Наземное лазерное сканирование (Ug[ybuky lg[yjuky vtgunjkfguny)

Наземный лазерный сканер (НЛС) — это съёмочная система, измеряющая с высокой скоростью (от нескольких тысяч до миллиона точек в секунду) расстояния от сканера до поверхности объекта и регистрирующая соответствующие направления (вертикальные и горизонтальные углы) с последующим формированием 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

$R={\frac {c\tau }{2}}$,

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

Импульсный метод измерения расстояний по точности уступает фазовому методу. Это происходит потому, что фактическая точность каждого измерения зависит от ряда параметров, каждый из которых может оказать влияние на точность конкретного измерения. Таковыми параметрами являются:

• длительность и форма (в частности, крутизна переднего фронта) зондирующего импульса
• отражательные характеристики объекта
• оптические свойства атмосферы
• текстура и ориентация элементарной поверхности объекта вызвавшей отражение зондирующего луча по отношению к линии визирования

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

$R={\frac {\varphi _{\text{2R}}c}{4\pi f}}$,

где φ_2R — разность фаз между опорным и рабочим сигналом;

f — 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 единиц 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

В настоящее время разработкой приборов для трёхмерного лазерного сканирования занимается множество фирм, 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;

ПО для создания единой точечной модели

объединение сканов;

внешнее ориентирование сканов;

сегментирование и разрежение 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.

Области применения наземного лазерного сканирования

строительство и эксплуатация инженерных сооружений:

• контроль за соответствием 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 промышленных и сложных технологических объектов и оборудования с целью их реконструкции и мониторинга;
• калибровка нефтеналивных наземных резервуаров и танков наливных судов;

архитектура:

• реставрация памятников и сооружений, имеющих историческое и культурное значение;
• создание архитектурных чертежей фасадов зданий;
• реставрация, ремонт, отделка, переоснащение внутренних помещений или отдельных элементов декора;

иные области:

• 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;
• фиксация ДТП и мест преступлений.

Выставки и конференции по наземному лазерному сканированию

• SPAR Conference
• Hexagon Global Network
• InterGEO
• International LiDAR Mapping Forum
• DigiDoc
• 3D Digital Documentation Summit
• RIEGL LIDAR User Conference
• FARO 3D Documentation Conference

См. также

• Лидар

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.