Наземное лазерное сканирование

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Это старая версия этой страницы, сохранённая The tuss (обсуждение | вклад) в 18:57, 4 марта 2011. Она может серьёзно отличаться от текущей версии.
Перейти к навигации Перейти к поиску

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 = φ2R * c / (4π * ƒ),

где φ2R — 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.2 Принцип действия НЛС Mensi Soisic и S-series (вид сверху)
  • рис.3 Принцип действия НЛС Minolta (вид сбоку)
    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:

Trimble:

Faro:

Zoller+Fröhlich:

Riegl:

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

Примечания

Литература

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


Источник — https://ru.wikipedia.org/ruwiki/w/index.php?title=Наземное_лазерное_сканирование&oldid=32478785