok, például céljelek, tartósan rögzített jelölések vagy megfelelően kialakított geodéziai kontrollpontok. Egy véletlenszerű terepi objektum - például egy aknafedél sarka vagy egy szegélykőtörés - csak akkor használható megbízható kontrollpontként, ha a pont egyértelműen és ismételhetően azonosítható a pontfelhőben és a terepen.
Útvonaltervezés
A bejárást lehetőleg úgy kell megtervezni, hogy az útvonal rendszeresen visszatérjen már bejárt területekhez. A hurokzárások segítik a SLAM-algoritmus stabil működését és a drift csökkentését.
Egy hosszú, egyszerű, hurok nélküli útvonal jellemzően nagyobb kockázatot jelent, mint egy olyan bejárás, amelyben rendszeresen vannak átfedő szakaszok. Ha valódi hurok kialakítása nem lehetséges, az útvonal részbeni visszajárása is hasznos lehet.
A hurokzárás optimális gyakorisága rendszerfüggő; egyes gyártók például 15-30 méterenként javasolnak hurokzárást, de ezt nem szabad általános, minden berendezésre érvényes követelményként kezelni.
Forgalom, gyalogosok, mozgó tereptárgyak
A mozgó objektumok (autók, kerékpárosok, gyalogosok stb.) a pontfelhőben torzulásokat, “szellemképeket” okozhatnak, és bizonyos körülmények között a helyzetkövetést is megnehezíthetik.
Gyakorlati tanácsok:
- lehetőleg alacsony forgalmú időszakban mérjünk;
- ha lehetséges, kerüljük a nagy tömegű mozgó objektumokat;
- egy nagyobb jármű vagy gyalogoscsoport elhaladásakor célszerű megvárni, amíg a környezet ismét stabilabbá válik;
- a feldolgozás során használjuk a rendszer által biztosított dinamikusobjektum-szűrést, ha az adott szoftver támogatja.
Sebesség és a környezet geometriai gazdagsága
A megfelelő mozgási sebesség rendszerfüggő, ezért a gyártói ajánlás az elsődleges. Általános elvként azonban igaz, hogy a kevés geometriai részletet tartalmazó környezetben (például hosszú, üres útpályán vagy egyenletes kerítés mellett) óvatosabb, egyenletesebb mozgás indokolt.
A szkennernek folyamatosan elegendő, jól azonosítható geometriai információt kell “látnia”. Nagy, homogén, ismétlődő felületek esetén érdemes a bejárást úgy vezetni, hogy a látómezőben stabil és jellegzetes objektumok is legyenek.
Tükröződő és problémás felületek
Az üveg, a fényes fém, a víz és más nehezen mérhető felületek a LiDAR-visszaverődés minőségét ronthatják. Ilyenkor hiányzó pontok, zajos vagy hibás visszaverődések, illetve a tényleges geometriától eltérő pontok jelenhetnek meg.
A problémás területeket érdemes több irányból és megfelelő átfedéssel felmérni. Ha a felület a feladat szempontjából kritikus, célszerű a pontfelhőt más mérési módszerrel is ellenőrizni.
Hurokzárás
A loop closure a SLAM egyik fontos hibacsökkentő mechanizmusa. Amikor a szkenner egy korábban már bejárt területre visszatér, a feldolgozó rendszer felismerheti az átfedést, és ennek felhasználásával módosíthatja a trajektóriát.
A cél nem egyszerűen az, hogy “sok kört” tegyünk a területen, hanem hogy valódi, jól felismerhető átfedések jöjjenek létre. A bejárás végén a kiindulási területhez való visszatérés különösen hasznos lehet.
Épület belső felmérése
Zárt téri, épületen belüli felmérésnél a problémák jellege más. A GNSS hiánya önmagában nem jelent problémát, viszont a szűk terek, az ismétlődő geometria, a hosszú folyosók, a lépcsőházak és az üvegfelületek komoly kihívást jelenthetnek.
Illesztőpontok beltéren
Ha a feladat EOV vagy más koordináta-rendszerben történő dokumentációt igényel, beltérben is célszerű megfelelő geodéziai kontrollpontokat kialakítani.
A kontrollpontokat nem feltétlenül kell minden esetben “kívülről átvezetni”. Egy jól kialakított épületbelsőben lehetőség van olyan stabil, azonosítható pontok létrehozására is, amelyeket geodéziai módszerrel meghatároznak és a SLAM-feldolgozás során használnak.
Többszintes épületnél különösen fontos a szintek közötti kapcsolat és a vertikális átmenetek kontrollja. A szükséges pontszámot és eloszlást az épület mérete, a mérési útvonal és a kívánt pontosság alapján kell megtervezni.
Útvonaltervezés emeletek és helyiségek között
A bejárást úgy kell megszervezni, hogy minden szükséges helyiség és folyosószakasz lefedése mellett minél több stabil átfedés és visszatérési lehetőség maradjon.
A lépcsőházak és szintváltások különösen fontosak, mert ezek kötik össze a különböző szintek trajektóriáját. Ha lehetséges, a már felmért területekhez való visszatérés itt is hasznos.
Ismétlődő geometria
A hosszú, egyforma folyosók és az azonos kialakítású helyiségek nehéz környezetet jelentenek. A rendszer számára nehéz lehet megkülönböztetni két geometriailag nagyon hasonló helyet, ami hibás illesztéshez vagy akár SLAM-breakhez vezethet.
Ezért különösen fontos a bejárás tudatos megtervezése és a megfelelő átfedések kialakítása. A pusztán geometriailag ismétlődő környezetekben a kontrollpontok és az ellenőrzőpontok szerepe felértékelődik.
Ajtók, akadályok, mozgó elemek
A csukott ajtók mögötti helyiségek természetesen nem kerülnek bele a pontfelhőbe. Ha teljes épületfelmérés készül, célszerű előre meghatározni, mely helyiségekbe kell bejutni, és a mérés idején lehetőség szerint csökkenteni a mozgó személyek számát.
Üveg és tükröződő felületek
Az üvegfalak, tükrök, fényes burkolatok és rozsdamentes acélfelületek beltérben is problémát okozhatnak. Ezeket a területeket célszerű több nézőpontból és megfelelő átfedéssel mérni, a feldolgozás során pedig ellenőrizni a pontfelhőben megjelenő hibás visszaverődéseket.
Sebesség és mozgás
Beltérben általában az egyenletes, kiszámítható mozgás a fontosabb, mint a lehető legnagyobb sebesség. A gyártói előírásokat kell követni, különösen a maximális haladási sebességre, a fordulásokra és a műszer mozgatására vonatkozóan.
Hurokzárás beltéren
Az épületen belül a hurokzárás tudatos kialakítása különösen hasznos lehet. Egy szinten célszerű olyan útvonalat kialakítani, amely visszatér egy korábban bejárt területhez, és ahol lehet, a szintváltásoknál is létrehozni stabil átfedést.
A hurokzárás azonban nem az egyetlen módja a pontfelhő kontrollálásának. Ha nagy pontosságra van szükség, a geodéziai kontrollpontok és az ellenőrzőpontok legalább ilyen fontosak lehetnek.
Mire használható jól a SLAM technológia?
- Épületfelmérés, meglévő állapot (as-built) dokumentáció: alaprajzok, metszetek és 3D modellek gyors előállítása felújítás vagy BIM-modellezés előkészítéséhez.
- Ipari és technológiai terek felmérése: csővezetékek, gépsorok, üzemcsarnokok és egyéb összetett terek dokumentálása.
- Föld alatti és GNSS-mentes környezetek: bányavágatok, alagutak, aknák, pincék és más zárt terek.
- Térfogatszámítás: depóniák, kitermelt anyagok és földmunkák mennyiségi ellenőrzése - megfelelő terepi és geodéziai kontroll mellett.
- Infrastruktúra és útkorridor dokumentáció: gyalogos vagy járműre szerelt mobil térképezés hosszabb, lineáris létesítményeknél, a rendszer korlátainak figyelembevételével.
- GIS-adatgyűjtés és digitális ikrek: ahol a geometriai teljesség, a gyors adatgyűjtés és a részletesség fontosabb, mint a kifejezetten magas geodéziai abszolút pontosság.
Mire nem, vagy csak korlátozottan alkalmas?
A SLAM technológia önmagában nem minősül sem “hivatalos”, sem “nem hivatalos” földmérési módszernek. Az alkalmazhatóságot nem elsősorban a műszer típusa, hanem az adott földmérési munka célja, az előírt pontosság, a mérési és ellenőrzési eljárás, valamint a végeredmény dokumentálhatósága határozza meg.
Ez különösen fontos az ingatlan-nyilvántartási célú földmérési munkáknál. A földmérési és térképészeti tevékenységről szóló 2012. évi XLVI. törvény (Fttv.) külön kezeli az ingatlan-nyilvántartási célú és az egyéb célú földmérési tevékenységet. Az ingatlan-nyilvántartási célú földmérési tevékenység az egységes ingatlan-nyilvántartás tartalmának változását eredményező földmérési munkákat foglalja magában; az Fttv. külön rendelkezéseket tartalmaz az ilyen munkák végzésére és a munkarészekre is.
Az ingatlan-nyilvántartási célú földmérési és térképészeti tevékenység részletes szabályait a 8/2018. (VI. 29.) AM rendelet tartalmazza. A rendelet többek között az állami alapadatok felhasználását, a földmérési munkák egyes eljárásait, a részletpontok meghatározását, a tűréseket, az ellenőrzést, valamint az elkészítendő munkarészek tartalmát szabályozza.
A rendelet szemléletéből is az következik, hogy nem egyszerűen egy konkrét műszertípus használata a döntő. A mérési technológiával előállított eredménynek kell megfelelnie az adott munkára vonatkozó követelményeknek, és a megfelelőséget a szükséges ellenőrzésekkel igazolni kell.
Ezért egy nyers, kontroll és megfelelő ellenőrzés nélküli SLAM-pontfelhőből önmagában nem következik, hogy az abból levezetett földrészlethatár, épületkontúr vagy más ingatlan-nyilvántartási munkarész megfelel az előírásoknak. Ugyanakkor önmagában az sem jelent jogszabályi akadályt, hogy az adatgyűjtés SLAM lézerszkennerrel történt.
A pontosságot a konkrét munkához kell igazítani
A 8/2018. AM rendelet a részletpontok rendűségéhez és az alkalmazott tűrési osztályokhoz kapcsolódó követelményeket is meghatároz. Ez azért lényeges, mert egy SLAM-rendszer “centiméteres pontossága” önmagában nem bizonyítja, hogy a rendszer egy konkrét ingatlan-nyilvántartási munkában megfelel az előírt követelményeknek.
A helyes kérdés tehát nem az, hogy:
“Centiméteres-e a SLAM?”
hanem az, hogy:
“Az adott műszerrel, az adott környezetben, az alkalmazott mérési és feldolgozási eljárással igazolható-e az adott munkára előírt pontosság?”
Ez fontos különbség. A gyártói pontossági specifikációk ugyanis mindig meghatározott mérési körülményekre, vizsgálati módszerre és gyakran meghatározott környezeti feltételekre vonatkoznak. Ezek nem azonosak automatikusan egy jogszabályi tűréshatárral.
Kontrollpont és ellenőrzőpont nem ugyanaz
A SLAM-pontfelhő georeferálásához és a feldolgozás kontrollálásához alkalmazott kontrollpontok mellett különösen fontosak lehetnek az ellenőrzőpontok is.
A kontrollpont részt vesz a georeferálásban vagy a feldolgozásban. Az ellenőrzőpont ezzel szemben lehetőleg független pont, amelyet a végső eredmény ellenőrzésére használunk.
Ez azért fontos, mert ha ugyanazokat a pontokat használjuk az illesztéshez és az ellenőrzéshez, az nem ad valóban független képet a pontfelhő abszolút pontosságáról.
A kontrollpontok tehát segíthetnek a SLAM-pontfelhő megfelelő koordinátarendszerbe helyezésében és a globális torzulások korlátozásában, de önmagukban nem bizonyítják, hogy a pontfelhő minden részletpontja megfelel az előírt pontosságnak. Ha a feladat pontossági követelménye magas, az ellenőrző méréseknek is megfelelően megtervezettnek kell lenniük.
Georeferálás és EOV
Egy RTK-val nem rendelkező kézi vagy hátizsákos SLAM-rendszer tipikusan saját, helyi koordinátarendszerben állítja elő a pontfelhőt. Ha azt EOV-ban kell felhasználni, a pontfelhőt valamilyen ismert geodéziai vonatkoztatáshoz kell kapcsolni.
Ennek egyik kézenfekvő módja a megfelelően meghatározott EOV-koordinátájú kontrollpontok használata. Más rendszereknél GNSS/RTK-integráció vagy más georeferálási megoldás is rendelkezésre állhat.
Fontos azonban különválasztani a SLAM-pontfelhő georeferálását a GNSS-mérések koordinátatranszformációjától. A két feladat nem feltétlenül ugyanaz, ezért nem helyes általános szabályként azt állítani, hogy minden RTK nélküli SLAM-mérés EOV-ba helyezése ugyanazzal a transzformációs eljárással történik.
Mit jelent ez a gyakorlatban?
A SLAM tehát nem a hagyományos geodéziai módszerek “jogszabály által tiltott alternatívája”, hanem egy adatgyűjtési technológia.
Egy épület meglévő állapotának dokumentálásához, BIM-modellezés előkészítéséhez, ipari térfelméréshez, belsőépítészeti felméréshez vagy GIS-adatgyűjtéshez a SLAM önállóan is kiválóan használható lehet, ha az elvárt pontosságot teljesíti.
Egy ingatlan-nyilvántartási célú munkánál viszont nem elegendő a részletes és látványos pontfelhő megléte. A teljes mérési és feldolgozási folyamatnak az adott munkára vonatkozó pontossági, ellenőrzési, dokumentációs és jogosultsági követelményeknek is meg kell felelnie.
A legfontosabb következtetés ezért:
nem a technológia neve dönti el, hogy egy földmérési munka elfogadható-e, hanem az, hogy az alkalmazott munkafolyamat eredménye igazolhatóan megfelel-e az adott feladatra vonatkozó követelményeknek.
További praktikus szempontok
- Kalibráció és szenzorállapot: a műszert a gyártói előírások szerint kell üzemeltetni és ellenőrizni. A LiDAR, az IMU és a kamerák állapota egyaránt hatással lehet a végső eredményre.
- Ellenőrzőmérés: nagyobb jelentőségű munkáknál ne csak a pontfelhő “szép” megjelenését ellenőrizzük. Mérjünk vissza független kontrollpontokra vagy ellenőrzőméretekre is.
- Adatvédelem: a képekkel vagy panorámaképekkel kiegészített mobil térképezés személyeket, rendszámokat és más személyes adatokat is rögzíthet. A nyers képanyag kezelése és megosztása ezért adatvédelmi szempontból is figyelmet igényel.
- Georeferálás EOV-ba: ha a SLAM-rendszer nem rendelkezik önmagában megfelelő EOV-koordinátás helymeghatározással, az EOV-hoz való kapcsolást geodéziai kontrollpontokkal vagy a konkrét rendszer által támogatott más, ellenőrzött georeferálási eljárással kell megoldani. Nem helyes általános szabályként azt állítani, hogy minden ilyen esetben ugyanaz a transzformációs eljárás szükséges.
- Adatmennyiség: egy nagyobb felmérés könnyen több tízmillió pontot eredményezhet. Már a mérés megkezdése előtt érdemes számolni a feldolgozási idővel, a tárolási igénnyel és a pontfelhőből készítendő végtermék méretével.
- Pontfelhő nem egyenlő kész geodéziai munkarész: a SLAM elsődlegesen adatgyűjtési technológia. A végső termék - például alaprajz, metszet, BIM-modell, térkép vagy koordinátajegyzék - elkészítése további feldolgozást, ellenőrzést és adott esetben geodéziai kiegészítő méréseket igényel.
Összefoglalva
A SLAM lézerszkennelés az egyik leghasznosabb modern adatgyűjtési technológia a gyors térfelmérésben. Ott különösen erős, ahol a sebesség, a hozzáférhetőség, a nagy részletesség és a teljes geometriai lefedettség fontos.
Ugyanakkor a SLAM nem “varázslatos centiméteres mérőgép”. A pontfelhő minőségét és abszolút pontosságát a műszer, a környezet, a bejárás, a hurokzárások, a kontrollpontok és a feldolgozás együtt határozza meg.
A legfontosabb szabály ezért egyszerű:
Ne a technológiához válasszunk feladatot, hanem a feladathoz válasszunk technológiát!
Egy épület meglévő állapotának gyors dokumentálásához vagy egy összetett ipari tér felméréséhez a SLAM kiváló választás lehet. Egy nagy pontosságot és igazolható geodéziai kontrollt igénylő munkánál viszont célszerű a SLAM-et kontrollpontokkal és szükség esetén hagyományos geodéziai mérésekkel kombinálni.
Ha bizonytalan abban, hogy egy adott munkához elegendő-e a SLAM technológia, hagyományos bemérésre, vagy a kettő kombinációjára van szükség, keressen minket - szívesen segítünk a megfelelő módszer és eszköz kiválasztásában.