1. Utangulizi
Kupima umbali kwa laser kwa kutumia muda wa safari ya mwendo wa mfululizo (pulsed time-of-flight) ni msingi wa upatikanaji wa data ya kisasa ya anga-nchi. Hata hivyo, usahihi wake unakabiliwa changamoto ya msingi pale alama ya mguu ya laser inapoingiliana na nyuso tata, zisizoendelea. Utafiti huu unashughulikia Athari ya Pikseli Mchanganyiko Iliyopanuliwa, chanzo changamano cha makosa kinachotokana na alama ya mguu ya laser iliyopotoka inayofunika masafa mengi. Inajumuisha athari ya kawaida ya pikseli mchanganyiko (kutokana na ukosefu wa kina ndani ya seli ya azimio) na athari ya pembe ya kukaribia (kutokana na urefu wa kijiometri wa alama ya mguu). Karatasi hii inapendekeza muundo mpya, wa usahihishaji uliojumuishwa wa fizikia na jiometri na mfuatano thabiti wa kukadiria vigezo ili kurejesha uaminifu wa kupima umbali, uliothibitishwa kwenye vifaa vya kibiashara kama vile Trimble M3 DR na Topcon GPT-3002LN.
2. Msingi wa Nadharia
2.1 Athari ya Pikseli Mchanganyiko Iliyopanuliwa
Tatizo kuu ni alama ya mguu ya mfululizo mmoja wa laser inayorudisha maelezo ya masafa yasiyo wazi kwa sababu inaangazia nyuso kwa masafa tofauti. Athari hii "iliyopanuliwa" inaunganisha matukio mawili tofauti chini ya uhusiano wa alama ya mguu moja, isiyo sawa inayosababisha upendeleo wa kimfumo. Ukubwa wa kosa unategemea vifaa kutokana na algoriti za usindikaji wa ishara za kibinafsi, na kufanya usahihishaji wa ulimwengu wote kuwa changamoto.
2.2 Athari ya Pikseli Mchanganyiko
Hutokea wakati doa la laser linapovuka ukingo au ukosefu wa kina unaoendelea (k.m., kona ya jengo). Ikiwa tofauti ya kina ni chini ya azimio la masafa la kifaa $\Delta R = c \cdot \tau / 2$ (ambapo $c$ ni kasi ya nuru na $\tau$ ni upana wa mfululizo), kipima umbali hupokea umbo la wimbi moja, lililopotoka la mchanganyiko. Kikadiriaji cha muda kinadanganywa, na kuripoti masafa yasiyo sahihi, mara nyingi ni wastani wenye uzito wa umbali.
2.3 Athari ya Pembe ya Kukaribia
Wakati boriti ya laser inapogonga uso kwa pembe isiyo ya pembe $\theta$, alama ya mguu ya duara huwa duaradufu yenye mhimili mkuu $D / \cos(\theta)$, ambapo $D$ ni kipenyo cha boriti. Alama hii ya mguu iliyopotoka kijiometri huchukua sampuli ya safu za masafa kwa urefu wake. Ikijumuishwa na mtawanyiko wa Lambertian, ambao hupunguza nguvu ya ishara kama $\cos(\theta)$, mfululizo wa kurudi unapanuliwa kwa muda na kupunguzwa, na kusababisha upendeleo wa kupima umbali.
3. Mbinu
3.1 Mfuatano wa Kazi wa Kesi Tano
Utafiti huu unatengeneza mfuatano wa kazi wa kimfumo wa hatua tano: 1) Bainisha mtawanyiko wa boriti, 2) Tumia kuondoa katikati ili kupunguza pikseli mchanganyiko, 3) Unda muundo wa athari ya pembe ya kukaribia, 4) Kadiria kwa kurudia pembe zisizojulikana za kukaribia katika data ya uwanja, na 5) Unda na utumie muundo wa usahihishaji wa uhamisho wa umoja.
3.2 Kukadiria Pembe ya Kutawanyika & Kuondoa Katikati
Njia imewasilishwa ili kukadiria mtawanyiko bora wa boriti. Kwa kukusudia kuondoa sehemu ya lengo mbali na kingo, alama ya mguu inaweza kuwekwa ili kufunika hasa uso mmoja, na hivyo kuondoa au kupunguza mchango wa pikseli mchanganyiko.
3.3 Uundaji wa Pembe ya Kukaribia & Kukadiria Kwa Kurudia
Athari ya pembe ya kukaribia inaundwa kulingana na jiometri ya alama ya mguu na fizikia ya mtawanyiko. Uvumbuzi muhimu ni utaratibu wa kukadiria kwa kurudia kwa pembe ya kukaribia $\theta$ katika pointi za lengo, ambayo mara nyingi haijulikani katika hali za kawaida za uchunguzi. Mbinu ya marekebisho inajumuisha kutokuwa na uhakika wote wa uchunguzi.
3.4 Uundaji wa Muundo wa Usahihishaji wa Umoja
Miundo ya makosa ya kibinafsi imeunganishwa katika mlingano kamili wa usahihishaji: $\Delta R_{total} = f(\Delta R_{mix}, \Delta R_{angle}, \phi, \theta, D, ...)$. Vigezo vinakadiriwa kupitia utaratibu wa marekebisho unaozingatia kutokuwa na uhakika kwa uchunguzi.
4. Matokeo ya Majaribio & Uchambuzi
4.1 Usanidi wa Majaribio & Vifaa
Majaribio yalifanywa kwa kutumia vituo viwili vya jumla vya kibiashara: Trimble M3 DR 2" na Topcon GPT-3002LN. Malengo yaliwekwa kwenye nyuso zisizoendelea na kwa pembe tofauti za kukaribia ili kusababisha athari za pikseli mchanganyiko zilizopanuliwa.
4.2 Tathmini ya Utendaji
Njia iliyopendekezwa ya usahihishaji ilitumika kwa data ghafi ya kupima umbali. Matokeo yalithibitisha kupunguzwa kwa kiasi kikubwa kwa makosa ya kimfumo. Mfuatano wa kazi ulifanikiwa kurejesha ubora wa kupima umbali, na kuonyesha ufanisi wake katika aina na miundo tofauti ya vifaa. Ukadiriaji wa kurudia wa pembe ulithibitika kuwa thabiti katika hali zinazofanana na uwanja.
Matokeo Muhimu: Makosa ya kimfumo yanayosababishwa na pikseli mchanganyiko zilizopanuliwa yalitatuliwa kwa ufanisi, na kuhifadhi usahihi wa kiwango cha chini ya sentimita pale vipimo vya jadi vilivyoonyesha upendeleo wa kiwango cha desimita.
5. Majadiliano & Mwelekeo wa Baadaye
Ufahamu Msingi: Mafanikio halisi ya karatasi hii sio muundo mwingine tu wa makosa; ni utambuzi rasmi na kuunganishwa kwa vyanzo viwili vya makosa ya LiDAR vinavyosambaa lakini vinavyotibiwa tofauti chini ya mwavuli wa "kupotoka kwa alama ya mguu." Waandishi wamebainisha kwa usahihi kwamba hali ya kisanduku nyeusi ya programu ya kifaa cha kukadiria umbali cha kibiashara ndio kikwazo kikuu cha usahihishaji wa ulimwengu wote, na wamevuka kwa ujanja kwa kutumia mbinu ya marekebisho ya nje yenye msingi wa fizikia.
Mfuatano wa Kimantiki: Mantiki ni sahihi: fafanua tatizo (athari iliyopanuliwa), tengeneza vipengele vyake (pikseli mchanganyiko + pembe ya kukaribia), shambulia kila moja kwa mbinu zilizobinafsishwa (kuondoa katikati, ukadiriaji wa kurudia wa pembe), na uziunganishe tena katika muundo wa umoja. Mfuatano wa kazi wa kesi tano hutoa utaratibu wazi, unaoweza kutekelezwa kwa watendaji.
Nguvu & Kasoro: Nguvu kuu ni utumizi wa vitendo. Njia hiyo haihitaji upatikanaji wa data ghafi ya umbo la wimbi, ambayo mara nyingi ni ya kibinafsi. Kwa kutumia masafa na pembe tu zinazoweza kuonekana, inatoa suluhisho la usindikaji baadae. Ukadiriaji wa kurudia wa pembe za kukaribia ni mjanja hasa kwa uchunguzi wa ulimwengu halisi. Kasoro, kama ilivyo kwa mbinu nyingi zinazotegemea muundo, ni utegemezi wake wa uanzishaji sahihi wa vigezo na dhana kwamba miundo ya msingi ya kimwili (kama mtawanyiko wa Lambertian) inashikilia kweli. Nyuso zenye kioo sana au zinazorudisha nuru zinaweza kuvunja muundo huo. Zaidi ya hayo, uthibitishaji kwenye miundo miwili tu ya vifaa, ingawa chanya, huacha maswali wazi kuhusu utendaji wake katika mfumo mpana zaidi wa vichanganuzi vya laser, ikijumuisha LiDAR ya rununu na ya angani, ambapo athari hizi ni dhahiri zaidi.
Ufahamu Unaoweza Kutekelezwa: Kwa wataalamu wa anga-nchi, kazi hii ni amri ya kuacha kupuuza vipimo vya kingo na vilivyo mwelekeo. Utafiti huu hupima kosa, ambalo linaweza kuwa kubwa. Mbinu ya kuondoa katikati ni ujuzi wa haraka, wa gharama nafuu kwa wafanyakazi wa uwanja wanaochunguza miundo tata. Kwa wazalishaji, utafiti huu unasisitiza eneo la uboreshaji wa programu: kuripoti kwa uwazi vigezo bora vya boriti na uwezekano wa taratibu za usahihishaji zilizojengwa ndani kwa athari hizi. Baadaye iko katika ushirikiano mkali zaidi. Vichanganuzi vya kizazi kijacho vinapaswa kuingiza miundo kama hiyo ndani, kwa kutumia uchambuzi wa wakati halisi wa umbo la wimbi sawa na maendeleo katika usindikaji wa LiDAR ya umbo kamili la wimbi kwa misitu (tazama, k.m., kazi ya Mallet & Bretar (2009) katika Gazeti la ISPRS la Fotogrametria na Uchunguzi wa Mbali). Kuchanganya hii na ujifunzaji wa mashine ili kuainisha aina ya uso na kutabiri tabia ya mtawanyiko kutoka kwa ishara ya kurudi kunaweza kusababisha mifumo ya kupima umbali kwa laser inayojikokotoa na kujisahihisha yenyewe. Kanuni hapa pia zinahusiana moja kwa moja na uwanja unaokua wa LiDAR ya hali ngumu na safu za SPAD (Diode ya Mwamba ya Fotoni Moja) katika magari yanayojitegemea, ambapo pikseli mchanganyiko kwenye kingo za vitu ni changamoto muhimu kwa usalama.
Matumizi ya Baadaye: Mbinu hiyo ina athari za moja kwa moja kwa uchunguzi wa usahihi wa juu wa uhandisi (k.m., uchunguzi wa kupotoka kwa nyuso tata), hati za urithi wa kitamaduni, na mifumo ya mtazamo ya magari yanayojitegemea ambapo kipimo sahihi cha umbali kwenye mipaka ya vitu ni muhimu kwa usalama. Kazi ya baadaye inaweza kuunganisha muundo huu katika mifereji ya wakati halisi ya SLAM (Ujiolojia na Ramani Wakati Huo) au kutengeneza toleo linaloendeshwa na AI ambalo hujifunza vigezo vya usahihishaji kutoka kwa data, na hivyo kupunguza utegemezi wa miundo wazi ya kimwili.
6. Marejeo
- Abshire, J. B., et al. (1994). Pulse timing estimators for laser rangefinders. Proceedings of SPIE.
- Adams, M. D. (1993). A review of laser rangefinding technology. Journal of Surveying Engineering.
- Herbert, M., & Krotkov, E. (1992). 3D measurements from imaging laser radars. Image and Vision Computing.
- Soudarissanane, S., et al. (2009). Incidence angle influence on the quality of terrestrial laser scanning points. ISPRS Workshop Laserscanning.
- Typiak, A. (2008). Methods of eliminating the influence of mixed pixels in laser rangefinders. Reports on Geodesy.
- Xiang, L., & Zhang, Y. (2001). Analysis of mixed pixel in laser radar range finding. Optical Engineering.
- Mallet, C., & Bretar, F. (2009). Full-waveform topographic lidar: State-of-the-art. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 64(1), 1-16.