Технологии лазерного сканирования

На протяжении последних десяти лет весь мир в общем, и специалисты в области геодезии, в частности, стали свидетелями мирной технологической революции, название которой – GPS. Возможность получать точные координаты своего местоположения не за часы или даже сутки долгих наблюдений и вычислений, а за минуты и секунды, явилась такой же важной вехой в технологических достижениях человечества, как изобретение телеграфа или самолета

Но достаточно консервативный мир традиционных геодезических и смежных с ним прочих координатных измерений все же не был в должной степени удовлетворен качеством и полнотой получаемых данных для построения цифровых моделей измеряемых объектов. В самом деле, разреженные координатные данные не позволяют с максимальной точностью описать объект съемки – слишком мало информации. Проблема, казалась неразрешимой, до тех пор, пока мир не услышал о ЛАЗЕРНОМ СКАНИРОВАНИИ. Технологии, которая ворвалась в наш мир стремительно и продолжает победное шествие. Революция в измерениях свершилась, и теперь остается принять ее, учитывая ошибки, разрабатывая стратегию, меняя тактику и активно пользоваться ее плодами и завоеваниями.

Что нужно сделать для построения точной трехмерной модели здания или чертежа цеха? Сначала провести измерения и получить координаты всех объектов, а затем уже представить их в графическом виде. Именно измерения координат объекта, составляет наиболее трудоемкую и затратную часть всей работы. Как правило, геодезисты, или другие специалисты, проводящие измерения, используют современное оборудование, в первую очередь электронные тахеометры, позволяющие получать координаты точек с точностью нескольких миллиметров. Принцип работы тахеометра понятен и известен. Однако скорость измерения тахеометром невысока. Такой метод эффективен при съемке разряженной, незагруженной объектами площади. Но сложность, с которой приходится сталкиваться при креплении призм на большой высоте или в труднодоступном месте, зачастую бывает непреодолимой. Появление безотражательных тахеометров, имеющих возможность работать без специальных отражателей, произвело “бархатную” революцию в геодезии. Теперь можно проводить измерения без долгих и утомительных поисков лестниц для подъема отражателя под крышу дома, подставок для установки призмы над полом в помещении с высокими потолками и пр. Достаточно просто навестись на необходимую точку и все. Луч может отражаться от любой ровной поверхности. Но сколько времени требуется на съемку, с какой плотностью будут получены измерения, с какой точностью и достоверностью? Сколько времени требуется для детальной съемки фасада здания высотой 20 метров или цеха металлургического завода площадью 2 гектара? Недели, месяцы? Использование безотражательного тахеометра может значительно снизить сроки, но, тем не менее, Вы проведете за прибором долгие часы и дни. А с какой плотностью будет сделана съемку фасада: одна точка на кв. м? Вряд ли этого достаточно для построения чертежа со всеми элементами.

А теперь представьте, что в Ваших руках безотражательный тахеометр, который ведет съемку автоматически, без участия оператора со скоростью 5 тысяч измерений в секунду. Еще два-три года назад это предложение представлялось фантастичнее, нежели полет на Луну сто лет назад. Сегодня это стало не менее реальным, нежели следы американских астронавтов или советского “Лунохода” на поверхности нашего небесного соседа.

Название этого чуда – лазерное сканирование. Метод, позволяющий создать цифровую модель всего окружающего пространства, представив его набором точек с пространственными координатами. Основное отличие от традиционных тахеометров – принципиально другая скорость выполнения измерений, сервопривод, автоматически поворачивающий измерительную головку в горизонтальной и вертикальной плоскостях. И все же самое главное – скорость (не менее 5000 измерений в секунду – в среднем два-три полных рабочих дня измерений обычным тахеометром) и плотность (до десятков точек на 1 кв. см. поверхности)! Полученная после измерений модель объекта представляет собой гигантский набор точек (от сотен тысяч до нескольких миллионов), имеющих координаты с точностью в несколько миллиметров. Не нужно больше смотреть в окуляр тахеометра, выискивая цель, не нужно нажимать кнопку для запуска дальномера и записи полученных данных в память, и наконец, не нужно бесконечно переставлять прибор для поиска наиболее выгодной для съемки позиции. Теперь это можно делать с одной точки, без участия оператора и в десятки раз быстрее, сохранив при этом необходимую точность.

Разумеется, сканирование – не чудесный талисман, позволяющий решить все проблемы простым нажатием кнопки. Законы физики, теория электромагнитного излучения не позволяет делать измерения сквозь стены, трубы, любой непрозрачный объект, вынуждая производить несколько сканов с разных точек для получения полной и цельной картины, но, несмотря на эти обстоятельства, сканирование, тем не менее – гораздо более быстрый, а главное в сотни раз более информативный метод получения данных об объекте.

Как работает лазерный сканер? Принцип работы сканера тот же, что и простого тахеометра – измерение расстояния до объекта и двух углов, что в конечном итоге дает возможность вычислить координаты. Пучок лазера исходит из излучателя, отражается от поверхности объекта и возвращается в приемник. Вращающаяся  призма распределяет пучок по вертикали с заранее заданным шагом (например, 0.1о). Таким образом, в отдельном взятом вертикальном скане будут измерены все точки с дискретностью 0.1о (например, при максимальном вертикальном угле сканирования 140о их будет, соответственно 1400). Затем сервопривод поворачивает блок измерительной головки на угол, равный шагу измерения (при той же дискретности 0.1о полный оборот сканера состоит из 3600 отдельных вертикальных плоскостей). Таким образом, полная цифровая картина пространства будет представлена в виде набора 5040000 точек. Пять миллионов точек за 30 минут! Более полную цифровую картину не может представить никакой другой из известных способов. Как правило, весь процесс съемки полностью автоматизирован. Данные измерений в реальном времени записываются на внешний или внутренний носитель. Схематично любой сканер можно разделить на несколько основных блоков: – измерительная головка (в ней расположены лазерный излучатель и приемник), вращающаяся призма (обеспечивает распределение пучка в вертикальной плоскости), – сервопривод горизонтального круга (обеспечивает вращение измерительной головки в горизонтальной плоскости) – компьютер (предназначен для управления съемкой и записи данных на носитель).

Что потом? После того, как произведены измерения, начинается процесс обработки. Изначально, “сырые измерения” представляют собой набор (“облако”) точек, которые необходимо представить в виде чертежей, схем в CAD формате. Разумеется, никакое программное обеспечение не может сегодня успешно решить проблему распознавания образов ни в автоматическом, ни в полуавтоматическом режиме с той степенью достоверности, которая нужна пользователю. Поэтому, весь процесс обработки требует участия человека и без кропотливого ручного труда в ближайшем будущем не обойтись. Процесс обработки зависит от желаемого результата от того, что конкретно мы хотим получить. Это может быть само облако точек, неправильная поверхность (TIN), набор сечений, план, сложная 3D-модель либо просто набор измерений (длины, периметры, диаметры, площади, объёмы). Но в целом обработка состоит из нескольких основных этапов: “сшивка” сканов, трансформирование координат, создание поверхностей.

Где применяется? Как многие технические новшества и технологии, недавно вышедшие из лабораторий ученых, лазерное сканирование находится только в начале пути освоения разнообразных приложений. Но уже сейчас можно перечислить несколько технологических сфер, где сканеры применяются все более активно:

  • съемка промышленных объектов (заводы, НПЗ, сложное производство)
  • съемка мостов
  • съемка и профилирование тоннелей
  • промышленные измерения (определение объемов резервуаров)
  • горная промышленность
  • реставрация и строительство
  • архитектура и археология

Конечно, будущее этой технологии еще впереди, и список будет дополняться новыми, может быть на первый взгляд, невозможными приложениями. Но совершенно очевидно, что точно известно сегодня – сканирование быстрее, точнее, информативнее, чем большинство существующих методов измерений

Авторы: Материал предоставлен компанией ООО  “Навгеоком -Красноярск”

Комментирование закрыто.