Наземное лазерное сканирование

Наземный Лазерный Сканер (НЛС) — это съёмочная система, измеряющая с высокой скоростью (от нескольких тысяч до миллиона точек в секунду) расстояния от сканера до точек объекта и регистрирующая соответствующие направления (вертикальные и горизонтальные углы) с последующим формирование трёхмерного изображения (скана) в виде облака точек.

Сущность наземного лазерного сканирования и его преимущества

Система наземного лазерного сканирования состоит из НЛС и полевого персонального компьютера со специализированным программным обеспечением. НЛС состоит из лазерного дальномера, адаптированного для работы с высокой частотой, и блока развертки лазерного луча. В качестве блока развёртки в НЛС выступают сервопривод и полигональное зеркало или призма. Сервопривод отклоняет луч на заданную величину в горизонтальной плоскости, при этом поворачивается вся верхняя часть сканера, которая называется головкой. Развёртка в вертикальной плоскости осуществляется за счёт вращения или качания зеркала.

В процессе сканирования фиксируется направление распространения лазерного луча и расстояние до точек объекта. Результатом работы НЛС является растровое изображение - скан, значения пикселей которого представляют собой элементы вектора со следующими компонентами: измеренным расстоянием, интенсивностью отражённого сигнала и RGB-составляющей, характеризующей реальный цвет точки. Для большинства моделей НЛС характеристики реального цвета для каждой точки получается с помощью неметрической цифровой камеры.

Другой формой представления результатов наземного лазерного сканирования является массив точек лазерных отражений от объектов, находящихся в поле зрения сканера, с пятью характеристиками, а именно пространственными координатами (x,y,z), интенсивностью и реальным цветом.

В основу работы лазерных дальномеров, используемых в НЛС, положены импульсный и фазовый безотражательные методы измерения расстояний, а также метод прямой угловой развёртки (триангуляционный метод).

Принцип действия наземных лазерных сканеров

рис.1 Принцип импульсного/фазового методв измерения расстояний

Импульсный метод измерения расстояний

Импульсный метод измерения расстояний основан на измерении времени прохождения сигнала от приёмо-передающего устройства до объекта и обратно. Зная скорость распространения электромагнитных волн c, можно определить расстояние как: R = c * τ / 2

где τ — время, измеряемое с момента подачи импульса на лазерный диод до момента приёма отражённого сигнала.

Фазовый метод измерения расстояний

Фазовый метод измерения расстояний основан на определении разности фаз посылаемых и принимаемых модулированных сигналов. В этом случае расстояние вычисляется по формуле: R = φ_2R * c / (4π * ƒ),

где φ_2R — разность фаз между опорным и рабочим сигналом; ƒ — частота модуляции.

Триангуляционный метод измерения расстояний

В настоящее время существует два варианта реализации триангуляционного метода измерения расстояний.

• 
  рис.2 Принцип действия НЛС Mensi Soisic и S-series (вид сверху)
• 
  рис.3 Принцип действия НЛС Minolta (вид сбоку)

Сущность первого варианта измерения расстояний триангуляционными сканерами заключается в следующем: с помощью проектора лазерный луч низкой мощности отклоняется от исходного направления. Угол θ₁, образуемый базисом сканера d и лазерным лучом, вычисляется по положению изображения лазереного пятна на приёмнике первой ПЗС-камеры. Угол θ₂образуется осью (базисом) сканера и вектором распространения отражённого сигнала от объекта, фиксируемого второй ПЗС-камерой.

Сущность второго принципа действия триангуляционных лазерных сканеров показана на рис.2. В сканерах данного типа вместо ПЗС-камеры используется полигональное зеркало, которое при помощи сервопривода отклоняет лазерный луч. В данном случае угол θ₁ измеряется при помощи лимба, который регистрирует угол поворота полигонального зеркала относительно начального положения. Основные особенности при измерении расстояний данными триангуляционными НСЛ: 1) развертка луча в горизонтальной плоскости происходит при помощи системы линз, расположенных вблизи лазерного источника, поэтому сканирование выполняется не лучом, а плоскостью; 2) отстутствует сервопривод, который выполняет поворот головки сканера.

Преимущества наземного лазерного сканирования

Помимо высокой степени автоматизации, наземное лазерное сканирование обладает также следующими достоинствами по отношению к другим способам получения пространственной информации:

• возможность определения пространственных координат точек объекта в полевых условиях;
• трёхмерная визуализация в режиме реального времени, позволяющая на этапе производства полевых работ определить «мёртвые» зоны;
• неразрушающий метод получения информации;
• отсутствие необходимости обеспечения сканирования точек объекта с двух центров проектирования (стояния), в отличие от фотограмметрического способа;
• высокая точность измерений;
• принцип дистанционного получения информации обеспечивает безопасность исполнителя при съёмке труднодоступных и опасных районов;
• высокая производительность НЛС сокращает время полевых работ при создании цифровых моделей объектов, что делает данную технологию более экономически выгодной по сравнению с другими;
• работы можно выполнять при любых условиях освещения, то есть днём и ночью, так как сканеры являются активными съёмочными системами;
• высокая степень детализации;
• многоцелевое использование результатов лазерного сканирования.

Обзор НЛС

В настоящее время разработкой приборов для трёхмерного лазерного сканирования занимается множество фирм: Leica Geo-Systems (Швецерия), Trimble (США), Zoller+Frohlich (Германия), Faro Technologies (США), Riegl (Австрия) и другие.

Leica:

• Leica HDS2500
  Leica HDS2500
• Leica ScanStation 4400
  Leica ScanStation 4400
• Leica ScanStation 2
  Leica ScanStation 2
• Leica C10
  Leica C10
• Leica HDS6200
  Leica HDS6200

Trimble:

• Trimble CX
  Trimble CX
• Trimble FX
  Trimble FX
• Trimble VX
  Trimble VX
• Trimble GS200
  Trimble GS200
• Trimble GX
  Trimble GX

Faro:

• Faro LS420
  Faro LS420
• Faro LS880
  Faro LS880
• Faro Photon
  Faro Photon
• Faro Focus3D
  Faro Focus3D

Zoller+Fröhlich:

• Z+F IMAGER® 5003
  Z+F IMAGER® 5003
• Z+F IMAGER® 5006ex
  Z+F IMAGER® 5006ex
• Z+F IMAGER® 5006h
  Z+F IMAGER® 5006h
• 
  Z+F IMAGER® 5006i
• Z+F IMAGER® 5010
  Z+F IMAGER® 5010

Riegl:

• Riegl LMS-Z360
  Riegl LMS-Z360
• Riegl VZ-400
  Riegl VZ-400
• Riegl LMS-Z420
  Riegl LMS-Z420
• Riegl LPM-321
  Riegl LPM-321
• Riegl VZ-1000
  Riegl VZ-1000

Все эти фирмы выпускают сканеры для различных целей. Задачи, решаемые конкретной моделью НЛС, определяются его техническими характеристиками. Основными характеристиками современных наземных лазерных сканеров являются:

1. точность измерения расстояния, горизонтального и вертикального углов;
2. максимальное разрешение сканирования;
3. скорость сканирования;
4. дальность действия лазерного сканера;
5. расходимость лазерного луча;
6. поле зрения сканера;
7. используемые средства получения информации о реальном цвете;
8. класс безопасности используемого лазера;
9. портативность и особенности интерфейса.

Источники и классификация ошибок в результатах наземного лазерного сканирования

Всю совокупность ошибок в величинах, измеряемых НЛС, можно разделить на две группы:

• инструментальные, обусловленные качеством сборки и юстировки механических, оптических и электронных частей прибора (величины ошибок отражаются в техническом паспорте сканера и первоначально определяются на этапе сборки и юстировки прибора, а затем периодически - во время калибровки и метрологической аттестации НЛС);

• методические, источником которых является сам метод определения величин с помощью НЛС. Они могут быть вызваны окружающей средой (атмосферной рефракцией, затуханием электромагнитных волн, вибрацией прибора и т.п.) или обусловлены характеристиками объекта сканирования (размером, ориентацией, цветом, текстурой и т.д.).

Программное обеспечение. Его классификация. Примеры

Программные продукты, применяемые в технологии лазерного сканирования, в зависимости от их функционального назначения можно разделить на следующие группы:

• управляющее ПО:

задание резрешения сканирования, сектора сканирования путём визуального выбора объектов, режима сканирования, режима работы цифровой камеры;

визуализация сканов в режиме реального времени;

контроль получаемых результатов;

калибровка и тестирование сканера; выявление возможных неисправностей; учёт ошибок, связанных с влиянием внешних условий окружающей среды;

объединение сканов;

внешнее ориентирование сканов;

экспорт результатов сканирования.

• ПО для создания единой точечной модели:

объединение сканов;

внешнее ориентирование сканов;

сегментирование и разражение точечной модели;

визуализация точечной модели;

экспорт и печать.

• ПО для построения трёхмерных моделей и двумерных чертежей по данным сканирования:

создание из массива точек нерегулярной триангуляционной сети (TIN) и NURBS-поверхности;

создание модели отсканированного объекта с помощью геометрических примитивов;

профилирование;

построение чертежей;

проведение измерений (длин, диаметров, площадей и объёмов объектов);

визуализация построенной модели (построение изолиний, текстурирование);

сравнение построенной модели с проектной;

экспорт и вывод на печать результатов обработки данных НЛС.

• комплексное ПО:

все функции управляющего ПО;

создание точечной модели;

построение трёхмерных моделей и двумерных чертежей по данным наземного лазерного сканирования.

Примеры ПО

Область применения наземного лазерного сканирования

• строительство и эксплуатация инженерных сооружений:

контроль процесса строительства;

корректировка проекта в процессе строительства;

исполнительная съёмка в процессе строительства и после его окончания;

оптимальное планирование и контроль перемещения и установки сооружений и оборудования;

мониторинг объектов в процессе эксплуатации;

• горная промышленность:

определение объёмов выработок и складов сыпучих материалов;

создание цифровых моделей открытых карьеров и подземных выработок с целью их мониторинга (данные об интенсивности отражённого сигнала и реальном цвете позволяют создавать геологические модели);

маркшейдерское сопровождение буровых и взрывных работ;

• нефтегазовая промышленность:

создание цифровых моделей промысловых и сложных технологических объектов и оборудования с целью их реконструкции и мониторинга;

• архитектура:

реставрация памятников и сооружений, имеющих историческое и культурное значение;

создание архитектурных чертежей фасадов зданий;

• разработка мероприятий по предотвращению и ликцидации последствий чрезвычайных ситуаций
• медицина:

создание модели туловища человека и отдельных его частей с целью производства корсетов и иных ортопедических изделий;

производство протезов зубов;

• выполнение топографической съёмки территорий, имеющих высокую степень застроенности
• судостроение
• моделирование различного вида тренажёров
• создание двумерных и трёхмерных геоинформационных систем управления предприятием

Выставки и конференции по наземному лазерному сканированию

• Leica HDS User Conference
• Laserscanning Europe Conference
• InterGEO
• SPAR Europe
• International Lidar Maping Forum
• AVEVA ISEIT
• Hexagon

Литература

• «Наземное Лазерное Сканирование» \\ Середович В. А., Комиссаров А. В., Комиссаров Д. В., Широкова Т. А.