Развитие геодезической техники привело к появлению технологии 3D лазерного сканирования. На сегодняшний день это один из самых современных и производительных методов измерений.
Наземное лазерное сканирование — бесконтактная технология измерения 3D поверхностей с использованием специальных приборов, лазерных сканеров. По отношению к традиционным оптическим и спутниковым геодезическим методам характеризуется высокой детальностью, скоростью и точностью измерений. 3D лазерное сканирование применяется в архитектуре, промышленности, строительстве дорожной инфраструктуры, геодезии и маркшейдерии, археологии.
Классификация и принцип действия 3D лазерных сканеров
3D лазерный сканер – прибор, который, производя до миллиона измерений в секунду, представляет объекты в виде набора точек с пространственными координатами. Полученный массив данных, называемый облаком точек, может быть впоследствии представлен в трехмерном и двухмерном виде, а также использован для измерений, расчетов, анализа и моделирования.
По принципу действия лазерные сканеры разделяют на импульсные (TOF), фазовые и триангуляционные. Импульсные сканеры рассчитывают расстояние как функцию времени прохождения лазерного луча до измеряемого объекта и обратно. Фазовые оперируют со сдвигом фаз лазерного излучения, в триангуляционных 3D сканерах приемник и излучатель разнесены на определенное расстояние, которое используется для решения треугольника излучатель-объект-приемник.
Основные параметры лазерного сканера – дальность, точность, скорость, угол обзора.
По дальности действия и точности измерений 3D сканеры разделяются на:
- высокоточные (погрешность меньше миллиметра, дальность от дециметра до 2-3 метров),
- среднего радиуса действия (погрешность до нескольких миллиметров, дальность до 100 м),
- дальнего радиуса действия (дальность сотни метров, погрешность от миллиметров до первых сантиметров),
- маркшейдерские (погрешность доходит до дециметров, дальность более километра).
Последние три класса по способности решать различные типы задач можно отнести к разряду геодезических 3D-сканеров. Именно геодезические сканеры используются для выполнения работ по лазерному сканированию в архитектуре и промышленности.
Скорость действия лазерных сканеров определяется типом измерений. Как правило, наиболее скоростные фазовые, на определенных режимах скорость которых достигает 1 млн измерений в секунду и более, импульсные несколько медленнее, такие приборы оперируют со скоростями в сотни тысяч точек в секунду.
Угол обзора – ещё один немаловажный параметр, определяющий количество данных, собираемых с одной точки стояния, удобство и конечную скорость работы. В настоящее время все геодезические лазерные сканеры имеют горизонтальный угол обзора в 360°, вертикальные углы варьируются от 40-60° до 300°.
Характеристики лазерного сканирования
Хотя первые сканирующие системы появились относительно недавно, технология лазерного сканирования показала свою высокую эффективность и активно вытесняет менее производительные методы измерений.
Преимущества наземного лазерного сканирования:
- высокая детализация и точность данных;
- непревзойденная скорость съемки (от 50 000 до 1 000 000 измерений в секунду);
- безотражательная технология измерений, незаменимая при выполнении работ по лазерному сканированию труднодоступных объектов, а также объектов, где нахождение человека нежелательно (невозможно);
- высокая степень автоматизации, практически исключающая влияние субъективных факторов на результат лазерного сканирования;
- совместимость полученных данных с форматами программ по 2D и 3D проектированию ведущих мировых производителей (Autodesk , Bentley , AVEVA , Intergraph и др.);
- изначальная «трехмерность» получаемых данных;
- низкая доля полевого этапа в общих трудозатратах.
Применение 3D лазерного сканирования выгодно по нескольким причинам:
- проектирование с использованием трехмерных данных геодезических изысканий не только упрощает сам процесс проектирования, но главным образом повышает качество проекта, что минимизирует последующие расходы на этапе строительства,
- все измерения проводятся крайне быстрым и точным методом, исключающим человеческий фактор, степень достоверности информации повышается в разы, уменьшается вероятность ошибки,
- все измерения проводятся безотражательным способом, дистанционно, что увеличивает безопасность работы; например, нет необходимости перекрывать автостраду для съемки поперечных сечений, возводить строительные леса для измерения фасада,
- технология лазерного сканирования интегрируется с большинством САПР (Autodesk AutoCAD , Revit , Bentley Microstation), а также с «тяжелыми» средствами проектирования, такими как AVEVA PDMS , E3D , Intergraph SmartPlant , Smart3D, PDS.
- результат изысканий получается в различных видах, от выходного формата зависит цена лазерного сканирования и сроки работ:
- трехмерное облако точек (определенные САПР работают уже с этими данными),
- трехмерная модель (геометрическая, интеллектуальная),
- стандартные двумерные чертежи,
- трехмерная поверхность (TIN, NURBS).
Процесс лазерного сканирования состоит из трех основных этапов:
- рекогносцировка на местности,
- полевые работы,
- камеральные работы, обработка данных
Применение лазерного сканирования
Работы по лазерному сканированию в России на коммерческой основе выполняются с десяток лет. Несмотря на то, что технология достаточно универсальна, за это время определился круг основных применений.
Наземное лазерное сканирование в геодезии, маркшейдерии применяется для съемки топографических планов крупного масштаба, съемки ЦМР. Наибольшая эффективность достигается при лазерном сканировании карьеров, открытых выработок, шахт, штолен, тоннелей. Скорость метода позволяет оперативно получать данные о ходе земляных работ, рассчитывать объемы вынутой породы, осуществлять геодезический контроль хода строительства, следить за устойчивостью бортов карьера, мониторить оползневые процессы. Подробнее см. в статье
Лазерное сканирование – это метод высокоточного картографирования местности или её оцифровывание. Однако, в отличие от технологий позволяющих вести последовательную съемку отдельных точек, сканирование позволяет быстро получать детальные измерительные данные обо всем объекте в целом. Как будто камера делает панорамную фотографию на 360 градусов, но при этом получает точные трехмерные координаты каждого пикселя.
Где применяются наземные лазерные сканеры?
Получение качественной исполнительной съемки или измерительной информации о текущем состоянии объекта, это очень важно для строительства и реконструкции, такая съемка снижает риски и стоимость работ.
Топографическая съемка, получаемая посредством лазерного сканера, настолько полная и детальная, что вы всегда можете обращаясь к массиву данных словно бы вернуться в поле, найти необходимы данные или дополнить проект. Также все работы производятся значительно быстрее.
Быстрый подсчет объёмов складов, жидкостей или сыпучих материалов с получением более точного результата, даже при измерении геометрически более сложных объектов. Это востребовано там, где невозможно сделать измерения тахеометром или GNSS приемником. Данную задачу приходится решать в различных сферах:
- химические предприятия (производство удобрений);
- добыча полезных ископаемых (уголь, руда, песок, щебень);
- агропромышленные предприятия (учет сельскохозяйственной продукции);
- производство стройматериалов (цемент);
- нефтепереработка и хранение.
Съемка дорог на расстоянии. Выполнить съемку оживленного шоссе или развязки очень затруднительно, т.к. постоянный трафик не позволит быстро пройтись по дороге с RTK ровером. Используя лазерный сканер, мы можем произвести съемку, находясь на безопасном расстоянии.
Криминалистика – вы можете в любой момент открыть цифровую модель места происшествия на своем компьютере, чтобы произвести дополнительные измерения и анализ, возможно, это позволит заметить некоторые детали, которые ускользнули от взора при первичном осмотре места преступления.
Так как данные, полученные посредством лазерного сканера – это измерительная информация, вы можете использовать их в программах для различного рода задач. Например, по виртуальным данным можно анализировать реальное расположение конструкций относительно проектного.
Как работает лазерный сканер?
Весь процесс выполнения любого вида работ лазерным сканером можно разбить на две составляющих:- первая – это полевой этап, на котором сканер производит физическую съемку объектов;
- вторая – это камеральная обработка, где полевые данные преобразуются в те результаты, которые и используются в дальнейшей работе.
Ставим сканер в оптимальное для съемки выбранного объекта положение, нажимаем кнопку и просто ждем, пока прибор сделает свою работу. На полевом этапе, если необходимо, можно получить панорамные снимки и сделать исходные данные еще более реалистичными. Перед началом работы нужно правильно выбрать место установки инструмента, это позволит сократить количество станций и сэкономить время.
Как получить 3D модель всего объекта?
Для этого необходимо выполнить сканирование с нескольких точек, что позволит получить облака точек одного и того же объекта с разных ракурсов, которые потом сшиваем и привязываем к системе координат. Сканы могут быть точно привязаны к нужной системе координат, как при стандартной топографической съемке.
Программное обеспечение для обработки позволяет создавать бесконечное количество конечных проектов и выделять только ту информацию, которая необходима: двухмерные планы и высотные отметки, понятные и удобные панорамные изображения с возможностью получение измерений для каждого пикселя, сечения и профили, объем, направление выстрелов для анализа траектории полета пули и создания картин преступлений.
Кроме того технология сканирования позволяет получить дополнительные результаты, например, детальные топографические планы, триангуляционные поверхности, полностью текстурированные модели, обзорные видео, интеллектуальные 3D модели промышленных объектов, а также BIM (информационные модели зданий).
Обучение работе на лазерном сканере
Наши специалисты обучат вас работать со сканером и программным обеспечением для получения нужного результата. Они эксперты во всех профильных вопросах, начиная от решения самых простых задач, и заканчивая наиболее сложными. Иными словами мы поможем вам реализовать все возможности технологии лазерного сканирования, независимо от того, где и как вы собираетесь её применять:- проектирование;
- строительство;
- управление производством;
- эксплуатация и обслуживание зданий и сооружений;
- криминалистика;
- моделирование;
- в образовательной сфере;
- съёмка промышленных объектов;
- создание информационных моделей зданий;
- в археологии и сохранении памятников.
ООО «А-ГЕО» - ваш главный партнёр по профессиональному внедрению и использованию технологий лазерного сканирования.
Лазерный сканер – устройство, проводящее замеры с помощью специального излучения. Пространственные координаты формируются в результате измерений расстояния до точек и углов отражений.
Частота сканирования при этом должна быть большой и достигать 100 тыс. замеров в секунду.
Таким образом, накапливается большой объем данных о координатах, которые затем будут обработаны с помощью компьютеров и в итоге будет построена готовая цифровая модель поверхности или любого другого объекта.
Различают сканеры наземного и воздушного базирования. О последних и пойдет речь в нашей статье.
Как проходит воздушное лазерное сканирование
Производится оно с помощью нескольких взаимодействующих компонентов: лазерного сканера, приборов спутникового позиционирования и инерциальной системы. Расстояние до точки измеряется путем замера промежутка времени между отправкой сигнала и его приемом.
Одновременно с этим с помощью GPS измеряются углы путем регистрации положения воздушного судна в пространстве. Измерительная навигационная система необходима для постоянного измерения параметров положения судна в пространстве, например наклона или крена.
В итоге конечное вычисление координат точек происходит путем совместной обработки данных воздушного судна, локационного измерения расстояний и ориентации самого лазерного сканера.
Зачастую в составе этого комплекса так же задействуют цифровую аэрофотокамеру, которая производит синхронную съемку местности.
Преимущества метода
Данный метод является одним из наиболее быстрых и точных методов получения пространственной модели поверхности с точностью до 5-15 сантиметров. Проводится он на высоте от 500 до 1000 метров при помощи самолетов или вертолетов.
Качество напрямую зависит от высоты съемки: чем выше высота полета, тем хуже итоговая модель. В результате получается качественная модель даже самых сложных рельефов с густой растительностью и с учетом самых мелких деталей.
К основным преимуществам относят следующее:
- Расстояние до объекта измеряется максимально точно вне зависимости от характеристик и типа поверхности: будь это темная поверхность (постройки, грунт, асфальт) или светлая (снег или песок)
- Трехмерные данные получаются с большой плотности и высокой точностью
- Возможность одновременного измерения до земли и верхушек деревьев
- Возможность получения картографических данных крупного масштаба с производительностью 1000 кв.м за 12 часов при проведении аэросъемочных работ, а так же 24 часа для получения уже готовой трехмерной модели рельефа
- Результат в цифровом виде
Материал для статьи предоставлен компанией "АртГео" -
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.
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.
