Технология наземного лазерного сканирования

В последнее время технология наземного лазерного сканирования все шире используется для решения задач инженерной геодезии в различных областях строительства и промышленности. Растущая популярность лазерного сканирования обусловлена целым рядом преимуществ, которые дает новая технология по сравнению с другими методами измерений. Среди преимуществ хочется выделить главные: повышение скорости работ и уменьшение трудозатрат.

Технология наземного лазерного сканирования стала возможна, благодаря появлению новых геодезических приборов – наземных лазерных сканеров (НЛС) (рисунок 5.10).

Принцип работы сканера аналогичен принципу работы безотражательного электронного тахеометра, но значительно превосходит его по эффективности, и основан на измерении расстояния до объекта с помощью безотражательного лазерного дальномера и задании двух углов направления лазерного луча, что в конечном итоге дает возможность вычислить пространственные координаты точки отражения. За самое короткое время объект съемки представляется в виде набора из сотен тысяч или миллионов точек.

С целью обеспечения наиболее высокой точности сканирования необходимо выполнить прогрев лазерного сканера в течение времени установленного производителем, который позволит вывести сканер на максимально стабильный режим работы, и ввести параметры атмосферы (температуру и давление).

Съемка с применением НЛС полностью автоматизирована, поэтому участие оператора сводится только к указанию области съемки и заданию ее параметров. Процесс сканирования никаких сложностей не представляет и зависит только от используемого программного обеспечения. Но в любом случае на экране портативного компьютера нужно выделить тем или иным способом область сканирования на предварительно получаемом с помощью фото - или видеокамеры, входящей в состав НЛС, изображении, указать параметры сканирования и запустить процесс съемки.

Плотность точек на поверхности снимаемого объекта определяется следующими параметрами сканирования: задаваемым количеством измеряемых точек и расстоянием до объекта.

В результате съемки лазерным сканером получается несколько облаков точек. Для того чтобы измерить сложный инженерный объект полностью, его нужно отсканировать со всех сторон. Основной формой представления результатов наземного лазерного сканирования является массив (облако) точек (рисунок 5.11) лазерных отражений от объектов, находящихся в поле зрения сканера, со следующими характеристиками: пространственными координатами (X, Y, Z), интенсивностью и реальным цветом. По облаку точек в дальнейшем можно 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 посредством сравнения с ранее произведенными измерениями;

– получение топографических планов методом виртуальной съемки.

Наиболее сложным и трудоемким этапом работы в применении НЛС является обработка съемочных данных, т. е. объединение отдельных сканов (сшивка) в единое геометрическое пространство для получения описания объекта съемки (рисунок 5.12) Сшивка (или регистрация) представляет собой уравнивание данных сканирования с разных станций, в единую систему координат.

Существует несколькометодов сшивки:

– сшивка по специальным плоским маркам-отражателям (расклеиваются на объекте и сканируются отдельно во время полевого этапа);

– сшивка по маркам-сферам (аналогично плоским маркам);

– сшивка по характерным точкам (не требует на полевом этапе использования марок вообще);

– автоматическая подгонка (программный способ сшивки, когда итерационный алгоритм смещает один скан относительно другого и находит оптимальное положение по минимальному расстоянию между точками этих сканов);

– геопривязка (позволяет привязать каждый скан или все измерения в заданную систему координат).

Для построения крупномасштабных планов оптимальным является первый способ. Хотя, в отличие от сшивки по характерным точкам, он требует дополнительной работы в поле (развешивания и последующего собирания марок); сшивка по специальным плоским маркам-отражателям дает большую точность сшивки, а также уменьшает время камеральных работ. Сшивка методом автоматической подгонки или по характерным точкам мало подходит для высокоточных измерений из-за влияния вероятностного расположения исходных точек сканирования, не позволяющая точно проконтролировать результаты сшивки, но это единственные методы сшивки, которым можно воспользоваться в случаях съемки объектов, размещение светоотражающих марок на которых не представляется возможным или связано с большими трудностями. Например, при съемке воздушного газопровода, свода крыши и т.д.

Перед передачей в CAD-программы сшитые облака точек необходимо обработать. Эти работы можно производить в программном обеспечении, например Cyclone, которое позволяет оперативно обрабатывать сотни миллионов точек благодаря системе управления уровнем детализации (Level of Detail) отображаемой графической информации.

Существует программный инструментарий, позволяющий выделить слой точек, лежащих в определенном сечении облака точек и на заданном расстоянии от него. По результатам отфильтрованного облака точек, лежащего в таком слое, можно получить векторные изображения объектов, спроецировав оставшиеся точки в плоскость сечения и соединив соседние точки отрезками прямых.

Полученное векторное изображение объектов дорабатывается до получения планов с отображением конструкций, расстановкой размеров и нанесением иной технической информации в условных обозначениях, принятых в технической инвентаризации в CAD-программах.

Высокая оперативность сбора пространственных данных об объектах съемки делает наземное лазерное сканирование весьма перспективным методом получения информации при организации мониторинга сложных инженерных сооружений.