Несмотря на то, что первые наземные 3D сканеры появились еще в прошлом веке, пока нет основания утверждать, что технология лазерного 3D сканирования широко используется в геодезии. В качестве главных причин, наверное, нужно назвать пока еще высокую стоимость таких систем и недостаток информации о том, как их эффективно использовать в тех или иных приложениях. Тем не менее, интерес к этой технологии и ее востребованность на рынке геодезического оборудования растут с каждым годом в геометрической прогрессии.
Что такое трехмерный лазерный сканер?
По типу получаемой информации прибор во многом схож с тахеометром. Аналогично последнему, 3D сканер при помощи лазерного дальномера вычисляет расстояние до объекта и измеряет вертикальныe и горизонтальные углы, получая XYZ-координаты. Отличие от тахеометра заключается в том, что ежедневная съемка при помощи наземного лазерного 3D сканера – это десятки миллионов измерений. Получение аналогичного объема информации с тахеометра займет не одну сотню лет…
Первоначальный результат работы лазерного 3D сканера представляет собой облако точек. В процессе съемки для каждой из них записываются три координаты (XYZ) и численный показатель интенсивности отраженного сигнала. Он определяется свойствами поверхности, на которую падает лазерный луч. Облако точек раскрашивается в зависимости от степени интенсивности и после сканирования выглядит как трехмерное цифровое фото. Большинство современных моделей лазерных сканеров имеют встроенную видео- или фотокамеру, благодаря чему облако точек может быть также окрашено в реальные цвета.
В целом схема работы с прибором заключается в следующем. Лазерный сканер устанавливается напротив снимаемого объекта на штатив. Пользователь задает требуемую плотность облака точек (разрешение) и область съемки, затем запускает процесс сканирования. Для получения полных данных об объекте, как правило, приходится выполнять данные операции с нескольких станций (позиций).
Затем выполняется обработка первоначальных данных, полученных со сканера, и подготовка результатов измерений в том виде, в котором они необходимы заказчику. Данный этап не менее важен, чем проведение полевых работ, и зачастую более трудоемок и сложен. Профили и сечения, плоские чертежи, трехмерные модели, вычисления площадей и объемов поверхностей – все это, а также другую необходимую информацию можно получить в качестве конечного результата работы со сканером.
Основные сферы применения трехмерного сканирования:
- промышленные предприятия
- строительство и архитектура
- дорожная съемка
- горное дело
- мониторинг зданий и сооружений
- документирование чрезвычайных ситуаций
Этот список далеко не полный, поскольку с каждым годом пользователи лазерных сканеров выполняют все больше уникальных проектов, которые расширяют сферы применения технологии.
Лазерное сканирование от Leica Geosystems – история лазерных сканеров
История лазерных сканеров Leica началась еще в 90-х годах прошлого века. Первая модель 2400, тогда еще под маркой Cyra, была выпущена в 1998. В 2001 году компания Cyra вошла в концерн Leica Geosystems в подразделение HDS (High-Definition Surveying). Сейчас, по прошествии 14 лет, компания Leica Geosystems представляет на рынке линейку из двух сканирующих систем.
Как уже было сказано выше, лазерное 3D сканирование применяется в совершенно разных областях, и универсального сканера, который эффективно решал бы все задачи, не существует.
Для съемки промышленных объектов, где не требуется большой дальности, но модель должна быть очень детальной (то есть нужен точный высокоскоростной прибор), оптимальным будет лазерный сканер Leica ScanStation P30
: дальность до 120 м, скорость до 1 000 000 точек в секунду.
Совершенно другие требования предъявляются к сканеру, если речь идет о съемке открытых разработок и складов сыпучих материалов с целью подсчета объемов. Здесь достаточно сантиметровой точности дальномера, а на первый план выходит дальность съемки и защищенность от погодных условий и пыли. Идеальный прибор для сканирования в таких условиях – Leica HDS8810 с дальностью до 2 000 м и пылевлагозащищенностью IP65. Кроме того, этот прибор – единственный на рынке сканирующих систем, который работает в температурном диапазоне от -40 до +50 град. То есть HDS8810 – лазерный сканер, который работает при любых погодных условиях.
Ключевая модель подразделения HDS компании Leica Geosystems – это Leica ScanStation P40 . Знаменитая и самая популярная в мире линейка ScanStation, история которой началась еще в 2006 году, пополнилась в апреле 2015 года сканером P40. Точность и скорость P40 унаследовал от предыдущей модели, но стал более дальнобойным, а качество данных стало еще лучше. По спектру решаемых задач этот прибор действительно лидер в своем сегменте. Неслучайно, несмотря на «молодость» этой модели, она уже приобрела широкую популярность в мире.
Программное обеспечение для обработки данных лазерного сканирвания (облака точек)
Нельзя не сказать несколько слов о программном обеспечении для обработки данных, полученных со сканера. Этой составляющей системы трехмерного лазерного сканирования потенциальные заказчики уделяют незаслуженно мало внимания, хотя обработка данных, получение конечного результата работы - это не менее важные этапы проекта, чем полевые работы. Спектр программного обеспечения Leica HDS – действительно самый широкий на рынке лазерного сканирования.
Главный элемент спектра – это, конечно, комплекс Cyclone . Эта модульная программная система по праву считается самой популярной в мире и обладает большим пакетом инструментов для обработки данных, получаемых с помощью сканера. Есть у Leica и ряд более узкоспециализированных программ. Для тех, кто привык работать в традиционных САПР, существует серия программных продуктов Leica CloudWorx , встраиваемых в AutoCAD, MicroStation, AVEVA и SmartPlant, что позволяет пользователям данных программ работать непосредственно с облаками точек. 3DReshaper строит высококачественные триангуляционные модели поверхностей объектов и позволяет проводить мониторинг деформаций путем сравнения съемок объекта, сделанных в разные периоды времени. В линейке программ Leica HDS есть даже ПО для обработки данных сканирования в криминалистике.
Таким образом, лазерное сканирование от Leica Geosystems – это целый комплекс программных и аппаратных решений. Под каждую, пусть даже узкоспециализированную задачу, у компании Leica найдется комбинация «сканер + программа», которая поможет решить эту задачу максимально эффективно.
Еще недавно для составления точных схем и чертежей, максимально детально отражающих реальность, требовалось много трудозатрат, людей и большого набора аппаратуры. Даже с появлением тахеометров в широком доступе, большие или сложные объекты воплощались в чертежах спустя долгое количество времени. GPS-приемники упростили эти задачи, но всё же недостаточно. Однако, инженерную мысль не остановить и сейчас на рынке стали доступны наземные лазерные сканеры. С помощью этих компактных устройств можно проводить работы любой сложности, получая конечную исполнительную съемку в максимально сжатые сроки, а существенно снижается. 3D-сканер, как и все дальномерные лазерные устройства, получает необходимые данные методом измерения расстояния до объекта, а также горизонтальных и вертикальных углов. Важное отличие от большинства электрооптических и электронных устройств заключается в том, что в данном случае процесс полностью автоматизирован.
Лазерный сканер устанавливается на землю на штативе, он приводится в рабочее положение, затем оператор на подключенном компьютере задает границы работ и запускает процесс. Дальше всё делает автоматика, геодезисту остается лишь контролировать происходящее. Преимуществом этой технологии является скорость съемки – за одну секунду устройство может снять пространственные координаты около 1 миллиона точек. Это существенно быстрее работы геодезиста за тахеометром. Такие темпы смогут сократить время на обработку данных и подготовку всех необходимых документов.
Существуют разные виды лазерного сканирования, но наиболее популярным и востребованным сегодня является наземное сканирование. Оно применяется для составления трехмерной модели зданий, сооружений, памятников архитектуры, сложных конструкций, промышленных узлов и многого другого. Интерес к этой технологии постоянно растет и есть смысл заказывать услугу у специалистов, так как оборудование для этих работ остается еще весьма дорогим. Геодезическая компания «ГлавГеоСъёмка» располагает всеми необходимыми инструментами для проведения сканирования, а наши специалисты имеют высокий уровень профессионализма для решения любых задач.
Что такое лазерный сканер?
Основным инструментом геодезиста на данных работах является лазерный сканер. Так как эта технология еще весьма молода, немногие знакомы с ее устройством и не все понимают, что из себя представляет этот аппарат. Сканер – это компактная конструкция, габариты которой несильно превышают размеры тахеометра. Ведущие фирмы, производящие геодезическое оборудование, сегодня занимаются выпуском этих гаджетов, и их совершенствование продолжается. Возможно, в ближайшем будущем мы увидим еще более миниатюрные сканеры, которые можно будет уместить в небольшом футляре. Но пока технологии не позволяют сделать аппарат, который бы был универсальным, подходящим под любые задачи. Например, для подсчетов объемов выемки грунта повышенная точность не важна. Зато становятся важными дальность действия лазера и его степень защиты от напастей природы. То же самое касается и горных выработок, когда нужно лишь подсчитать объем изымаемой земли или полезных ископаемых и вести мониторинг за состоянием выработки.
Где применяется лазерное сканирование?
Список областей, где лазерный сканер становится всё популярнее, растет с каждым годом. Если еще недавно это были некие эксперименты, то сейчас работы поставлены на поток. Архитекторы и реставраторы часто применяют в своей работе трехмерные модели, изготовленные геодезистами. С помощью компьютерной графики они могут досконально изучить фасады исторических зданий, памятники архитектуры, провести экспертизы, составить проект по реконструкции и подсчитать сметы. Инженеры для расширения и ремонта существующих узлов промышленных систем стали прибегать к услугам 3D-сканеров. Благодаря той детальности, с которой это устройство получает окончательную модель, специалисты могут точнее проанализировать места поломок или подключения новых агрегатов.
Строители на горных выработках получат данные об объемах работ гораздо быстрее, чем это мог бы сделать геодезист за тахеометром – тот объем, что совершается сканером за одну секунду, может отнять у специалиста за электрооптическим прибором не один год. Поскольку процесс автоматизирован, человеческий фактор нивелируется полностью – сканер обрабатывает все мельчайшие детали, на которые может не обратить внимания человек. На самом деле, список сфер еще весьма внушителен – мониторинг зданий и сооружений, наблюдение за деформациями, дорожная съемка, горнодобывающая промышленность, создание и обновление карт и так далее.
Всё больше и больше компаний осознают преимущества использования лазерного сканера. Несмотря на кажущуюся простоту, этот процесс требует профессионализма, как на полевом этапе, так и на этапе камеральной обработки – мало просто запустить прибор и отснять объект, нужно еще и подготовить требуемый чертеж, схему, модель. Именно поэтому вам стоит обратиться в компанию «ГГС-Геодезия» - мы располагаем всем необходимым оборудованием, а наши специалисты являются лучшими в своем деле.
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.
В последнее время все большее применение находит технология наземного лазерного сканирования. Многие современные задачи проектирования и строительства, эксплуатации зданий и сооружений требуют представления пространственных данных, точно и полно описывающих рельеф, ситуацию, взаимное расположение частей зданий и сооружений. Использование традиционных для геодезии методов и инструментов позволяет решать большинство задач, однако существуют ограничения, связанные с тяжелыми условиями видимости, со скоростью сбора и обработки получаемых при помощи электронных тахеометров данных.
Появление GNSS-технологий, позволяющих буквально за считанные минуты получить точные координаты местоположения точек (режим RTK), а также безотражательных тахеометров, имеющих возможность работать без применения специальных отражателей, стало важным технологическим прорывом в области геодезических измерений. Однако применение спутниковых геодезических приемников и безотражательного тахеометра не позволяло с максимальной точностью описывать объект съемки и строить полноценную цифровую модель - координатные данные были точными, но слишком разреженными. На построение трехмерных цифровых моделей фасадов зданий или чертежей цехов требовались значительные временные ресурсы, работы получались трудоемкими и дорогостоящими. С появлением новой технологии - ЛАЗЕРНОГО СКАНИРОВАНИЯ - задача построения 3D цифровых моделей значительно упростилась.
Наземное лазерное сканирование является самым оперативным и высокопроизводительным средством получения точной и наиболее полной информации о пространственном объекте: памятнике архитектуры, промышленном сооружении и промышленной площадке, смонтированном технологическом оборудовании. Суть технологии сканирования заключается в определении пространственных координат точек объекта. Процесс реализуется посредством измерения расстояния до всех определяемых точек с помощью фазового или импульсного безотражательного дальномера. Измерения производятся с очень высокой скоростью - тысячи, сотни тысяч, а порой и миллионы измерений в секунду. На пути к объекту импульсы лазерного дальномера сканера проходят через систему, состоящую из одного подвижного зеркала, которое отвечает за вертикальное смещение луча. Горизонтальное смещение луча лазера производится путем поворота верхней части сканера относительно нижней, жестко прикрепленной к штативу. Зеркало и верхняя часть сканера управляются прецизионными сервомоторами. В конечном итоге именно они обеспечивают точность направления луча лазера на снимаемый объект. Зная угол разворота зеркала и верхней части сканера в момент наблюдения и измеренное расстояние, процессор вычисляет координаты каждой точки.
Все управление работой прибора осуществляется с помощью портативного компьютера с набором программ или с помощью панели управления, встроенной в сканер. Полученные координаты точек из сканера передаются в компьютер и накапливаются в базе данных компьютера или самого сканера, создавая так называемое облако точек.
Сканер имеет определенную область обзора, или другими словами, поле зрения. Предварительное наведение сканера на исследуемые объекты происходит либо с помощью встроенной цифровой фотокамеры, либо по результатам предварительного разреженного сканирования. Изображение, получаемое цифровой камерой, передается на экран компьютера, и оператор осуществляет визуальный контроль ориентирования прибора, выделяя необходимую область сканирования.
Работа по сканированию часто проходит в несколько сеансов из-за формы объектов, когда все поверхности просто не видны с одной точки наблюдения. Самый простой пример - четыре стены здания. Полученные с каждой точки стояния сканы совмещаются друг с другом в единое пространство в специальном программном модуле. На стадии полевых работ необходимо предусмотреть зоны взаимного перекрытия сканов. При этом перед началом сканирования в этих зонах размещают специальные мишени. По координатам этих мишеней и будет происходить процесс «сшивки». Можно совместить облака точек без мишеней, используя характерные точки снимаемого объекта. Лазерное сканирование предоставляет возможность получить максимум информации о геометрической структуре объекта. Его результатом являются 3D модели с высокой степенью детализации, плоские чертежи и разрезы.
Наземное лазерное сканирование значительно отличается от других методов сбора пространственной информации. Среди отличий выделим три основных:
- в технологии полностью реализован принцип дистанционного зондирования, позволяющий собирать информацию об исследуемом объекте, находясь на расстоянии от него, т.е. на объекте не надо устанавливать никаких дополнительных устройств и приспособлений (марок, отражателей и т.п.);
- по полноте и подробности получаемой информации с лазерным сканированием не может сравниться ни один из ранее реализованных методов, плотность и точность определяемых на поверхности объекта точек может исчисляться долями миллиметра;
- лазерное сканирование отличается непревзойденной скоростью - до нескольких сотен тысяч измерений в секунду
Благодаря своей универсальности и высокой степени автоматизации процессов измерений лазерный сканер является не просто геодезическим прибором, лазерный сканер - это инструмент оперативного решения самого широкого круга прикладных инженерных задач.
Сама технология лазерного сканирования открывает целый ряд новых, ранее недоступных возможностей. Связано это, прежде всего, с более полным использованием современных компьютерных технологий. Получаемые результаты в виде облака точек или трехмерной модели можно быстро передвигать, масштабировать и вращать. Есть возможность виртуального путешествия по изображению с записью в стандартный мультимедийный файл для дальнейшего показа. Такого полного представления об объекте не может дать ни один другой метод. При этом мы работаем не просто с изображением, а именно с моделью, сохраняющей полное геометрическое соответствие форм и размеров реального объекта. Такое положение дел обеспечивает возможность проведения измерений реальных расстояний между любыми точками или элементами модели. Несмотря на исключительную новизну, технология предусматривает возможность автоматического или полуавтоматического получения информации и документов в привычном виде - чертежи профилей, поперечников, планы, схемы.Возможность обмена через общепринятые форматы графических данных позволяет легко встроить технологию лазерного сканирования в схему уже используемого программного обеспечения.
Технология лазерного сканирования открывает новые возможности и дает необходимую информацию для развития современного метода трехмерного проектирования.
Где можно использовать лазерное сканирование?
Основные сферы применения трехмерного сканирования:
- промышленные предприятия
- строительство и архитектура
- дорожная съемка
- горное дело
- мониторинг зданий и сооружений
- документирование чрезвычайных ситуаций
Мы предлагаем широкий спектр . Более того, Вы можете получить исчерпывающую информацию по всем аспектам приобретения, использования и обслуживания у наших специалистов по контактной информации.
При разработке данного материала были использованы материалы
Введение
1. Аппаратура и программное обеспечение
1.1 Описание сканирующей системы
1.2 Технические характеристики
1.3 Программное обеспечение Cyclone 6.0
1.3.1 Cyclone-SCAN - управление сканером
1.3.2 Cyclone-REGISTER - уравнивание облаков точек
1.3.3 Cyclone-MODEL - измерения, моделирование и чертежи
1.3.4 LeicaCyclone - VIEWER и VIEWERPRO – измерения и визуализация объектов
1.3.5 Leica COE (Cyclone Object Exchange) - обмен данными
1.3.6 CycloneCloudWorx для AutoCAD
2. Возможности сканирующей системы
2.1 Основы технологии лазерного сканирования
2.2 Принцип работы сканирующей системы
2.3 Задачи, решаемые с помощью лазерного сканирования
Заключение
Список используемой литературы
В настоящее время для решения строительных и архитектурных задач широко используется тахеометрическая съемка, которая позволяет получить координаты объектов, а затем представить их в графическом виде. Тахеометрическая съемка позволяет проводить измерения с точностью до нескольких миллиметров, при этом скорость измерения тахеометра не более 2 измерений в секунду. Такой метод эффективен при съемке разреженной, незагруженной объектами площади. Очевидными недостатками такой технологии являются малая скорость проведения измерений, и неэффективность съемки загруженных площадей, таких как фасады зданий, заводов с площадь превышающей 2 га, а так же малая плотность точек на 1м2.
Одним из возможных способов решения данных проблем является применение новых современных технологий исследования, а именно лазерного сканирования.
Лазерное сканирование – технология, позволяющая создать цифровую трехмерную модель объекта, представив его набором точек с пространственными координатами. Технология основана на использовании новых геодезических приборов – лазерных сканеров, измеряющих координаты точек поверхности объекта с высокой скоростью порядка нескольких десятков тысяч точек в секунду. Полученный набор точек называется «облаком точек» и впоследствии может быть представлен в виде трехмерной модели объекта, плоского чертежа, набора сечений, поверхности и т.д.
Более полную цифровую картину невозможно представить никаким другим из известных способов. Процесс съемки полностью автоматизирован, а участие оператора сводится лишь к подготовке сканера к работе.
1. Аппаратура и программное обеспечение
1.1 Описание сканирующей системы
В состав сканирующей системы входит: транспортный ящик, трегер, штатив, Ethernet-кабель связи сканера с компьютером, кейс с принадлежностями (аккумулятор, кабель соединения сканера и аккумулятора, зарядное устройство), программное обеспечение Cyclone 6.0
Рис. 1 Сканирующее устройство LeicaScanStation 2.
Сканирующее устройство имеет подвижную часть и неподвижную (рис.1). На подвижной части прибор имеет два рабочих окна, фронтальное и верхнее, видимая область этих окон называется полем зрения прибора. Сканируемая область сканера 3600 по горизонтали и 2700 по вертикали.
На неподвижной части находятся индикаторы «готовности» и три входа: два под аккумуляторы, один под Ethernet – подключение. Внутри сканера установлена система зеркал, управляемых специальными двигателями, которые направляют сканирующий лазер под нужным углом сканирования.
1 .2 Технические характеристики
Технические характеристики представлены в таблице 1.
Таблица 1 Технические характеристики сканера.
| Точность определения положения точки | 4 мм на 50 м |
| Точность измерения расстояния, мм | 4 |
| Угловая точность (по вертикали/ /горизонтали), микрорадиан | 60 |
| Тип лазера | Импульсный лазерный сканер с двухосевым компенсатором |
| Размер пятна лазера | до 4 мм на 50-и метрах |
| Максимальное расстояние | до 300 м при отражении 90% |
| Частота сканирования | до 50000 точек в секунду |
| Избирательность по вертикали/ /горизонтали | 1,2 мм между точками на 50 м |
| Точек по вертикали, максимум | 5000 |
| Точек по горизонтали, максимум | 20000 |
| Поле зрения по вертикали, ° | 270 |
| Поле зрения по горизонтали, ° | 360 |
| Видоискатель | встроенная цифровая камера |
| Видео наведение | Разрешение определяется пользователем. Одно фото 24°х24° (1024х1024 пикселей). Поле зрения 360°х270° - 111 фото. |
| Длительность работы от аккумулятора | до 6 часов |
| Рабочая температура, °С | 0° - +40°С |
| Температура хранения, °С | -25° - +65°С |
| Размеры сканера, мм | 265 х 370 х 510 |
| Вес сканера, кг | 18,5 |
| Размеры аккумулятора, мм | 165 х 236 х 215 |
| Вес аккумулятора, кг | 12 |
1 .3 Программное обеспечение Cyclone 6.0
Программное обеспечение играет чрезвычайно важную роль в быстрой и эффективной обработке «облаков точек», полученных в результате съемок высокого разрешения. Cyclone включает полный набор программных модулей для наиболее удобной обработки облаков точек.
Cyclone – это набор программных модулей Leica HDS (рис.2), который считается многими специалистами, работающими в области лазерного сканирования, настоящим стандартом для решения задач сканирования, визуализации, измерения, построения трехмерных моделей и чертежей, анализа данных и представления результата в традиционной форме или для решения других задач. С применением модуля Cyclone CloudWorx процесс обучения сводится к изучению использования трехмерных облаков точек в программных комплексах САПР.
Рис. 2 Общий порядок обработки облаков точек в Cyclone.
Cyclone - программный комплекс, который предоставляет весьма широкий набор средств для различных вариантов обработки трехмерных данных лазерного сканирования в инженерии, геодезии, строительстве и других областях применения.
Всеобъемлющая полнота трехмерных облаков точек является основным достоинством по сравнению с другими источниками геометрической информации. Уникальная архитектура программы Cyclone основана на объектно-ориентированной базе данных, работающей по технологии Клиент/Сервер. Это технология предоставляет самую высокую скорость отображения данных при обработке проектов лазерного сканирования. Программа Cyclone дает возможность эффективно управлять данными лазерного сканирования, при этом сохраняется прозрачность обслуживания базы данных, то есть не требуются какие-либо специальные знания по управлению баз данных. Все данные - облака точек, изображения, топопривязка, результаты уравнивания, измерения, модели объектов и многое другое хранятся в одном файле. Тем самым нет необходимости перезаписывать или пересылать информацию из одного модуля в другой и т.д.
Технология Клиент/Сервер позволяет одновременно работать до 10 специалистов над одним проектом.
Для ускорения работы можно перейти в однопользовательский режим. Тем самым увеличение скорости отображения и обработки массивов точек составляет до 2-4 раз.
Cyclone состоит из отдельных модулей, встраиваемых в единую программную оболочку. Различные модули предназначены для решения отдельных задач общего процесса обработки данных трехмерного лазерного сканирования.
1 .3.1 Cyclone-SCAN - управление сканером
Cyclone-SCAN - это модуль для управления работой сканера LeicaScanStation 2. Пользователь может настраивать плотность сканирования, фильтрацию данных, создавать собственные макрокоманды, сканировать и автоматически распознавать плоские и сферические визирные цели Leica Geosystems HDS. При всем функциональном богатстве работать с Cyclone-SCAN очень легко из-за простого и понятного интерфейса.
Функциональные возможности Cyclone-Scan:
Пространственное перемещение, масштабирование, разворот в режиме реального времени, изменение цвета точек по материалам цифровой фотографии или по другим условиям для точек, поверхностей и смоделированных тел.
Трехмерная визуализация во время сканирования
Регулирование уровня детализации облаков точек и трехмерных моделей для ускорения визуализации.
Настройки для быстрой переотрисовки облаков точек в сетях треугольников (TIN)
Прореживание облаков точек (каждая n-ная точка)
Визуализация облаков точек по значению интенсивности или по цвету
Ограничение объема визуализируемых точек по выбранному региону или срезу для быстрого черчения
Предварительная установка среднего расстояния до объекта по единичному направленному измерению
Автоматическое создание цифровой мозаики для панорамного снимка
Панорамный просмотр для цифрового изображения
Геодезическая привязка по пунктам известного геодезического обоснования
Установка высоты инструмента перед сканированием
Установка высоты визирной цели
Функция Установи-и-сканируй (Point-and-scan) QuickScan™ для интерактивной установки горизонтального окна съемки
Фильтрация для возможного исключения «лишних» данных:
a) Ограничение области сканирования по прямоугольнику или произвольному многоугольнику
b) Ограничение диапазона по дальности
c) Ограничение по интенсивности отраженного сигнала
d) Все предварительные установки настройки сканирования могут быть записаны и вызваны в любой момент. Есть готовый список стандартных установок сканирования
e) Настройка качества проверки совмещения
Измерения расстояний, площадей и объемов по отдельным точкам и по готовым моделям:
a) Наклонные расстояния
b) Расстояния DX, DY, DZ
c) Создание и редактирование подписей
d) Создание и управление слоями
e) Назначение цветов и материалов объектам
f) Просмотр с позиции сканера и указание его местоположения