Laser keilaa 3d-maailmaa

24.01.2018
Marjukka Puolakka

Robottiauto, metsän kasvu, virtuaaliteatteri, remontointi... Laserkeilaukselle on paljon käyttökohteita ja uusia syntyy koko ajan.

Mobiilikeilattua rakennettua ympäristöä. Kuva: Antero Kukko.

Perusidea on tämä: lasersäde kimpoaa mitattavasta kohteesta takaisin ja säteen matka-ajasta lasketaan kohteen etäisyys. Syntyneistä pistepilvistä rakennetaan tarkka kolmiulotteinen malli niin kaupungeista, metsistä, taloista, ihmisistä kuin vaikkapa lehmistä.

”Aluksi laserkeilausta tehtiin lentokoneista. Nykyiset mobiilikeilaimet kulkevat repussa tai ovat esimerkiksi osa robottiauton silmiä”, kertoo professori Hannu Hyyppä Insinööritieteiden korkeakoulusta.

Hyypän johtama tutkimusryhmä on osa Suomen Akatemian rahoittamaa Laserkeilauksen huippuyksikköä (2014–2019). Yhdessä Paikkatietokeskuksen kanssa ryhmä muodostaa Rakennetun ympäristön mittauksen ja mallinnuksen instituutin, joka on liikkuvan laserkeilauksen osaamisessa maailman ykkönen.

”Kolmiulotteisen tiedon tarve lisääntyy räjähdysmäisesti. Visiomme on, että laserkeilaus on kaikkialla ja -vaikuttaa jokaisen elämään 2020-luvun tietoyhteiskunnassa.”

Museoesineistä robottibussiin

Mobiilikeilauksessa laserkeilain kulkee autossa, veneessä, robottikopterissa tai selkärepussa. Lisävarusteena on usein digikamera, jonka avulla pistepilvistö saa väriarvot ja kohde luonnollisemman ulkonäön. GPS-paikannuksen ja keilaimen asentoa mittaavien inertialaitteiden kehitys johtaa yhä tarkempiin 3d-malleihin.  

Laserkeilauksen huippuyksikössä yhteistyönä rakennetuilla mobiilikeilaimilla tehdään kansainvälisestikin ainutlaatuisia mittauksia.

Ensin rakensimme laitteita alusta pitäen, nykyisin yhdistämme erilaisia lasereita, sensoreita, mönkijöitä ja muuta tekniikkaa”, Hyyppä kertoo.

Laitekehityksen lisäksi tarvitaan algoritmeja, jotta haluttu tieto tunnistetaan valtavasta pistemäärästä. Esimerkiksi metsätaloudessa tarvitaan tietoa puiden korkeudesta, rungon paksuudesta, oksiston määrästä ja puun terveydestä. Metsän kartoituksessa laserkeilaimilla päästään 2–5 senttimetrin tarkkuuteen.

Sisätiloissa mobiilia keilausta rajoittaa heikko satelliittisignaali. Staattisella sisäskannerilla kohde keilataan useammasta paikasta katvealueiden välttämiseksi. Rakennusten sisätilojen mallintamisessa ollaan noin sentin tarkkuudessa. Pienen museoesineen 3d-mallinnuksessa käytettävillä sisäskannereilla päästään jo alle millin tarkkuuteen.

”Mittaus sinänsä on helppoa, mutta miljardien datapisteiden käsittely vie jopa päiväkausia”, Hyyppä muistuttaa.

Laserkeilausta käytetään myös suojeltujen arvokohteiden korjausrakentamisessa. Aalto-yliopiston päärakennuksen, vuonna 1966 valmistuneen Dipolin peruskorjauksessa alakatoista tehtiin laserkeilauksella tarkat mittapiirustukset, jotta ne osattiin purkamisen ja kunnostuksen jälkeen palauttaa alkuperäiseen asuunsa.

Robottibussi keilaa kulkureittiään

Laserkeilaus tukee myös automaattiautoilua. Googlen robottiautojen tärkein anturi on katolle sijoitettu pyörivä laserkeilain, joka muodostaa 360 asteen kuvan ympäristöstä aina 200 metriin asti.

Otaniemessä demokäytössä liikkuvat robottibussit kulkevat laserpohjaisten konenäkölaitteiden avulla. Pikkubussien antureina toimivat GNSS-satelliittipaikannin, kamerat, auton kulmiin asennetut 2d-tasokeilaimet sekä katolla oleva laserkeilain.

”Robottibussi tarvitsee ympäristöstä mallin, jota se täydentää jatkuvasti laserkeilauksella.”

Sää asettaa ulkokeilaukselle rajoitteensa kosteuden ja lumen aiheuttaman säteen sironnan vuoksi. Myös keilaimen peilit alkavat huurtua ja elektroniikka jäätyä pakkasen laskiessa.

Hullujakin ideoita

Hannu Hyypän johtamassa 27 hengen tutkimusryhmässä poikkitieteisyys on täyttä totta: mukana on asiantuntijoita maanmittareista virtuaalivelhoihin ja liikenneinsinööreistä kulttuuriosaajiin.

”Kun tehdään uutta, ei aina ole valmista mallia siitä, kuka tekee mitäkin. Toimimme oman mukavuusalueemme ulkopuolella. Juuri siitä syntyy ennakkoluulottomia oivalluksia”, toteaa tiedetuottaja Marika Ahlavuo.

Tutkimusryhmä tekee yhteistyötä yliopistojen, ammattikorkeakoulujen, lukioiden, yritysten, kulttuurilaitosten ja lukuisten muiden toimijoiden kanssa. Suhteet ovat kunnossa myös elokuva- ja peliteollisuuteen.

3Dmalli-dronella_700x400.jpg

Raaseporin linnan 3d-malli on tehty drone-lennokin avulla. Kuva: Anttoni Jaakkola ja Antero Kukko.

Lapinlahdesta lasten taidefestarille

3d-mallinnus ulottuu myös taiteeseen. Svenska Yle ja Laserkeilauksen huippuyksikkö tuottivat Helsingin juhlaviikoille teoksen, jota varten Lapinlahden sairaala laserkeilattiin reppukeilaimella ja valokuvattiin panoraamakameralla. Syntyi vuosiin 1841–2006 sijoittuva valo- ja ääni-installaatio, jossa tarinoivat sairaalan asukkaat Aleksis Kiveä myöten. Sisätilamalli vietiin Unity-pelimoottoriin, mikä mahdollisti tiloissa liikkumisen myös etänä.

”Rakennetun ympäristön malleja voidaan hyödyntää tapahtumatuotannossa. Virtuaalimaailma tekee taiteesta ajasta ja paikasta riippumatonta”, sanoo Marika Ahlavuo.

Espoon kulttuurikeskuksen järjestämässä Lasten taidefestivaali KutItuksessa oli esillä näyttely, jossa ihailtiin pilvipistetaidetta ja laserilla teistä kerättyä tarkkaa pistepilvidataa hologrammina.

Virtuaaliseikkailu teatterin maailmaan -hankkeessa uusia elämyksiä rakennetaan digikuvauksen, etäisyyskameroiden, 360-videoiden, lisätyn todellisuuden sekä laserkeilainten avulla.

”Jyväskylän teatterissa tehtävässä kokeilussa katsoja voi vaeltaa virtuaalitodellisuudessa teatterin sisällä. Hän pääsee näkemään, kuinka näytöksen illuusio ja lavasteet syntyvät, sekä millaista pöhinää teatterissa on esityslavan ulkopuolella”, kertoo Ahlavuo.

Lehmistä keittiöremonttiin

Tutkimusryhmä etsii laserkeilaukselle jatkuvasti uusia kohteita. Pig Data -hankkeessa 3d-mittaus rantautuu navettoihin ja sikaloihin. Tutkimuksessa selvitetään, kuinka eläinten kehitystä ja hyvinvointia voitaisiin seurata 3d-mallien avulla. Kaupunkisuunnittelussa pohditaan, kuinka viherrakentamisen 3d-mallinnus olisi apuna asuntojen arvon määrittelyssä.

Suomen Akatemian rahoittaman COMBAT-pistepilvihankkeen tavoitteena on luoda koko Suomen kattava 3d-malli, joka digitalisoi metsät, joet, kaupungit, sähkölinjat ja liikenneympäristöt.

”Selvitämme esimerkiksi, kuinka teihin liittyvää dataa, jota autot pian keräävät, voidaan hyödyntää teiden kunnossapidossa ja turvallisuuden parantamisessa”, sanoo Hannu Hyyppä.

Kännyköissä laserkeilauksen arvellaan näkyvän muutaman vuoden kuluttua. Hyyppä visioi tulevaisuuden kodin keittiöremonttia:  

”Otan kännykällä tai padilla laserkeilauskuvat keittiön kaapeista ja teen kuvista mallin, jonka lähetän kalustefirmalle tarjousta varten.”

”Laserkeilaus tulee autoihin, kuluttajalaitteisiin, älyvaatteisiin – kaikkialle. Sarjakuvissa tutkijoilla on päässään propelli. Sen voisi hyvin vaihtaa laserkeilaimeen”, Hyyppä naurahtaa.

Selkareppukeilausta_700x400.jpg

Selkäreppukeilausta maastossa. Kuva: Hannu Hyyppä ja Antero Kukko.

  • Miljoona sädettä sekunnissa 
  • Laserkeilaus on mittaustapa, jossa kohteesta tehdään lasersäteiden avulla tarkka kolmiulotteinen malli ilman, että kohteeseen tarvitsee koskea. Keilaus perustuu laserpulsseihin, jotka siroavat kohteesta takaisin keilaimeen. Etäisyys lasketaan esimerkiksi ajasta, joka säteiltä kuluu matkantekoon.
  • Laserkeilain lähettää parhaimmillaan miljoona sädettä sekunnissa eri suuntiin. Kun keilaimen tarkka sijainti ja asento tiedetään, saadaan etäisyydet muutettua kunkin pisteen kolmiulotteisiksi xyz-koordinaateiksi. Syntyvä pistepilvi voi koostua jopa miljardeista pisteistä. Laskennan avulla pistepilvistä tunnistetaan ja mallinnetaan kolmiulotteinen pinta.
  • Alun perin sotilaallisiin tarkoituksiin kehitetty mittaustapa rantautui Suomeen 1990-luvulla metsänkartoituksen muodossa. 2000-luvulla alan huimaa kehitystä on auttanut GPS-paikannus- ja inertia- eli kallistusmittaustekniikan kehitys. Sovellusalueet kasvavat vauhdilla. Suomessa metsien havainnoinnista alkanut laserkeilaus ulottuu tänään jokaisen arkeen esimerkiksi Googlen Street View -auton tuottamien karttojen muodossa.

Artikkeli on julkaistu Aalto University Magazinen numerossa 21 tammikuussa 2018. (issuu.com)