Aerolaserskanneerimine mehitamata õhusõidukilt markšeideritöödel mahtude mõõdistamiseks [Magistritöö. Juhendaja: S. Kanter]

Käesoleva lõputöö eesmärk oli katsetada LiDAR seade markšeideritöödel mahtude mõõdistamiseks. Mõõdistamised tehti kahe erineva karjääri alusel, kus analüüsi alla võeti savikarjääri terve kaeveala, lubjakarjääri kaeve-ee astang, valmistoodangu puistang ja kasvupinnase puistang. Töö käigus koostati digitaalsed pinnamudelid RTK GPS mõõdistuse andmete alusel, fotogramm-meetrilise aeromõõdistamise tulemuste alusel ja LiDAR-i aerolaserskaneerimise alusel. Mudelite abil arvutati lõputöös valitud objektide mahud ja võrreldi nende erinevusi seadusandlusest tulenevate piiride alusel.

Savikarjääri kaeveala mahu arvutamisel oli kahe kasutusel oleva meetodi erinevus LiDAR mõõdistamise tulemusest väga minimaalne. Fotogramm-meetriaga võrreldes oli vahe kõigest 0,8% ja RTK GPS-iga võrreldes 0,4%. Kui võtta nende kahe keskmine, siis LiDAR tulemus erineb olemasolevatest meetoditest kõigest 0,6 %. Kõrguserinevuste poolest olid tulemused pigem positiivsed. LiDAR-i kõige kõrgem mudelipunkt oli -2,65 abs m kõrgusel. See on fotogramm-meetrilisest mudelist kõigest 0,04 m kõrgemal seega väga täpne tulemus. RTK GPS-iga võrreldes oli vahe 0,58 m võrra väiksem.

Lubjakivikarjääri puhul käsitletud kaeve-ee mahu arvutamise tulemused kõikusid rohkem kui oleks osanud oodata. LiDAR-i tulemuse suhtes erines RTK GPS maht 10,9% võrra, mis ületas seadusest tuleneva lubatud piiri. Põhjus arvatavasti tulenes sellest, et LiDAR punktipilv on GPS punktipilvest punktide arvu poolest 343 korda suurem. Fotogramm-meetriaga võrreldes oli tulemus kõigest 3,3%, mis jääb lubatud piiridesse. Fotogramm-meetria mudeli kõige kõrgem punkt oli LiDAR-ist peaaegu 0,5 m võrra kõrgemal. GPS kõige kõrgem punkt oli aga üle 0,5 m madalamal. GPS erinevus tulenes sellest, et ei mõõdetud üles astangu ääres olevaid killustiku kuhjasid.

Lubjakivikarjääri valmistoodangu puistangu mahu arvutamisel saadi kätte anomaalia, mida antud karjääris ei osanud oodata. Kuna fotogramm-meetriline mõõdistamine on tundlik heledate või eredate pindade suhtes, siis valitud puistang oli kaootiliselt paiknevate mudelipunktidega. Anomaalia tuli samuti välja puistangu läbilõigete peal ning selle tulemust arvestada ei saanud. RTK GPS mahu arvutamise tulemus erines LiDAR tulemusest 10,2 %, mis jääb vaevu välja lubatud piirist. GPS mudeli kõige kõrgem punkt on LiDAR-i kõrgeimast punktis 0,12 m madalamal. Kõige minimaalsema väärtusega punktid on sisuliselt samad.

Kattepinnase puistangu võrdlus tehti, et näidata LiDAR seadme võimekust võrreldes fotogramm-meetriaga. Mahtude poolest erines RTK GPS mõõdistamise tulemuse LiDAR-ist 4,4%, mis jääb lubatud vahemikku. Fotogramm-meetrilise mõõdistamise tulemus erines 7,7%. Protsentide vahe meetodite vahel tulenes sellest, et fotogramm-meetriline mõõdistamine ei suuda läbida taimestatud ala.

Kokkuvõtvalt on RTK GPS mõõdistamise teel saadud mahtude keskmine erinevus LiDAR tulemuste suhtes 6,5%, mis on suhteliselt positiivne tulemuse. Fotogramm-meetrilise mõõdistamise teel saadud mahtude keskmine erinevus LiDAR-i suhtes on kõiges 3,9%.

Arvestades töös saavutatud tulemusi võib öelda, et LiDAR tehnoloogia kasutamine mäendusvaldkonnas mahtude arvutamiseks on äärmiselt sobilik. Kõige positiivsema tulemuse andis ajakulu erinevus teiste meetoditega võrreldes. LiDAR-i kasutamisega on võimalik ligikaudu 73% kiiremini jõuda mudeli valmimiseni.

Abstract

Laser scanning using LiDAR (Light Detection and Ranging) technology has been in use since the 1960s. The device uses a laser beam that provides information about wavelength variation and reflection time when reflected. Having been in use for decades, the LiDAR device has become more accessible and compact during development, providing an opportunity to test this technology in mine surveying.

Mine surveying is an integral part of mining, which requires precision, efficiency and innovation, as it usually has to cover large areas with complex terrain. Various technologies have been used for measurement, ranging from tacheometry to the recently introduced photogrammetric drone surveying. As the technology used in today's world is evolving at an insane rate, it is increasingly possible to adopt devices whose time, material consumption and accuracy exceed the parameters of the technology in use. Combining the currently widely used drone with a LiDAR device would make it possible to take a step towards faster and more accurate mine surveying, but this issue is currently unexplored in the field of mining.

The first part of this dissertation dissects the theoretical part of using LiDAR technology. In addition, I will provide an overview and analysis of the parameters for the LiDAR device used in the work and its comparison with the photogrammetry currently in use, in order to provide a basis for the efficiency and extent of the use for LiDAR device in surveying. I will also review the Estonian legislation currently in force governing mine surveying procedures.

The main goal of this thesis is to find the accuracy and applicability of the LiDAR device on UAV and to analyse it with the photogrammetry that is currently in use. For this purpose, I have performed measurements from a drone on the principle of photogrammetry as well as from a drone with a LiDAR device. Different drones have been used for both. I also give an overview of the advantages and disadvantages of using a LiDAR device compared to the currently used method.

As a result of the work, it was found that the use of the LiDAR device significantly speeds up the workflow of mine surveying while providing the required accuracy, which is within the limits of the legal requirements. Aerial laser scanning also allows you to measure in the dark, in vegetated areas and bright and reflective areas.

J.Viru Makršeideribüroo DJI Phantom 4 RTK drone, Terrascan processing software and CAD software Microstation for Baltics v8.1 have been used in the work. As a LiDAR device, I used the DJI Zenmus L1 device and drone DJI Matrice 300 RTK offered by Geosoft.