Наземное лазерное сканирование-общие принципы

     Наземное  лазерное сканирование - общие принципы 

     Наземное  лазерное сканирование представляет собой  метод определения поверхности  различных объектов – зданий, сооружений, рельефа местности. Результатом  съемки сканером является совокупность точек объекта, каждая из которых  имеет свою прямоугольную координату X’, Y’, Z’. По принципу работы лазерный сканер представляет собой комбинацию теодолита, лазерного дальномера и  сканирующего элемента, последовательно  отклоняющего лазерный луч для получения  массива точек лазерных отражений  – так называемого облака точек.

     По  составу полевых работ наземное лазерное сканирование более всего  напоминает традиционную фототеодолитную  съемку. Но это только на первый взгляд. Высочайшая степень автоматизации  измерений, компьютеризация всех этапов работ делает новый метод несравнимо более производительным и эффективным. 

     Наземное  лазерное сканирование имеет ряд  неоспоримых преимуществ, среди  которых возможность оперативного контроля полевых измерений, значительно  меньшие временные и материальные затраты на обработку их результатов, получение трехмерной модели (3D) объекта  с более высокой точностью  на основе непосредственно измеренных величин. В зависимости от поставленных задач конечным результатом работ  по сканированию может являться облако точек (пространственный растр) или  полноценная 3D-модель объекта. Стоит  отметить, что 3D-модель формируется  по данным наземного лазерного сканирования.

     Облако  точек с известными трехмерными  координатами:

     

 
 

     Результат обработки облака точек. Трехмерная модель объекта:

       

     Очень часто, для повышения информативности  результирующего изображения используется одноэлементный приемник излучения (сенсор), который фиксирует яркость объекта  в виде плотности изображения  в точке визирования лазерного  дальномера.  Либо используется цифровая камера высокого разрешения, позволяющая  покрыть область сканирования цветными снимками с заранее заданным перекрытием  между ними.  

     Таким образом, реализуется полярный способ определения пространственных координат  точек лазерных отражений, за счет измерения  углов φ,ν в комбинации с данными  об истинном цвете каждого пикселя (единичного элемента изображения). Задавая диапазон (φmin,νmin)и φmax,νmax) и шаг(Δφ Δν ) изменения горизонтальных и вертикальных углов, сканер автоматически с помощью моторов последовательно устанавливает луч лазера и регистрирует параметры φ,ν расстояние D и плотность d для каждой точки объекта в заданных пределах. Координаты точек объекта относятся к прямоугольной системе координат сканера, которая в общем случае произвольно ориентирована в пространстве: 

     X’=Dcosν  sinφ

     Y’=Dcosν  sinφ           (1)

     Z’=Dsinφ  

     Цифровая  камера высокого разрешения, закрепляемая на корпусе сканера, также ориентируется  в свой собственной системе координат. Данная камера должна быть предварительно откалибрована. 

     Во  время съемки сканер (система координат  сканера) не ориентируется в пространстве и не нивелируется. Для трансформации  сканов (массивов точек лазерных отражений) в единую систему координат объекта OXYZ, в сканере предусмотрено автоматическое или ручное распознавание специальных  маркированных точек (марок), глобальные или проектные координаты которых  определяются при помощи тахеометра или GPS. При трансформации сканов используются специальные программные  алгоритмы, позволяющие автоматически  выполнить данное преобразование, за счет использования матрицы трансформации, включающей в себя шесть параметров (три для положения сканера, и  три для вращения). Координаты точки P в системе координат объекта  можно получить через соотношение: 

       

     где X,Y,Z – координаты точки объекта  в системе координат объекта OXYZ; X’Y’Z’ - координаты точки объекта  в системе координат сканера SX’Y’Z’, вычисляемые по (1); X0, Y0, Z0 – координаты начала системы координат сканера S X' Y' Z' относительно системы координат  объекта; A – матрица поворота, зависящая  от трех углов ω α κ.  

     Неизвестные элементы внешнего ориентирования сканера X0, Y0, Z0, ω α κ можно определить по маркам-отражателям. Из (2) видно, что  минимальное число опорных точек  равно 2, однако в этом случае может  возникнуть неопределенность в определении  угловых элементов. Поэтому минимальным  числом опорных точек следует  считать 3, не лежащих на одной прямой. Естественно, лучше иметь больше опорных точек, разнесенных по площади.  

     Преобразование (2) делается для всех съемок одного и того же объекта, выполненных с  различных точек стояния Si . В  результате имеем X,Y,Z,d для всей совокупности точек объекта в единой системе  координат OXYZ. Затем эта информация может быть использована для последующих  вычислений (объемы, площади, модели объекта  в виде триангуляции Делоне и т.д.). Кроме того, ее можно визуализировать  в трехмерном (3D) пространстве с наложением реального изображения объекта  под различными углами зрения или  в виде обычного двухмерного (2D) цветного (RGB)  изображения. 

     Схематично  лазерный сканер можно разделить  на несколько основных компонентов:

     Приемо-передающая часть. Как правило, в ней расположены лазерный излучатель и приемник.

     Вращающаяся многогранная призма. Обеспечивает распределение лазерного пучка в вертикальной плоскости.

     Сервопривод горизонтального круга. Обеспечивает вращение измерительной головки (приемо-передающей части) в горизонтальной плоскости.

     Компьютер. Предназначен для управления съемкой и записи данных на носитель. 

     После того, как произведены измерения, начинается процесс обработки. Изначально, “сырые измерения” представляют собой  массив точек, которые необходимо затем экспортировать в подходящий CAD - формат. 

     Обработка состоит из нескольких основных этапов:

     “Посадка” сканов

     Как правило, при съемке различных инженерно-технических  сооружений, объектов архитектуры, зданий или рельефа имеются отдельные  наборы данных – облаков точек, полученные с различных точек стояния  сканера. Эти данные необходимо «увязать»  друг с другом. Для этого используются специальные отражающие марки, выполненные  в виде цилиндров, сфер или дисков определенного размера. Распознавая  данные отражающие элементы на сканах автоматически или вручную, производят «посадку» сканов, то есть получают объединенные облака точек. При этом марки могут быть закоординированы стандартными средствами – при помощи тахеометра или GPS.

     Трансформация сканов в проектную систему координат

     Как было указано выше, лазерный сканер имеет свою собственную систему  координат, жестко связанную с одним  из его конструктивных элементов (обычно в центре приемо-передающей части). Все сырые данные, полученные в  ходе сканирования, относятся к данной системе координат. Чтобы получить сырые данные в системе координат, используемой на объекте работ (проектной  системе), необходимо выполнить трансформацию  сканов, которая производиться автоматически  при помощи алгоритмов управляющей  программы.

     Создание  поверхностей

     Представление “облаков” точек математически  описываемыми поверхностями, в виде триангуляционных сеток. Созданные  подобным образом поверхности могут  быть экспортированы в любые CAD и 3D-приложения. Если сканирование сопровождается цифровой фотосъемкой, то на этапе обработки можно совместить сканированное изображение объекта с его фотоизображением, придав скану реальные цвета и текстуру. 

     По  принципу измерения расстояния до объекта, наземные лазерные сканеры подразделяются на две группы: импульсные и фазовые.  
 

     Импульсные  лазерные сканеры 

     Импульсные  лазерные сканеры используют принцип  расчета времени прохождения  лазерным лучом двойного расстояния от сканера до цели. На рисунке ниже представлена структурная схема  работы импульсного лазерного сканера Riegl:

       

     Для точного измерения времени прохождения  лазерного импульса в пространстве используется высокостабильный кварцевый  генератор. Измерив время прохождения лазерного импульса, можно вычислить наклонную дальность Di : 

     Di =Ti /2c           

     Импульсный  метод измерения расстояний по точности уступает фазовому методу. Это происходит потому, что фактическая точность каждого измерения зависит от ряда параметров, каждый из которых  может оказать влияние на точность конкретного измерения. Таковыми параметрами  являются:

     - длительность и форма (в частности,  крутизна переднего фронта) зондирующего  импульса

     - отражательные характеристики объекта

     - оптические свойства атмосферы

     - текстура и ориентация элементарной  поверхности объекта вызвавшей  отражение зондирующего луча  по отношению к линии визирования

     - другие

     Фазовые лазерные сканеры 

     Принцип их работы состоит в  определении  количества целых длин волн между  локатором и объектом и разности фаз излученной и принятой волны  модулирующего колебания. При этом зондирующее излучение должно быть непрерывным, что в общем случае значительно повышает требования по выходной мощности излучающего лазера по сравнению с импульсным методом.  

     Для того чтобы определить расстояние между  источником и объектом, необходимо: 

     1. Определить целое количество  длин волн модуляции K, приходящихся  на это расстояние. 

     2. Определить разность фаз  Δφ  между принятой и опорной волной  и тем самым оценить дополнительное  расстояние, соответствующее “последней“”  неполной волне. 

     Если  значения K и Δφ удалось определить, то искомое расстояние определяется по формуле: 

                 

     Главное преимущество фазового метода измерения - более высокая точность, которая  может достигать первых миллиметров.  

     В настоящее время на рынке представлено несколько типов лазерных сканеров от разных производителей, среди которых Riegl, Leica, Trimble, Konica-Minolta, Zoller+Froehlich, Optech и  другие. Все они различаются по дальности измерения расстояний, точности и по принципу измерений (фазовые  и импульсные). 

     Наземные  лазерные сканеры находят все  более широкое применение при  топографо-геодезической съемке, инженерно-технических  изысканиях, в маркшейдерии, архитектуре, в реставрации исторических памятников, в реконструкции фасадов, съемки подстанций и других отраслях производства. 

     Очень часто возникает потребность  в сжатые сроки провести инвентаризацию земельно-имущественного комплекса  и инженерно-технических сооружений, принадлежащих предприятиям нефтегазового комплекса. В этом случае, при использовании наземных сканирующих систем удается в разы сократить время, отведенное на проведение съемки и построению моделей инженерных коммуникаций, трубопроводов, оборудования подстанций. А также во многом повысить безопасность проведения работ на подобных объектах. 

     Новая технология показала себя не только как  высокоэффективная, но во многих случаях  как незаменимая. Трудно представить, сколько бы времени понадобилось для съемки коммуникаций электронным  безотражательным тахеометром в  уже упоминавшихся выше работах. Недели, а может быть, месяца? С  помощью лазерного сканера все  полевые работы выполняются за несколько  рабочих дней. Обработка результатов  измерений с получением пространственной модели и чертежей коммуникаций занимает также небольшой промежуток времени. 

     Наземные  лазерные сканеры находят широкое  применение в маркшейдерии. При съемке карьеров имеется возможность построить трехмерную цифровую модель и оперативно подсчитывать объемы взорванной породы до и после взрыва, путем наложения друг на друга соответствующих моделей. Объем взорванного блока можно получить непосредственно после получения данных лазерного сканирования и с очень высокой точностью. Достаточно сказать, что при использовании традиционных методов, маркшейдерам удавалось рассчитать объем взорванного участка с точностью не выше 3 %. При использовании лазерного сканера точность подсчета объемов возрастает до 0.5 %. По готовой модели имеется возможность построения сечений с заданным интервалом, и затем топографический план карьера.