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

Принцип импульсного/фазового методов 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. Режим работы фазоизмерительного устройства зависит от его температуры, с изменением которой незначительно изменяется фаза сигнала. Вследствие этого точное начало отсчета фазы определить нельзя. С этой целью фазовые измерения повторяются на эталонном отрезке (калибровочной линии) внутри прибора. Главное преимущество фазового метода измерения - более высокая точность, которая может достигать первых миллиметров.

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.).

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

Файл:HDS8800.jpg

Лазерный сканер

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

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.

Программное обеспечение. Классификация. Примеры

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

• управляющее ПО:

задание разрешения 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 разряжение 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: Leica Cyclone, Real Works Survey, LFM Software, Riegl Riscan PRO, Technodigit 3DReshaper.

Область применения наземного лазерного сканирования

Файл:Act zal.jpg

3D-модель конференц зала (сверху), облако точек (снизу)

• строительство и эксплуатация инженерных сооружений:

контроль на соответствие геометрических параметров вновь построенных объектов и проектной документации на эти объекты;

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 изменения геометрических параметров эксплуатируемых сооружений и промышленных установок;

обновление генплана и воссоздание утраченной строительной документации действующего объекта.

• 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 ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций
• выполнение топографической съёмки территорий, имеющих высокую степень застройки
• судостроение
• моделирование различного вида тренажёров
• создание двумерных и трёхмерных геоинформационных систем управления предприятием

Выставки и конференции по наземному лазерному сканированию

• Laserscanning Europe Conference
• InterGEO
• SPAR Conference
• International Lidar Maping Forum
• AVEVA ISEIT

Литература

• Середович В. А., Комиссаров А. В., Комиссаров Д. В., Широкова Т. А. «Наземное Лазерное Сканирование» \\ Новосибирск: СГГА, 2009. – 261 с.
• Крутиков Д., Барабанщикова Н. «Моделирует лазерный сканер» \\ журнал "ТехНАДЗОР", стр.70-71, №3(40), март 2010 г.