Лазерное сканирование и геоинформационные технологии

Лазерное сканирование и геоинформационные  технологии

 Наземное лазерное  сканирование 

Наземное лазерное сканирование – современный метод сбора и регистрации пространственных данных. В отличие от традиционных методов съемки (с использованием тахеометра или спутникового приемника), где исполнитель вынужден выбирать характерные точки объекта, для последующего его отображения, при сканировании объекта происходит автоматическая регистрация координат точек на его поверхности, с заданным шагом. Причем, скорость сканирования может достигать более 1 000 000 точек в секунду, а плотность получаемого «облака точек» сотни и тысячи точек, на 1 кв. метр. Точность определения координат точек, в зависимости от модели сканера и расстояния варьируется от нескольких миллиметров до единиц сантиметров.   Наземное лазерное сканирование применяется для решения широкого круга задач, от создания обмерных чертежей и 3Д моделей до выполнения классической топографической съемки сложных промышленных объектов.   В зависимости от деталей конкретного проекта, наземное сканирование может выполняться, как самостоятельный вид работ, а так же в комбинациях с другими видами съемки: тахеометрической, мобильным и воздушным лазерным сканированием.   Специалисты ООО «НИПИСтройТЭК» имеют большой опыт в выполнении проектов с применением технологии наземного лазерного сканирования, а так же парк самого современного сканирующего оборудования.

Основные области  применения:

• Электроэнергетика (создание трехмерных моделей и топографических планов);
• Архитектура и градостроительство (создание трехмерных моделей и обмерных чертежей зданий и городских кварталов, трехмерные ГИС);
• Нефтегазовая отрасль, металлургия и тяжелая промышленность (создание трехмерных моделей промышленных предприятий «как построено», исполнительная съемка);
• Маркшейдерия (подсчет объемов земляных работ, создание ЦМР и трехмерных моделей открытых и закрытых разработок);
• Автомобильные и железные дороги (создание трехмерных моделей объектов инфраструктуры, паспортизация дорог, ГИС, исполнительная съемка, создание продольных или поперечных профилей);
• Археология и памятники архитектуры (создание трехмерных моделей архитектурных объектов и исторических памятников, создание обмерных чертежей и сечений).

 

Преимущества  технологии:

• дистанционный сбор данных исключает доступ персонала в опасные зоны;
• высокая точность и детальность получаемых данных;
• высокая производительность сбора данных;
• простота создания детальных трехмерных моделей;
• значительная экономия средств по сравнению с традиционными методами съемки.

В зависимости от задач  проекта, изыскательские бригады института  используют либо высокоточный фазовый  сканер — 0,2 мм до 100 метров — Surphaser 25 HSX, либо импульсный сканер Riegl VZ-400 с точностью 0,5 см, но максимальной дальностью до 600 м.

 

Подробнее о наземном лазерном сканировании:  
Описание технологии НЛС

Технология наземного  лазерного сканирования применяется  для получения геометрических параметров объекта и основана на измерении  пространственных координат точек  на его поверхности. Используя фазовый  или импульсный лазерный дальномер  и угломерное устройство, прибор измеряет расстояние до объекта и направление  лазерного луча, а встроенное программное  обеспечение пересчитывает измеренные величины в трехмерные координаты. В зависимости от модели и режима работы, сканер выполняет от нескольких тысяч до более миллиона измерений  в секунду. Вращающееся зеркало  или призма производит отклонение сканирующего луча в вертикальной плоскости, тем  самым осуществляя вертикальную развертку сканера. Вращение сканера  вокруг своей оси, с заданной скоростью, осуществляет горизонтальную развертку  сканера. Результатом работы является так называемое облако точек. (рис. 1). Плотность такого облака зависит от расстояния до объекта и времени сканирования, и может достигать десятков тысяч точек на квадратный метр поверхности.

 
 
Рис.1 Облако точек, полученное с одной стоянки сканера

Высокая плотность получаемых методом НЛС данных (расстояние между  соседними измеренными точками  может достигать десятых долей  миллиметра) позволяет получать информацию о мельчайших деталях объекта.  
Большинство моделей наземных лазерных сканеров оснащено встроенной или монтируемой на специальном кронштейне калиброванной цифровой фотокамерой. Использование фотоизображений дает возможность окрашивать точки лазерных отражений в истинные цвета, что облегчает визуальное восприятие данных сканирования и может быть использовано для дальнейшего текстурирования (рис. 2).  
 
Рис. 2 Облако точек, раскрашенное по фотоснимкам  
 
Сканер измеряет координаты точек в собственной условной системе координат с точностью до 0.2 мм (в зависимости от модели), таким образом, для каждой стоянки прибора получается отдельное облако точек. После чего данные с разных стоянок объединяются в единое геометрическое пространство и привязываются к требуемой системе координат. Точность уравнивания (объединения) облаков точек достигает нескольких миллиметров. Измерения с нескольких сканпозиций позволяют исключить мертвые зоны обусловленные наличием предметов помех и отсутствием прямой видимости до различных частей объекта. Объединенное облако точек несет в себе полную визуальную и геометрическую информацию об объекте съемки и используется для решения широкого спектра задач.

Выходная продукция

Технология наземного  лазерного сканирования существует уже более 10 лет и постоянно  развивается. Специалисты отрасли  за эти годы научились применять  полученные с помощью сканера  данные для решения широкого спектра  задач. Благодаря постоянному развитию появляются все новые методики съемки и способы представления данных, способные удовлетворить растущие потребности рынка.

 

Топографический план

Использование наземного  сканера, в целях создания топографического плана, позволяет сократить время  полевых работ в несколько  раз, а полнота получаемых данных снижает до минимума вероятность  отсутствия необходимой информации. Вследствие чего повышается качество, и сокращаются сроки выполнения работ, а сырые данные сканирования могут быть использованы для контроля или при возникновении спорных  ситуаций.  
 
Рис. 3 Топографический план М 1:500, созданный по данным сканирования

 

Облако точек

Как правило, сырые данные сканирования (облака точек), являются исходным материалом, для создания топографических планов, чертежей, 3Д моделирования и т.п. Однако стоит заметить, что информация, которую содержат раскрашенные по данным фотосъёмки, лазерные точки (см. рис.2), является наиболее точной, полной и  достоверной. При изготовлении любого продукта, будь то топографический  план или 3Д модель, помимо удорожания материалов, неизбежно теряются детали, которые могут быть полезны заказчику. Сырые данные сканирования можно  импортировать в такие популярные САПР как AutoCAD, Microstation, AVEVA, Intergraph и т.п. Существует множество инструментов для работы с облаками точек. Любые геометрические промеры, создание поверхностей, вписывание твердотельных элементов, построение сечений – вот далеко не полный перечень того, что позволяет выполнять современное ПО. Помимо специализированных функций имеется возможность использования стандартных инструментов с привязкой к точкам лазерных отражений.

Рис. 4 Использование облака точек в среде Microstation

Рис. 5 Построение сечения по облаку точек в среде AutoCAD

 

Основными преимуществами использования  облаков точек является относительная  дешевизна и оперативность их получения, а также высокая степень  детализации.  
Современные лазерные сканеры позволяют работать со скоростью до 1 200 000 измерений в секунду. Благодаря этому одна стоянка прибора занимает всего несколько минут, а съемка промышленной территории площадью до 5 га выполняется за один рабочий день. При этом плотность и точность получаемых данных в разы превышает аналогичную при выполнении классической инструментальной съемки. При использовании облаков точек исключается и такой процесс как моделирование, который несет в себе львиную долю временных и трудовых затрат. Кроме того при моделировании выполняется генерализация данных и часть информации опускается, в то время как облако точек сохраняет в себе весь объем данных.

 

Чертежи, сечения

Одним из видов продукции  изготавливаемой по результатам  лазерного сканирования являются классические двумерные чертежи и сечения. Соответствующим образом оформленные  они понятны и привычны для  большинства специалистов. Отчетная документация по проектам также сдается  в виде чертежей. Точность и полнота  данных сканирования, оперативность  их получения позволяют повышать качество и достоверность результатов  работ.  
 
Рис. 6 Выполнение исполнительной съемки с использованием лазерного сканирования

 

Трехмерные модели

Одним из основных видов  продукции выпускаемой по данным лазерного сканирования остается трехмерная модель. Используя специализированный софт, создаются твердотельные или  полигональные модели, в том числе  ЦММ или ЦМР. Твердотельные модели в дальнейшем используются либо как  основа для трехмерного проектирования, либо как материал для создания ГИС. Как и облако точек, твердотельная  модель несет в себе полную геометрическую информацию об объекте, однако может  быть дополнена еще и параметрическими данными.  
По данным лазерного сканирования создаются модели промышленных предприятий, городских кварталов, памятников архитектуры, инженерных сооружений и многого другого.  
 
Рис. 7 Трехмерная твердотельная модель оборудования газо-перекачивающего агрегата  
 
Помимо прочего трехмерные модели широко используются для создания анимации или в архитектуре, для моделирования чрезвычайных ситуаций или проектирования систем безопасности предприятия.

Рис. 8 Трехмерная модель конструкций железнодорожного моста

Рис. 9 Трехмерная модель здания Казанского вокзала в г. Москва

Оборудование

Наземное лазерное сканирование является точным, полным и безопасным методом сбора данных в масштабах 1:1 – 1:500.  
Измерения происходят со скоростью до 1200000 точек в секунду. Получаемое импульсным или фазовым наземным лазером «облако точек» ориентируется в пространстве по данным GPS или с использованием геопривязки к требуемой системе координат.  
Наземный лазерный сканер производит сканирование всех видимых элементов в радиусе от 0,5м до 600м. Данные сканирования сводятся в единое трехмерное «облако точек», которое служит основой для построения высокоточной 3D-модели.  
ООО «НИПИСтройТЭК» предлагает полный комплекс работ по проведению наземного лазерного сканирования и 3D-моделирования объектов.

Модель	RIEGL VZ-400	Surphaser 25 HSX
Уникальность	точность, беспроводная работа, очень высокая скорость сканирования	высокая точность и плотность, низкий уровень шума, сверхвысокая скорость сканирования
Класс лазера	Laser Class 1	Laser Class 3R
Максимальное измеряемое расстояние для естественных целей  ρ>80%	600 м	140 м
Максимальное измеряемое расстояние для естественных целей ρ>10%	280 м	н/д
Минимальное измеряемое расстояние	1.5 м	0,2 м
Точность   Уровень шума	5 мм   3 мм	0,3 мм   0,07 мм
Скорость сканирования	122 000 точек в секунду	до 1 200 000 точек в секунду
Поле зрения сканирования	100°*360°	270°*360°
Класс защиты	IP64
Вес	9.6 кг	11 кг