Лазерные сканеры. Сравнение традиционных съемок и лазерного сканирования

Чем различаются 3D-съёмки: НЛС, МЛС, ВЛС?

Между технологиями лазерного сканирования большое различие в методике 3D-съёмки, в используемых приборах, в методах регистрации и обработки массивов измерений. Соответственно, различен и достигаемый результат измерений. И в первую очередь - по точности.

Условно, по реальной точности разных методов измерений (не точности самих приборов) и по производительности работ, типы съёмки можно охарактеризовать так:

Отмечу, что применительно ко всем типам лазерных съёмок: повышение точности и детальности ведут к существенному увеличению как технических мероприятий, так и трудовых затрат, а значит - к удорожанию работ. Поэтому, в технических заданиях следует тщательнее соизмерять реальные потребности с бюджетом конкретного проекта. То есть тезис «Снять нужно абсолютно всё и как можно точнее» - это всегда окажется дорого. А вот конкретика: «Интересуют несущие строительные конструкции с точностью 4 см.» - смета сразу окажется в 2-3 раза меньше.

Современная 3D-технология "воздушное лазерное сканирование" (ВЛС) – это качественное развитие традиционных аэрофотосъёмочных технологий. Сканирование проводится с борта летящего самолета или вертолета и позволяет за один полётный день выполнить съёмку тысяч гектар поверхности земли. Получаемые трёхмерные данные содержат полную пространственно-геометрическую информацию о рельефе местности, растительном покрове, гидрографии и расположении всех наземных объектов в полосе съёмки. При больших объёмах, стоимость работ ВЛС существенно дешевле, чем привычная топографическая съёмка тахеометрами.

Сегодня ВЛС активно используется при:

создании топографических планов различных масштабов вплоть до 1:1000;

построении цифровых моделей местности;

исследовании линейных и площадных объектов;

управлении водным и лесным хозяйством;

изучении природных и техногенных процессов;

инвентаризации земельно-имущественного комплекса;

градостроительстве, моделировании процессов развития города;

инспекции линий электропередач;

строительстве и реконструкции автомобильных и железных дорог.

Основу технологии ВЛС составляет система LIDAR . Название - транслитерация английского "Light Identification, Detection and Ranging" , означат получение и обработку информации об удалённых объектах с помощью лазерной сканирующей системы.

Основные характеристики системы:

Система LIDAR позволяет с воздушного судна измерять расстояния до всех видимых объектов на поверхности земли.

За одну секунду выполняется порядка 300 тысяч измерений (точек) на поверхности объектов.

Съёмка территории ведётся полосами с углом обзора порядка 60 градусов.

Результат лазерного сканирования: массив измерений (облако точек), представленный в единой системе координат. После постобработки - топопланы масштаба от 1:1000, трёхмерные цифровые модели местности.

Точность данных, полученных системой LIDAR, зависит от используемого оборудования, GPS-обстановки и условий полёта.

Преимущества технологии ВЛС:

Съёмка с высоты полёта позволяет получить недоступные с земли элементы объектов.

Из-за минимума горизонтальных «слепых зон» - высокая детальность материалов.

Возможность получения истинного рельефа таких труднодоступных и чересчур обременительных для съемки традиционными методами мест как: тундра, пустыня, заснеженная территория.

Быстрое получение результата сканирования: массив измерений (облако точек), представленный в единой системе координат. После постобработки – топографические планы масштаба от 1:1000 и трёхмерные цифровые модели местности.

Мобильное лазерное сканирование

Допустим, необходимо выполнить не привычную планово-высотную съёмку, а полноценную трёхмерную съёмку, например, городского района. ВЛС быстро и качественно позволяет снимать наклонно-горизонтальные поверхности площадных объектов. При этом, фронтальные поверхности объектов снимутся значительно хуже. Конечно же можно дополнить съёмку, применив технологии НЛС. Но у этих технологий существенная разница в производительности. Решение простое: система LIDAR немного трансформируется и устанавливается на автомобиль. При этом, либо увеличивается число сканирующих лазерных сенсоров, либо используется один широкоугольный. Как и в ВЛС, сканирование осуществляется в постоянном движении и реальном времени. Это и есть мобильное лазерное сканирование (МЛС). Система может быть установлена на любое передвижное средство, например, поезд.

Методика МЛС позволяет проводить съемку всех объектов по курсу движения транспортного средства. Здания, сооружения, дорожное полотно, уличная инфраструктура, ЛЭП, мосты, туннели и т.д. Принципы и точность съёмки схожы с ВЛС.

Работы могут производиться в любое время суток не мешая транспортному потоку. Средняя скорость движения съемочного комплекса – до 70 км/час. Так, поезд, оборудованный подобной системой, способен в течение суток отснять около 1200 погонных километров путей (в одном направлении) с шириной полосы сканирования в десятки метров. Автомобилю достаточно 2-3 раза проехать по улице, что бы получить не только дорожную инфраструктуру улицы, но и прилегающие к ней территории.

МЛС используется в следующих сферах:

дорожное хозяйство;

электроэнергетика;

градостроительство

территориальное планирование;

жилищно-коммунальное хозяйство;

трубопроводное строительство;

экологический мониторинг;

мониторинг чрезвычайных ситуаций.

Преимущества технологии МЛС:

Мобильная сканирующая система равномерно покрывает измерениями (облаком точек) всё, что попадает в поле зрения.

Работы могут производиться в любое время суток, при этом, не мешая транспортному потоку.

Средняя скорость движения съемочного комплекса довольно велика и составляет 60-70 км/час.

Применение МЛС позволяет экономить время и трудозатраты при съемке протяженных объектов и городских кварталов.

Технология позволяет производить первые измерения по облаку точек уже спустя несколько часов после съемки.

ВЛС и МЛС хороши для топосъёмки больших территорий. На объектах, где их применение нецелесообразно (из-за низкой точности, внутри зданий и сооружений, в местах с повышенной детализацией), успешно применяется технология наземного лазерного сканирования (НЛС). Методы НЛС позволяют выполнять съёмку не только снаружи, но и внутри сложных инженерных сооружений.

НЛС на сегодняшний день, - самый оперативный способ получения точной и полной информации об геометрических параметрах объекта. Наземное сканирование применяется при съёмке зданий, мостов, путепроводов, эстакад, надземных коммуникаций, цехов заводов, энергетических объектов, линейных объектов, для построения модели рельефа и топографической съёмки локальных участков земли.

Сканирование производится с точки установки штатива (станции), обзор составляет 360*320 градусов. Как правило, сканирование объекта выполняется с нескольких станций. Используя методы классической геодезии, данные ЛС приводятся к единой системе координат. В зависимости от условий, одним сканером за один день на объекте можно выполнить порядка сотни станций. На каждой станции в автоматическом режиме выполняются десятки миллионов измерений объекта с точностью 1-5 мм. Миллиметровая плотность покрытия измерениями (точками) позволяет детализировать в итоговой съёмке (облаке точек) даже самые малые элементы объекта.

Результат съёмки: облако точек, состоящее из миллиардов точных измерений исследуемого объекта в заданной системе координат. Никакими иными методами подобного результата невозможно достичь за соизмеримые сроки исполнения. Облако точек – это реальная трёхмерная модель объекта съёмки. Облако точек можно использовать для производства любых линейных и угловых измерений, выполняя их на обычном компьютере. Векторизацией облака точек можно получить 3D-модель объекта в привычной среде проектирования, например - в AutoCAD или AVEVA.

Технология НЛС применима в следующих областях:

энергетика;

нефтегазовая отрасль;

промышленное производство;

добыча полезных ископаемых;

промышленное и гражданское строительство;

инженерные коммуникации;

железные и автомобильные дороги;

архитектура, археология, сохранение памятников и исторических объектов.

НЛС незаменимо при проектировании и реконструкции объектов, поскольку является источником достоверной информации об объекте и окружающей его обстановке.

Преимущества технологии НЛС:

Результат лазерного сканирования: огромный массив измерений (облако точек), представленный в единой системе координат. После постобработки – трёхмерные цифровые модели, сечения и чертежи в масштабах от 1:1.

Высочайшая детальность получаемых материалов.

Высокая скорость сбора данных.

Все данные поступают сразу в цифровом виде.

Точность регистрации сканов в общем облаке точек порядка 10 мм.

Съемка происходит дистанционно, что исключает риск травмирования персонала в опасных зонах на производстве.

Сегодня большинство программ для проектирования имеют возможность загружать и использовать облака точек для моделирования и отслеживания коллизий в процессе строительства. По облаку точек, полученному в итоге лазерной съёмки, можно выполнить моделирование элементов объекта с представлением результатов в любую среду автоматизированного проектирования: Autodesk, AVEVA, Bentley, ESRI, Intergraph и другие.

Примеры правильного выбора типа лазерной съёмки

Можно ли по данным МЛС получить фасадные чертежи? Можно, однако, точность и плотность не соответствуют требованиям для фасадной съёмки. К тому же, привлекаемое оборудование и ресурсы будут в 7 раз дороже ресурсов НЛС. Необходимо использовать технологию НЛС.

Можно ли с помощью технологии НЛС получить план масштаба 1:2000 будущего водохранилища Богучанской ГЭС? Можно, но это будет неэффективно. Самолёт с оборудованием ВЛС на борту отсканирует быстрее при существенном удешевлении стоимости работ за счёт низких трудозатрат.

Какую применить технологию для получения плана масштаба 1:500 ровного земельного участка 50Га под будущее строительство? Для этих работ любое ЛС будет малоэффективным по трудозатратам. Такие объекты выполняются обычными топографами, используя методы классической геодезии.

Можно ли при восстановлении исполнительной документации оборудования цеха газового предприятия обойтись простой геодезией и не использовать дорогие лазерные сканеры? Можно, но такая работа по трудозатратам будет в тысячи раз ёмче и сопряжена со множеством человеческих ошибок. В итоге получится существенное удорожание работ.

А есть ли такие проекты, в которых возможно совместное использование всех трёх технологий ЛС? Да, возможно любое сочетание, поскольку, работа выполняется в едином координатном пространстве. Например, используя технологию ВЛС, с самолета отсканировали территорию города Пенза, затем, двигаясь по улицам, с помощью технологии МЛС с автомашины сканировали фасады зданий и объекты инфраструктуры, затем, посредством технологии НЛС, со штатива сканировали внутренние помещения домов и сооружений. Посредством геодезических методов, все три массива измерений приводятся к единой СК и обобщённый массив станет детальной трехмерной моделью города на дату производства измерительных работ (съёмки).

В настоящее время при проведении геодезических работ все чаще применяются современные лазерные технологии. В основе лазерного сканирования лежит способность луча лазера отражаться от наземных объектов или поверхности земли. Лазерное сканирование позволяет фиксировать абсолютно все особенности рельефа, максимально быстро получать трехмерную визуализацию даже труднодоступных объектов.

Всего в геодезии используются два вида работ: наземное и воздушное лазерное сканирование.

Наземное лазерное сканирование позволяет получать планы высокого уровня детализации, а также создавать трехмерные модели объектов.

При воздушном лазерном сканировании лазерный сканер размещают на воздушном судне, этот способ применяют в различных отраслях - от нефтегазовой промышленности до дорожного хозяйства.

Лазерное трехмерное сканирование делает возможной сплошную съемку объекта с большой скоростью и позволяет за малое время осуществлять большой объем работ с различными объектами, среди которых:

здания и строения;

предприятия со сложной структурой, в том числе химические предприятия, нефтегазоперерабатывающие комплексы и т.д.;

автомобильные и железные дороги и дорожные объекты, в том числе мосты, путепроводы, прилегающие зоны;

открытые и закрытые горные разработки;

ситуация и рельеф.

Трехмерное лазерное сканирование представляет собой новейшую технологию, обладающую такими преимуществами, как значительное сокращение сроков выполнения полевых работ, высокое качество и детальность съемки. При этом стоимость геодезических работ, проводимых в соответствии с данной технологией, вплотную приближается к цене традиционных методов. Первым результатом сканирования является облако точек, которое и несет максимум информации об исследуемом объекте, будь то здание, инженерное сооружение, памятник архитектуры и т.п. По облаку точек в дальнейшем, возможно, решать различные задачи:

получение трехмерной модели объекта;

получение чертежей, в том числе, чертежей сечений;

выявление дефектов и различных конструкций посредством сравнения с проектной моделью;

определение и оценка значений деформации посредствам сравнения с ранее произведенными измерениями;

получение цифровых топографических планов методом одновременной аэрофотосъемки и воздушного лазерного сканирования.

При топографической съемке сложных промышленных объектов традиционными методами, исполнители часто сталкиваются с тем, что во время полевых работ бывают пропущены отдельные необходимые измерения. Обилие контуров, большое количество отдельных объектов и мелких деталей приводят к неизбежным ошибкам. Материалы, получаемые при лазерном сканировании, несут наиболее полную информацию о метрических данных объекта съемки, исключающую субъективные ошибки геодезиста .

Съемкой называется процесс геодезических измерений на местности, выполняемых для составления карт и планов. При горизонтальной съемке определяется взаимное плановое положение контуров и объектов - ситуации местности. Если кроме ситуации снимается рельеф местности, то съемка называется топографической. Наибольшее применение в качестве геодезической подосновы для архитектурно-строительного проектирования имеют топографические съемки крупных масштабов: 1: 500, 1: 1000,

1: 2000, 1: 5000 .

Один из видов наземной топографической съемки, осуществляемой с помощью теодолитов или тахеометров - это тахеометрическая съемка.

Тахеометрическую съемку применяют для создания планов или цифровой модели местности участков в крупном масштабе для ведения государственного кадастра недвижимости, для планировки сельских населенных пунктов, проектирования отводов земель, мелиоративных и противоэрозионных мероприятий, трассирования линейных сооружений и др. .

Перед тахеометрической съемкой на основе существующей геодезической сети строят съемочную сеть до густоты пунктов, обеспечивающей положение на территории съемки тахеометрических ходов с соблюдением технических требований, приведенных в таблице 2.1. Поэтому в съемочное обоснование тахеометрической съемки входит построение сетей триангуляции, трилатерации, полигонометрии, теодолитных ходов, обеспечивающей территорию съемки геодезическими пунктами нужной густоты .

Таблица 2.1 - Технические требования при проложении тахеометрических ходов

Электронную тахеометрическую съемку эффективно применять на открытой равнинной местности, когда с исходной съемочной точки открывается видимость на расстояния 1…2 км. Вследствие значительной дальности действия тахеометра сокращаются затраты труда на развитие съемочного обоснования.

Экономическая эффективность электронных тахеометрических съемок еще и во многом определяется связями технологического процесса. Первый вариант отвечает классической схеме наземных топографических съемок, при которой основные технологические процессы последовательно сменяют друг друга. Численность топографической бригады составляет два человека. Служебную и метрико-семантическую информацию записывают на технический носитель. Обрабатывают результаты измерений и составляют топографические планы электронной тахеометрической съемки в основном в условиях стационарного камерального производства.

Второй вариант электронной тахеометрической съемки отличается от первого тем, что обработку материалов съемки ведут на базе полевой бригады, когда разрыв между полевыми и камеральными работами не превышает нескольких суток.

Третий вариант отвечает принципиально новой схеме организации работ, при которой основные процессы съемки (полевые и камеральные) ведут одновременно. Численность топографической бригады при этом увеличивается на одного человека за счет организации в ближайшем к объекту населенном пункте выездного командно-диспетчерского камерального поста с передачей ему функций регистрации информации на технический носитель, за счет обработки ее по мере поступления и отображения на составляемых тут же топографических планах .

Одновременности выполнения полевых и камеральных работ достигают за счет организации радиосвязи между всеми участниками съемки и ее камеральной обработки. Связь осуществляют с помощью мобильных радиостанций. При этом оператор тахеометра управляет перемещением рабочего с отражателем по объекту съемки, принимает семантическую информацию с места установки отражателя и передает ее вместе с метрической информацией на командно-диспетчерский камеральный пост. Оператор командно-диспетчерского камерального поста, находясь в ближайшем от объекта населенном пункте (или кузове специального автомобиля), не только принимает и обрабатывает метрико-семантическую информацию, но и активно управляет плотностью набора пикетов, закрывая «белые пятна» в съемке, а в необходимых случаях требует от оператора тахеометра набора контрольных пикетов и т.п. Одновременность набора и отображения съемочных пикетов на составляемых топографических планах позволяет исключить недостатки, свойственные обычной тахеометрической съемке. При этом за счет большой дальности действия тахеометра значительно увеличивается площадь съемки, выполняемая с одной установки прибора и, как следствие, уменьшается потребность в числе пунктов съемочного обоснования.

Технология электронной тахеометрической съемки дает возможность представить топографические планы как в традиционной графической форме, так и в виде цифровых моделей местности и рельефа, то есть в форме, удобной для исполнения в системах автоматического проектирования .

При изысканиях, проектировании, строительстве и эксплуатации инженерных сооружений необходимо еще знать и рельеф местности.

Без знания рельефа местности невозможно проектирование железных и шоссейных дорог, водоотводных (осушительных и оросительных) каналов, гидротехнических сооружений, аэродромов, строительных площадок, населенных пунктов, плотин, полей севооборотов и других объектов.

Знание рельефа выражается прежде всего в знании отметок всех характерных точек местности.

Определение высот точек местности и превышений между ними и есть цель нивелирования.

Нивелирование - вид геодезических работ, в результате которых определяют разности высот (превышения) точек земной поверхности, а также высоты точек над принятой отсчетной поверхностью.

В зависимости от применяемых инструментов и методов различают следующие виды нивелирования: стереофотограмметрическое, барометрическое, гидростатическое, автоматическое, геометрическое и тригонометрическое.

Геометрическое нивелирование основано на применении нивелира, который обеспечивает горизонтальное положение линии визирования. Геометрическое нивелирование может быть выполнено также с помощью тахеометра.

При необходимости передачи высот на большие расстояния прокладываются нивелирные ходы, состоящие из нескольких связанных между собой станций. Путем проложения нивелирных ходов первого - четвертого классов точности создается единая государственная нивелирная сеть, являющаяся высотной основой всех геодезических работ на территории страны. Пункты государственной нивелирной сети закрепляются на местности постоянными знаками - реперами и марками, их отметки публикуются в специальных каталогах.

В развитие государственной нивелирной сети для производства топографо-геодезических работ прокладываются ходы технического нивелирования.

Ходы технического нивелирования прокладывают способом геометрического нивелирования «из середины». Для этого используют технические и точные нивелиры.

Техническое нивелирование выполняют в одном направлении. Максимальная длина хода технического нивелирования зависит от высоты сечения рельефа h и составляет 1 км при h = 0,25 м; 4 км при h = 0,5 м.

При съемке участка под строительство, а также при обмерах объектов архитектуры высотным обоснованием служит, как правило, нивелирный ход, проложенный по точкам теодолитного хода - теодолитно-нивелирный ход.

В рядах случаев техническое нивелирование выполняют при определении высот вершин квадратов, построенных на местности .

Рассмотрим состав работ при проложении нивелирного хода.

Общие точки для смежных станций хода называют связующими. В тех случаях, когда перепад высот между точками не позволяет выполнить измерение с одной станции, выбирают дополнительную связующую точку - x точку и соответственно дополнительную станцию. Если в створе между связующими точками имеются характерные точки перегиба рельефа, их нивелируют. Такие точки называют промежуточными или плюсовыми.

Порядок работы на станции при нивелировании следующий:

визирование на заднюю по ходу точку и отсчет по черной стороне рейки;

визирование на переднюю точку и отсчет по черной стороне рейки;

отсчет по красной стороне рейки при визировании на переднюю точку;

отсчет по красной стороне рейки при визировании на заднюю точку;

визирование на промежуточную точку и отсчет по черной стороне рейки.

Таким образом устанавливается симметрия во времени при наблюдении на заднюю и переднюю точки, что позволяет ослабить влияние атмосферной рефракции на отсчет по рейке.

Значение превышения на станции вычисляют дважды: по черным и красным сторонам рейки. Допустимое расхождение значений превышений - не более 5 мм, в противном случае измерения на станции следует повторить. При работе с электронными тахеометрами и нивелирами с встроенным процессором значения превышений и горизонтальных проложений считывают с экрана дисплея и заносят в электронный журнал.

Тригонометрическое нивелирование производят путем измерения угла наклона визирной линии к горизонту и расстояния между нивелируемыми точками.

Тригонометрическое нивелирование широко распространено при топографической съемке местности, а также при производстве инженерно-геодезических работ. В настоящее время в связи с внедрением тахеометров сфера применения тригонометрического нивелирования значительно увеличилась. Основным преимуществом данного вида нивелирования является возможность определения высот точек без ограничения углов наклона скатов к горизонту, а также дальности расстояний до точек наблюдений .

Высоты (отметки) точек и рельеф местности отображаются на картах и планах и служат основой для архитектурно-строительного проектирования, в том числе для составления проектов вертикальной планировки территории, проектов транспортных сетей, инженерных коммуникаций и др. Без нивелирования нельзя осуществить вынос проекта сооружения в натуру, выполнить обмеры архитектурных комплексов.

При наружных обмерах объектов недвижимости, как правило, используют 20…30-метровые стальные рулетки, а также так называемые «лазерные рулетки». Для измерения расстояний в корпус рулетки помещают лазерный электромагнитный дальномер. При измерениях лазерный пучок наводят на отражающую поверхность объекта, до которого измеряют расстояние. Наведение осуществляют визуально, т.е. по «лазерному пятну» или используют для этого закрепленный на корпусе рулетки специальный оптический визир.

При внутренних обмерах эффективнее применять лазерные дальномеры, например, для оценки объекта недвижимости и составления генерального и поэтажного планов, когда внешние условия не влияют на результаты измерений.

Совместив внутреннюю съёмку с внешней и построив по облаку точек нерегулярную сеть, можно получить полноценную трёхмерную модель здания с информацией о толщине стен, отклонениях от плоскости, вертикали и горизонтали. По полученной модели, можно проводить различные измерения, строить сечения, рассчитывать количество строительных материалов для реставрации и реконструкции .

Быстро и качественно получить трехмерную модель местности, а также зданий, сооружений и т.п. можно с помощью лазерного сканера.

Лазерное сканирование с успехом применяется в самых различных областях деятельности:

в промышленном, гражданском и транспортном строительстве;

в нефтегазовой отрасли;

в подземном строительстве, прежде всего в тоннелестроении, там, где требуется высокая точность и максимально полная информация об объекте. Затраты на проведение измерений в этом случае сокращаются в десятки раз, а получаемая точность соответствует принятым нормам;

в машиностроении;

в архитектуре, археологии и музейном деле (сканирование необходимых для отрисовки фасадных чертежей тонких архитектурных элементов зданий, размер деталей которых составляет миллиметры или первые сантиметры). При съёмках зданий, представляющих историческую и культурную ценность, такая задача возникает довольно часто.

Лазерное сканирование позволяет быстро получить трехмерную модель местности, а также зданий, строений, сооружений и т.д. Движущийся лазерный луч сканирует объект за несколько секунд. По сравнению с векторной трехмерной моделью растровая модель имеет ряд преимуществ, так как готова сразу после сканирования, занимает большее пространство и стоит дешевле. По сравнению с фотограмметрическими способами съемки лазерное сканирование позволяет получить пространственные координаты с одной точки стояния без последующей камеральной обработки, причем имеется возможность провести контрольные измерения непосредственно в полевых условиях. При этом достигается более высокая точность работ. Лазерное сканирование может выполняться как с воздуха (с борта самолета, вертолета), так и с поверхности Земли.

Рассмотрим воздушное лазерное сканирование .

Принцип функционирования воздушных лазерных систем представлен на рисунке 2.1. В качестве излучателя используется полупроводниковый лазер, как правило, ближнего инфракрасного диапазона, работающий в импульсном режиме. В каждом акте сканирования регистрируются наклонная дальность до точки отражения и значение угла, определяющего направление распространения зондирующего луча в системе координат локатора. В зависимости от типа сканирующей системы могут фиксироваться более одного (до пяти) отражений для каждой линии визирования. Такая возможность способствует получению более информативных лазерно-локационных изображений, так как в одном акте сканирования могут быть получены отклики сразу от нескольких компонентов сцены: первые отклики будут получены за счет отражений от листвы растительности, проводов и опор линий электропередач, кромок зданий, а последний отклик, как правило, соответствует поверхности земли или другой твердой поверхности, например, крыше здания. Траектория движения носителя регистрируется бортовым приемником GPS (ГЛОНАСС). В сочетании с замеренными значениями наклонной дальности и угла сканирования это позволяет непосредственно получить абсолютные геодезические координаты элементов сцены, вызвавших отражение зондирующего луча. С некоторыми упрощениями современный лазерный сканер можно определить как «сканирующий лазерный дальномер с навигационным обеспечением». Все основные структурные компоненты, составляющие лазерный сканер, такие как дальномерный блок, GPS, инерциальная система всесторонне изучены и уже много лет активно эксплуатируются.

Рис. 2.1

Целесообразность использования новой технологии в различных приложениях основывается на ее уникальных возможностях. Среди отличительных особенностей воздушного лазерного сканирования можно выделить три основных.

Во-первых, производительность воздушного лазерного сканирования чрезвычайно высока. На практике достигнута производительность съемки линейных объектов в 500-600 км за один аэросъемочный день. Здесь следует отметить, что камеральная обработка результатов съемки, как правило, по продолжительности сравнима со временем выполнения авиационных работ, что позволяет выполнять такую обработку оперативно на месте проведения работ. Это, в свою очередь, позволяет эффективно контролировать качество съемки и при необходимости выполнять повторную съемку.

Во-вторых, воздушное сканирование не требует выполнения наземных геодезических работ по планово-высотному обоснованию результатов аэросъемки. Необходимость выполнения таких работ может составить серьезную проблему при реализации традиционных методов съемки, особенно для удаленных и труднодоступных районов.

В-третьих, непосредственное получение трехмерных моделей рельефа и всех наземных объектов, а также возможность выполнения по ним геометрических измерений.

Использование воздушных лазерных систем для решения данных задач городского кадастра предполагает получение геопространственных данных двух основных видов: данных для аналоговых и цифровых аэрофотоснимков и собственно результатов лазерно-локационной съемки. Цифровые аэрофотоснимки по своему информационному содержанию и методике использования мало отличаются от традиционных аэрофотоснимков, получаемых с помощью традиционных пленочных камер. Конечно, использование цифровой аэрофотосъемочной техники позволяет добиться значительно более высокого фотографического и фотограмметрического качества, а также существенно сократить длительность технологического цикла производства топографических материалов.

Получение данных для аналоговых и цифровых аэрофотоснимков заключается в определении их элементов внешнего ориентирования аэрофотоснимков и измерение наклонной дальности съемки на борту летательного аппарата.

Определение элементов внешнего ориентирования аэрофотоснимков на борту летательного аппарата состоит в следующем: угловые элементы внешнего ориентирования определяют с помощью инерциальных систем навигации, а координаты центров проекций находят по показаниям GPS-приемников. На практике эта задача сегодня решается почти исключительно с использованием интегральных навигационных GPS/IMU (аббревиатура IMU есть InertialMeasurementUnit, или в переводе инерциальное измерительное устройство) комплексов. Такие комплексы получили название системы прямого геопозиционирования, т. е. обеспечивают возможность полного решения задачи геопозиционирования без привлечения других источников данных.

Идеология использования GPS/IMU систем при съемке с любых летательных аппаратов предполагает их полностью автономное функционирование от съемочного оборудования. Это чрезвычайно важное обстоятельство позволяет использовать такие системы в паре с практически любыми аэросъемочными средствами - аналоговыми и цифровыми аэрофотоаппаратами, воздушными лазерными сканерами, радиолокаторами, инфракрасными и спектрозональными приборами и др. В процессе аэросъемки эти приборы могут работать совершенно независимо на аппаратном уровне. Необходимо обеспечить только их синхронность или более точно временную определенность событий, чего в нынешних условиях нетрудно добиться благодаря использованию GPS/GLONASS технологий. Применительно к аэрофотоаппарату последнее требование означает, что время совершения каждого аэрофотоснимка должно быть определено во временной шкале, единой с POS/AV комплексе. На практике это достигается регистрацией импульса срабатывания затвора аэрофотоаппарата через один из специальных EVENT входов комплекса. Аналогично выполняется синхронизация с авиационным импульсным лазерным дальномером.

Точность определения текущих координат центра съемки, элементов внешнего ориентирования и наклонной дальности (от центра съемки до точки) с помощью перечисленной бортовой аппаратуры приведена в таблице 2.2 .

В сочетании с измеренными значениями наклонной дальности и угла сканирования, точность определения позволяет непосредственно получить абсолютные геодезические координаты точек пространства, вызвавших отражение зондирующею луча.

Другим методом крупномасштабного топографического картографирования городских территорий является комплексная обработка лазерно-локационных данных, получаемых с помощью лазерного сканера, и результатов цифрового фотографирования.

Таблица 2.2 - Точность определения текущих координат центра съемки, элементов внешнего ориентирования и наклонной дальности

Роль лазерно-локационных данных в рассматриваемом методе создания и обновления топографических карт и планов городских территорий существенно отличается от традиционной. При реализации метода аэросъемочные работы могут проводиться различными подходами: параллельный и последовательный сбор геопространственных данных. Данные подходы изображены на рисунке 2.2 .

Как именно осуществляется сбор данных, параллельно или последовательно, не имеет принципиального значения.

Лазерные сканеры, установленные на борту летательного аппарата, осуществляют сканирование местности вдоль маршрута. Ширина полосы съемки может меняться в широких пределах oт единиц метров до размера, равного 93% высоты съемки. Обычно высот полета при съемке выбирается и пределах от 200 м до 3000 м. Точность определения высоты сканером составляет 5-15 см. Построчное сканирование пучком лазерного излучения осуществляют перпендикулярно маршруту со скоростью несколько тысяч точек в секунду.

Траектория движения носителя регистрируется бортовым приемником GPS для определения текущих координат центра съемки, а для определения элементов ориентирования используется инерциальная система IMU комплекса GPS/IMU.

Рис. 2.2

а - соответствует случаю, когда все необходимые технологические компоненты (аэросъемочные средства) размещаются на борту одного носителя; б - демонстрирует случай, когда сбор геопространственных данных осуществляется последовательно: сначала выполняется съемка объекта с помощью лазерного локатора, а затем - с помощью аэрофотоаппарата.

Лазерное сканирование представляет собой передовую бесконтактную технологию трёхмерного измерения объектов и поверхностей. По сравнению с традиционными оптическим и спутниковым геодезическими методами технология лазерного сканирования характеризуется феноменальной детальностью, невероятной скоростью, высокой точностью измерений. Данная технология является поистине революционной в сфере инженерных изысканий, поскольку именно его появление предопределило мощный качественный рывок всей отрасли. Сегодня лазерное сканирование широко применяется в архитектуре, промышленности и энергетике, геодезии и маркшейдерии, на объектах транспортной инфраструктуры, в гражданском и промышленном строительстве, добывающей отрасли, археологии, востребована она также и во многих других отраслях производства и народного хозяйства.

Что такое трёхмерное лазерное сканирование?

Что необходимо сделать для построения точной трёхмерной модели здания или чертежа цеха? Безусловно, сначала провести измерения и получить координаты всех объектов (пространственные x,y,z или x,y на плоскости), а затем уже представить их в нужном графическом виде. Именно измерения координат объекта, иначе говоря, съёмка, составляют наиболее трудоёмкую и затратную часть всей работы. Как правило, геодезисты или другие специалисты, проводящие измерения, используют современное оборудование, в первую очередь электронные тахеометры, которые позволяют получать координаты точек с высокой точностью (до нескольких миллиметров).

Принцип работы электронного тахеометра основан на отражении узконаправленного лазерного пучка от отражающей цели и измерении расстояния до неё. Отражателем в общем случае служит специальная призма, которая крепится на поверхности объекта. Определение двух углов (вертикального и горизонтального) и расстояния даёт возможность вычислить трёхмерные пространственные координаты точки отражения. Скорость измерения тахеометра невысока (не более 2 измерений в секунду). Данный метод эффективен при съёмке разреженной, малозагруженной объектами площади, однако даже и в этом случае сложности, с которыми приходится сталкиваться при креплении отражающих призм (на большой высоте или в труднодоступном месте), зачастую оказываются непреодолимыми.

Относительно недавнее появление безотражательных электронных тахеометров, которые работают без специальных отражателей, произвело «бархатную» революцию в геодезии - теперь стало можно проводить измерения без долгих и утомительных поисков лестниц для подъёма отражателя под крышу дома, всевозможных подставок для установки призмы над полом в помещении с высокими потолками и других подобных сложностей - достаточно лишь навестись на необходимую точку, ведь луч может отражаться от любой ровной поверхности.

При использовании метода традиционных тахеометрических измерений, сколько времени, например, потребуется для детальной съёмки фасада здания высотой 20 м или цеха металлургического завода площадью 2 га? Недели, месяцы? Применение безотражательного тахеометра может значительно сократить сроки, но, тем не менее, даже в данном случае специалист проведет за прибором долгие часы и дни. А с какой же плотностью он сможет выполнить съёмку фасада - одна точка на квадратный метр? Навряд ли этого будет достаточно для построения высококачественного подробного чертежа со всеми необходимыми элементами. А теперь представьте, что у вас есть безотражательный тахеометр, который ведёт съёмку автоматически, без участия оператора, со скоростью 5 тысяч измерений в секунду! Ещё совсем недавно такое предложение представлялось не менее фантастичным, чем полет на Луну сто лет назад. Сегодня это стало так же реально, как и следы американских астронавтов или русского «Лунохода» на поверхности нашего небесного соседа. Название этого чуда - лазерное сканирование . Это метод, который позволяет создавать цифровые модели всего окружающего пространства, представляя его набором (облаком) точек с пространственными координатами.

Съёмка со скоростью 5 тысяч точек в секунду была чудом, когда технология лазерного сканирования только начинала завоёвывать мир геодезических изысканий. Сейчас же современные лазерные сканеры позволяют выполнять съёмку с поистине невероятной скоростью - более миллиона точек в секунду ! Это действительно в значительной степени сокращает трудозатраты на полевой этап работ, при этом давая возможность оперативно получать сверхподробные данные результатов измерений с высокой точностью.

Где применяется лазерное сканирование?

Как многие технические новшества и технологии, недавно вышедшие из лабораторий ученых, лазерное сканирование находится только в начале пути освоения разнообразных приложений. Но уже сейчас можно перечислить несколько технологических сфер, в которых 3D лазерные сканеры применяются все более активно и уже достаточно давно стали практически незаменимыми:
- съемка промышленных объектов (заводы, нефтеперерабатывающие заводы, сложное производство);
- съемка объектов энергетики (атомные, гидро- и тепловые электростанции);
- съемка мостов;
- съемка и профилирование тоннелей;
- промышленные измерения (определение объемов резервуаров, жидких и сыпучих материалов);
- горная промышленность;
- реставрация и строительство;
- архитектура и археология.

На сегодняшний день системы лазерного сканирования получают все большее распространение. Преимущества данной технологии перед традиционными методами очевидны. Использование систем лазерного сканирования значительно повышает производительность, сокращаются затраты времени на полевые работы и камеральную обработку. Также появляется возможность бесконтактной съемки объектов, что особенно важно на объектах с повышенной опасностью.

Принцип действия систем сканирования состоит в безотражательном измерении расстояния до цели, при помощи лазера, и значения угла, определяющего направление распространения лазера. В результате получается точка с известными координатами. Поле зрения наземного лазерного сканера составляет от 40 х 40 до 180 х360. Точность регистрации поверхности составляет от нескольких миллиметров до 5 сантиметров, в зависимости от расстояния, отражающей способности поверхности и разрешения. Такое геодезическое оборудование как лазерный сканер имеет дальность действия от 1 до 2500 метров, в зависимости от особенностей конкретного прибора.

Комплект оборудования состоит из собственно лазерного сканера, портативного компьютера со специальным программным обеспечением, аккумуляторов и зарядного устройства. В последнее время на лазерных сканерах все чаще встречается встроенная камера высокого разрешения, позволяющая одновременно с облаком точек получать реальные изображения поверхности. Системы лазерного сканирования, устанавливаемые на автомобилях (так называемые, системы мобильного сканирования) могут дополнительно комплектоваться спутниковыми приемниками и специальными датчиками колес (одометрами).

Процесс работы на станции предельно прост. Через персональный компьютер или (на некоторых моделях) через котроллер задается необходимое поле сканирования, плотность сканирования (разрешение) и запускается сам процесс съемки.

Получаемое "облако точек" выдается на монитор, или экран контроллера, непосредственно в процессе измерения в реальном времени, по мере следования лазерного луча по объекту. Данный массив точек можно сразу же просматривать, вращать и выполнять необходимые измерения. Для удобства визуализации по желанию пользователя изображение может окрашиваться в цвета показывающие интенсивность лазера, удаление цели от прибора, или в реальный цвет.

Области применения сканирующих систем:

Благодаря своим потрясающим производственным характеристикам, системы наземного сканирования сегодня получает все большее распространение в производстве самых различных работ, среди которых можно упомянуть:

Геометрический контроль строительства;
Планирование и моделирование городских объектов;
Архитектура и наблюдения за фасадами;
Исполнительные съемки сооружений;
Мониторинг сооружений;
Создание топографических карт;
Создание цифровых моделей карьеров и выработок;
Определение объемов работ;
Проходка и обслуживание тоннелей;
Археология и наблюдение за культурными ценностями и т. д.;
Создание цифровых моделей объектов со сложными коммуникациями;
Выполнение измерений в местах с ограниченным доступом.

Выбрать и купить сканирующую систему в Москве вы можете в магазине или на сайте РУСГЕОКОМ. Мы также осуществляем

50 лет назад для составления точных схем и чертежей требовалось много людей и большой набор аппаратуры. С появлением тахеометров, сложные объекты стали переносить на чертежи в течение нескольких недель. GPS-приемники упростили эти задачи, но всё же недостаточно.

Сейчас на рынке стали доступны лазерные сканеры. С помощью этих устройств можно проводить геосъемку любой сложности и получать результаты за 1–2 дня. Как все дальномерные лазерные устройства 3D-сканер, получает необходимые данные методом измерения расстояния до объекта, горизонтальных и вертикальных углов. Этот процесс полностью автоматизирован.

Лазерный сканер ставят на штатив и приводится в рабочее положение. Затем оператор на подключенном компьютере задает границы работ и запускает лазерное сканирование . Дальше всё делает автоматика, геодезист только контролирует процесс.

Что такое лазерный сканер

Основной инструмент геодезиста при лазерной геосъемке – сканер.
Это компактная конструкция, ее габариты соответствуют размерам тахеометра.

Сканеры различаются по точности, дальности действия лазера и прочности корпуса. Для подсчетов объемов выемки грунта важным фактором становится дальность действия и степень защиты от плохих погодных условий.

Если речь идет о съемке фасадов жилых зданий, объектов культурного наследия или промышленных комплексов, то главное – точность сканирования и детализация.

Лазерный сканер дальномером вычисляет расстояние до частей объекта и преобразует их в облако точек или 3D-модель. Готовая компьютерная схема выглядит как полноценное цифровое фото, которым можно манипулировать на компьютере.

Следующий этап обработки зависит от указаний заказчика. Могут понадобиться разрезы, профили, развертка участков и элементов, плоские чертежи, исполнительные съемки для подтверждения объемов и иные материалы. Важно заранее составить техническое задание, в котором будут указаны все детали, чтобы не пришлось вызывать специалиста несколько раз.