Лазерні сканери для наземних зйомок

На сьогоднішній день лазерне сканування, яке прийшло з машинобудування, стало невід'ємною частиною топографічних зйомок. Геодезисти оцінили можливість лазерних сканерів в лічені хвилини отримувати десятки тисяч безвідбивачевих вимірювань, які дозволяють замість схематичної цифрової карти побудувати повноцінну тривимірну фотореалістичних модель місцевості, при цьому значно скоротивши час польових робіт. Особливе значення має застосування 3D сканерів в інженерній геодезії і маркшейдерському справі, де потрібно максимально докладно змоделювати форму складних інженерних споруд чи підземних пустот.

Існує цілий ряд задач, які слід віднести до класики інженерної геодезії. До таких задач відносять: виконання контрольно-монтажних вимірів і виконавчого знімання при будівництві інженерних споруд, спостереження за вертикальними і горизонтальними деформаціями та переміщеннями, вирішення задач вертикального планування, маркшейдерські роботи при експлуатації об'єктів гірничодобувної промисловості та ін.

За характеристиками лазерні 3D сканери можна розділити на дві основні категорії: фасадні та інтер'єрні. Фасадні сканери мають перевагу в дальності і швидкості вимірювань, але мають обмежену зону сканування. Основна область застосування фасадних 3D сканерів - знімання відкритих ділянок місцевості і зовнішньої поверхні великомасштабних об'єктів (фасадів будівель і споруд), яка виконується зазвичай з декількох точок.

Інтер'єрні сканери мають максимально широку зону сканування, але поступаються у дальності вимірювань, тому зазвичай застосовуються для зйомки інтер'єрів або невеликих замкнутих просторів (тунелів, печер та інших порожнин).

Особливе місце займають скануючі станції (сервопривідні тахеометри з функцією сканування). Значно поступаючись 3D сканерам у швидкості (десятки вимірювань у хвилину замість тисяч вимірювань в секунду), скануючі станції мають на порядок вищу точність позиціонування точок (1-2 мм замість 1-2 см). Тому скануючі станції призначені для робіт, де точність має вирішальне значення (наприклад для задач моніторингу), або спільно з 3D сканерами, для точної прив'язки сканів.

Лазерні сканери для наземних зйомок являються більш складними приладами у порівнянні з електронними тахеометрами, хоча в них закладені ті ж самі принципи визначення координат точок, на автоматичному вимірюванні кутів і відстаней.

Основна відмінність сканера від електронного тахеометра полягає у тому, що з допомогою електронного тахеометра кожна точка визначається індивідуально, і на кожну точку затрачається час від одиниць до десятків хвилин. Це пов’язано з тим, що спостерігач біля приладу спочатку знаходить точку візуально, потім візує зорову трубу інструмента, вводить номер точки, що спостерігається і проводить вимірювання, які вводить у пам’ять (або стирає). Практично ці ж операції спостерігач виконує навіть у тому випадку, коли наведення на ціль здійснюється автоматично, тобто якщо використовується роботизований електронний тахеометр. При цьому найшвидші виміри виконуються зі швидкістю не більше двох вимірів в секунду.

Сканери, на відміну від електронних тахеометрів, здійснюють сканування простору лазерним пучком. За один період сканування, тривалістю в соті частини секунди, автоматично здійснюється вимірювання полярних координат точок профілю і проводиться запис результатів безпосередньо у спецвизначник приладу, тобто візування спостерігач не виконує. Сканер забезпечує високу швидкість вимірювань, оскільки сервопривід, який повертає вимірювальну головку в обох (горизонтальній і вертикальній) площинах, дозволяє виконувати до 5000 вимірів за секунду, що відповідає щільності до десятків точок на 1 кв. см поверхні. Одночасно реєструється рівень відбитого сигналу від кожної точки. Результати вимірювань постійно записуються в реальному часі в пам’ять приладу на зовнішній або внутрішній носій. При роботі зі сканером відпадають такі операції, як пошук цілі і візування, а також необхідність натискати на клавіші для виконання і реєстрації результатів вимірювань. Після цього сканером виконується сканування наступного рядка у полі зору приладу. Результати також фіксуються у пам’ять і виводяться на дисплей пристрою, де відображаються зняті точки місцевості. Перед початком зйомки установлюється область сканування і щільність (вертикальна і горизонтальна відстань до сусідніх точок). Сканер самостійно може знайти і відсканувати з максимальною щільністю спеціальні візирні цілі, які служать для визначення системи координат об’єкта, а також служить геодезичною основою для порівняння окремих сканів. Таким чином, вся знімальна місцевість (і предмети місцевості) в межах поля зору сканера виявляється рівномірно покрита точками, координати яких визначені з допомогою сканера, і одночасно зареєстрований рівень відбитого сигналу від кожної точки. В момент вимірювань на дисплеї приладу виникає зображення знятої на цій станції місцевості, тобто отримують ніби знімок місцевості і в цифровому вигляді.

Сучасні 3D сканери складаються з двох основних компонентів: скануючої системи і цифрової відеокамери. Скануюча система призначена для моделювання форми вимірюваних об'єктів, а цифрова відеокамера - для точної передачі кольору об'єктів.

Увесь процес зйомки повністю автоматизований. Отримані в момент зйомки «сирі виміри» являють собою набір («хмару») точок, які необхідно представити у вигляді креслень, схем в графічному форматі. Зрозуміло, що при скануванні можна бачити тільки одну частину об’єкта, яка знаходиться в зоні прямої видимості. Для того щоб зняти об’єкт повністю, його необхідно відсканувати зі всіх сторін. Після об’єднання усіх «хмар точок» в єдиний геометричний простір виходить єдине описання об’єкта зйомки. Процес вирівнювання тут називається реєстрацією. Далі проходить обробка сканів з метою створення єдиного скану для повного покриття знятої поверхні. Для створення єдиного скану («зшивки») використовується метод сумісництва сканів по опорних точках, які відображаються на суміжних сканах. Для цього під час зйомки на опорних точках встановлюються відбивачі (трипельпризми), світловідбиваючі пластини або наклейки, що мають вищий коефіцієнт відбивання, і тому цілком однозначно визначаються.

Для кожного скана координати точок визначаються в системі координат, центр якої співпадає з центром сканування. Тому для зв’язку координат об’єкта, отриманих із різних сканів, необхідно вибрати єдину систему координат, знайти в ній центри сканування для кожного випадку (наприклад, з допомогою електронного тахеометра) і трансформувати всі отримані координати в єдину систему. Розпізнавання об’єктів здійснюється оператором і багато у чому визначається поставленою кінцевою ціллю. Наприклад, це може бути сама хмара точок, складна поверхня, набір розрізів, план, складна 3D- модель чи просто набір вимірів різноманітних геометричних параметрів (довжини, периметри, діаметри, площі, об’єми). Проте в цілому обробка складається з кількох основних етапів.

Отримання поверхонь виступає одним із відповідальних етапів обробки. Використовуючи програмне забезпечення можна створювати на основі «хмари точок» найпростіші правильні математичні поверхні (площина, сфера, циліндр) або апроксимувати складну («неправильну») поверхню тріангуляційним методом. Створені схожим способом поверхні цілком запропоновані в стандартних формах DXF, IGES, VRML, SAT, STL, DGN і, відповідно, можуть бути експортовані в будь – які 3D-додатки. Як уже згадувалось, якщо сканування супроводжується цифровою відео- чи фотозйомкою, то на етапі обробки можна сумістити сканування зображення об’єкта з його відеозображенням, надавши скану реальних кольорів і текстури. Використовуючи побудовані моделі поверхонь, можна отримати поперечні прорізи на заданих відстанях і прорахувати поверхню в цілому.

На основі отриманих даних можна оцінити відхилення геометрії будівлі від проектної й провести аналіз його поверхні з метою виявлення неопрацьованих областей поверхні, виконаних з порушенням проектного завдання. Крім того, в транспортному тунелі, розташованому в слабких і насичених ґрунтах, який зазнає інтенсивної взаємодії рухомого потяга, можливі зміщення компонентів споруди і порушення сусідніх елементів обробки. Для виявлення локальних зміщень взаємного положення сусідніх блоків обробки і провисання тунелю періодично виконуються зйомка і обстеження геометрії тунелю. До нині для даної поставленої цілі зазвичай застосовувались електронні тахеометри, цифрові теодоліти і нівеліри. Використання лазерних сканерів дозволило значно скоротити процес зйомки, яка проводиться за поганих умов освітлення у вузьких підземних просторах.

Зйомку місцевості з допомогою сканерів можна здійснити з двох точок місцевості (з кінців базису), як це робиться при фототеодолітній зйомці. Обробку матеріалів зйомки можна здійснювати, застосовуючи також фотограмметричні залежності. Наземне лазерне сканування може бути використано при зйомках і побудові моделей рельєфу і місцевості на локальній території, де застосування повітряної зйомки не виправдане з точки зору економії або необхідно відобразити усі мікроформи і складні ділянки рельєфу. Традиційна зйомка дає апроксимоване уявлення про рельєф місцевості, і ступінь цієї апроксимації дуже залежить від досвіду і кваліфікації виконавця.

Лазерне сканування дозволяє зафіксувати усі форми рельєфу, наявні в зоні зйомки, і у процесі постобробки уточнити необхідність відображення того чи іншого елемента.

Застосування лазерних сканерів особливо ефективне для зйомки гірських кар’єрів, ярів, в гірській місцевості, резервуарів, фасадів будинків, архітектурних споруд і т.п.

Використання наземного лазерного сканування для зйомки фасадів і архітектурних пам’ятників являється розвитком і вдосконаленням наземної фотограмметрії. Зведені у єдину систему результати сканування дозволяють отримати трьохмірну модель будівлі, провести комплексну оцінку стану і використати модель для суміжних задач: проектування, реконструкції, візуалізації планових вимірів, розрахувати кількість будівельних матеріалів для реставрації, реконструкції.

Крім того, з використанням технологій наземного лазерного сканування можна проводити зйомку у середині інженерних споруд (цехів і т.д.), що у ряді випадків важко чи просто неможливо зробити традиційними методами.

Одним із перспективних напрямів використання лазерних сканерів виступає зйомка резервуарів. Як правило, існують два основних метода калібрування резервуарів: згідно першого методу об'єм резервуара визначають за допомогою лічильників, що реєструють кількість витікаючої рідини. Цей метод має малу виробничу здатність і практично не застосовується для великих резервуарів. Другий метод заснований на обчисленні об’єму на основі вимірювань розмірів резервуара з допомогою рулетки. При обчисленні форма резервуара приймається за геометрично правильну, що практично не відповідає дійсності із-за деформації в результаті впливу природних факторів (термічні, вітрові, осідання і т.п).

Застосування лазерного сканера для поставленої мети дозволяє розв’язувати подібні завдання достатньо ефективно: об'єм резервуарів може бути визначений з похибкою 0,07%, час вимірювань – не більше години. Отримані дані являють собою цифрову модель стінок резервуара, яку складають сотні тисяч точок, що дозволяє врахувати усі нерівності, дефекти стінок резервуара і обчислити об'єм з високою точністю.

Затрати на проведення вимірювань у цьому випадку скорочуються в десятки разів, а отримана точність відповідає прийнятим нормам.

Іноді в полі виникають проблеми з отриманням окремих характеристик певних об’єктів, наприклад, оцінка провисання комунікацій (проводів або наземних трубопроводів) між опорами, визначення діаметру труб і місць зміни діаметру труб на естакадах, оцінка лінійних розмірів об’єктів, не кажучи вже про об’єкти, котрі мають складні поверхні. Трьохмірні моделі таких об’єктів, використовуючи традиційні технології збору даних, зазвичай побудувати просто неможливо.

За даними сканування ці питання вирішуються значно легше, оскільки матеріали зйомок знаходяться у трьохмірному координатному полі, завдяки чому взаємне положення моделей об’єктів визначається з високою точністю. Точність побудови окремих елементів моделі і точність їх взаємного положення визначається в основному точністю скануючої системи.

Дата добавления: 2014-01-11