Воздушное, мобильное и наземное лазерное сканирование

ava
Владимир Семыкин


«Акрополь-Гео»


В данной статье рассмотрим:

Чем различаются 3D-съёмки: НЛС, МЛС, ВЛС?
Воздушное лазерное сканирование
Мобильное лазерное сканирование
Наземное лазерное сканирование
Примеры правильного выбора типа лазерной съёмки


Чем различаются 3D-съёмки: НЛС, МЛС, ВЛС?

Между технологиями лазерного сканирования большое различие в методике 3D-съёмки, в используемых приборах, в методах регистрации и обработки массивов измерений. Соответственно, различен и достигаемый результат измерений. И в первую очередь — по точности.

Условно, по реальной точности разных методов измерений (не точности самих приборов) и по производительности работ, типы съёмки можно охарактеризовать так:

  • Наземное лазерное сканирование (НЛС) работает в сантиметровом диапазоне точностей (нормально 2-4 сантиметра) и лишь при существенных усилиях можно получить 3D-съёмку лучше 1 см. В процессе съёмки исполнители перемещаются по земле, устанавливая сканер на неподвижный штатив и производя 3D-сканирование. Расположение таких станций выбирается с целью лучшего охвата измерениями деталей и элементов объекта работ. Таким образом, сканирование выполняется с любых точек (где на объекте окажется возможным установить штатив с прибором), наиболее полно и с минимумом теневых зон. Производительность сильно зависит от насыщенности объекта измерений различными элементами. В условиях низкой насыщенности можно говорить о 10-20 Га за день работ одним сканером. При съёмке насыщенных промышленных объектов порой и 1 Га бывает отличным результатом. В НЛС производительность и объём работ правильнее измерять количеством сканов, а не площадью.Наземное лазерное сканирование

  • Мобильное лазерное сканирование (МЛС) работает в дециметровом диапазоне точностей (нормально 2-5 дециметров). В зависимости от качества съёмочного обоснования, от условий измерения траектории движения сканера и от характеристик самого объекта, возможно получение точностей 5-10 см. Поскольку лазерный сенсор располагается на транспортном средстве, то сканирование возможно лишь с пути его следования. То есть, в зону съёмки попадёт только то, что сканер «увидит» с дороги. Например, при сканировании здания ж/д вокзала с поезда, в съёмку попадёт только один фасад здания и вскользь — торцевые. Центральный фасад, привокзальная площадь и прочее — окажутся в тени. Производительность съёмки зависит от числа помех по ходу движения (встречные транспортные средства). Из-за них приходится переснимать участки, проезжая по одному маршруту несколько раз. Обычно, за день можно уверенно снять порядка 1000 Га., но производительность МЛС правильнее измерять погонными километрами дорог, а не площадью.Фото с сайта http://www.sabresurvey.com/

  • Воздушное лазерное сканирование (ВЛС) работает в метровом диапазоне точностей (нормально 0,5-1,2 метра). В зависимости от погодных условий полёта, от качества съёмочного обоснования, от условий измерения и корректировки траектории движения сенсора — возможно получение точностей порядка 30-40 см. Конечно, с подобной точностью план кровли под реконструкцию не получить, но плюсы технологии в другом. В отличии от предыдущих методов съёмки (пешком с земли и с транспортного средства), воздушная съёмка не ограничена возможным перемещением сенсора: «с верху видно всё». Теневые зоны будут лишь от возвышенных горизонтальных объектов (пышные кроны деревьев, навесы и крыши зданий). За один полётный день в благоприятных условиях возможно снять десятки тысяч гектар территории или коридоры протяжённых объектов (ЛЭП, дороги, трубопроводы).Воздушное лазерное сканирование

Отмечу, что применительно ко всем типам лазерных съёмок: повышение точности и детальности ведут к существенному увеличению как технических мероприятий, так и трудовых затрат, а значит — к удорожанию работ. Поэтому, в технических заданиях следует тщательнее соизмерять реальные потребности с бюджетом конкретного проекта. То есть тезис «Снять нужно абсолютно всё и как можно точнее» — это всегда окажется дорого. А вот конкретика: «Интересуют несущие строительные конструкции с точностью 4 см.» — смета сразу окажется в 2-3 раза меньше.

Далее рассмотрим типы 3D-съёмок подробнее.

Воздушное лазерное сканирование

Современная 3D-технология "воздушное лазерное сканирование" (ВЛС) – это качественное развитие традиционных аэрофотосъёмочных технологий. Сканирование проводится с борта летящего самолета или вертолета и позволяет за один полётный день выполнить съёмку тысяч гектар поверхности земли. Получаемые трёхмерные данные содержат полную пространственно-геометрическую информацию о рельефе местности, растительном покрове, гидрографии и расположении всех наземных объектов в полосе съёмки. При больших объёмах, стоимость работ ВЛС существенно дешевле, чем привычная топографическая съёмка тахеометрами.

Воздушное лазерное сканирование

Сегодня ВЛС активно используется при:

Лазерное сканирование ЛЭП
  • создании топографических планов различных масштабов вплоть до 1:1000;

  • построении цифровых моделей местности;

  • исследовании линейных и площадных объектов;

  • управлении водным и лесным хозяйством;

  • изучении природных и техногенных процессов;

  • инвентаризации земельно-имущественного комплекса;

  • градостроительстве, моделировании процессов развития города;

  • инспекции линий электропередач;

  • строительстве и реконструкции автомобильных и железных дорог.

Основу технологии ВЛС составляет система LIDAR. Название - транслитерация английского "Light Identification, Detection and Ranging", означат получение и обработку информации об удалённых объектах с помощью лазерной сканирующей системы.

Основные характеристики системы:

  • Система LIDAR позволяет с воздушного судна измерять расстояния до всех видимых объектов на поверхности земли.

  • За одну секунду выполняется порядка 300 тысяч измерений (точек) на поверхности объектов.

  • Съёмка территории ведётся полосами с углом обзора порядка 60 градусов.

  • Результат лазерного сканирования: массив измерений (облако точек), представленный в единой системе координат. После постобработки - топопланы масштаба от 1:1000, трёхмерные цифровые модели местности.

  • Точность данных, полученных системой LIDAR, зависит от используемого оборудования, GPS-обстановки и условий полёта.

Данные ВЛС

Преимущества технологии ВЛС:

  • Съёмка с высоты полёта позволяет получить недоступные с земли элементы объектов.

  • Из-за минимума горизонтальных «слепых зон» — высокая детальность материалов.

  • Все данные поступают сразу в цифровом виде.

  • Возможность получения истинного рельефа таких труднодоступных и чересчур обременительных для съемки традиционными методами мест как: тундра, пустыня, заснеженная территория.

  • Быстрое получение результата сканирования: массив измерений (облако точек), представленный в единой системе координат. После постобработки – топографические планы масштаба от 1:1000 и трёхмерные цифровые модели местности.

На борту судна во время воздушной съемки

Мобильное лазерное сканирование

Допустим, необходимо выполнить не привычную планово-высотную съёмку, а полноценную трёхмерную съёмку, например, городского района. ВЛС быстро и качественно позволяет снимать наклонно-горизонтальные поверхности площадных объектов. При этом, фронтальные поверхности объектов снимутся значительно хуже. Конечно же можно дополнить съёмку, применив технологии НЛС. Но у этих технологий существенная разница в производительности. Решение простое: система LIDAR немного трансформируется и устанавливается на автомобиль. При этом, либо увеличивается число сканирующих лазерных сенсоров, либо используется один широкоугольный. Как и в ВЛС, сканирование осуществляется в постоянном движении и реальном времени. Это и есть мобильное лазерное сканирование (МЛС). Система может быть установлена на любое передвижное средство, например, поезд.

Фото с сайта http://www.sabresurvey.com/

Методика МЛС позволяет проводить съемку всех объектов по курсу движения транспортного средства. Здания, сооружения, дорожное полотно, уличная инфраструктура, ЛЭП, мосты, туннели и т.д. Принципы и точность съёмки схожы с ВЛС.

Работы могут производиться в любое время суток не мешая транспортному потоку. Средняя скорость движения съемочного комплекса – до 70 км/час. Так, поезд, оборудованный подобной системой, способен в течение суток отснять около 1200 погонных километров путей (в одном направлении) с шириной полосы сканирования в десятки метров. Автомобилю достаточно 2-3 раза проехать по улице, что бы получить не только дорожную инфраструктуру улицы, но и прилегающие к ней территории.

Фото с сайта http://www.sabresurvey.com/

МЛС используется в следующих сферах:

  • дорожное хозяйство;

  • электроэнергетика;

  • градостроительство

  • территориальное планирование;

  • жилищно-коммунальное хозяйство;

  • трубопроводное строительство;

  • экологический мониторинг;

  • мониторинг чрезвычайных ситуаций.

Данные МЛС

Преимущества технологии МЛС:

  • Мобильная сканирующая система равномерно покрывает измерениями (облаком точек) всё, что попадает в поле зрения.

  • Работы могут производиться в любое время суток, при этом, не мешая транспортному потоку.

  • Средняя скорость движения съемочного комплекса довольно велика и составляет 60-70 км/час.

  • Применение МЛС позволяет экономить время и трудозатраты при съемке протяженных объектов и городских кварталов.

  • Технология позволяет производить первые измерения по облаку точек уже спустя несколько часов после съемки.

Фото с сайта http://www.sabresurvey.com/

Наземное лазерное сканирование

ВЛС и МЛС хороши для топосъёмки больших территорий. На объектах, где их применение нецелесообразно (из-за низкой точности, внутри зданий и сооружений, в местах с повышенной детализацией), успешно применяется технология наземного лазерного сканирования (НЛС). Методы НЛС позволяют выполнять съёмку не только снаружи, но и внутри сложных инженерных сооружений.

Лазерное сканирование ГРЭС

НЛС на сегодняшний день, - самый оперативный способ получения точной и полной информации об геометрических параметрах объекта. Наземное сканирование применяется при съёмке зданий, мостов, путепроводов, эстакад, надземных коммуникаций, цехов заводов, энергетических объектов, линейных объектов, для построения модели рельефа и топографической съёмки локальных участков земли.

Цветное облако точек

Сканирование производится с точки установки штатива (станции), обзор составляет 360*320 градусов. Как правило, сканирование объекта выполняется с нескольких станций. Используя методы классической геодезии, данные ЛС приводятся к единой системе координат. В зависимости от условий, одним сканером за один день на объекте можно выполнить порядка сотни станций. На каждой станции в автоматическом режиме выполняются десятки миллионов измерений объекта с точностью 1-5 мм. Миллиметровая плотность покрытия измерениями (точками) позволяет детализировать в итоговой съёмке (облаке точек) даже самые малые элементы объекта.

Результат съёмки: облако точек, состоящее из миллиардов точных измерений исследуемого объекта в заданной системе координат. Никакими иными методами подобного результата невозможно достичь за соизмеримые сроки исполнения. Облако точек – это реальная трёхмерная модель объекта съёмки. Облако точек можно использовать для производства любых линейных и угловых измерений, выполняя их на обычном компьютере. Векторизацией облака точек можно получить 3D-модель объекта в привычной среде проектирования, например — в AutoCAD или AVEVA.

Сравнение модели и реальности по данным лазерного сканирования в AVEVA

Технология НЛС применима в следующих областях:

  • энергетика;

  • нефтегазовая отрасль;

  • промышленное производство;

  • добыча полезных ископаемых;

  • промышленное и гражданское строительство;

  • инженерные коммуникации;

  • железные и автомобильные дороги;

  • архитектура, археология, сохранение памятников и исторических объектов.

Облако точек ГРЭС

НЛС незаменимо при проектировании и реконструкции объектов, поскольку является источником достоверной информации об объекте и окружающей его обстановке.

Преимущества технологии НЛС:

  • Результат лазерного сканирования: огромный массив измерений (облако точек), представленный в единой системе координат. После постобработки – трёхмерные цифровые модели, сечения и чертежи в масштабах от 1:1.

  • Высочайшая детальность получаемых материалов.

  • Высокая скорость сбора данных.

  • Все данные поступают сразу в цифровом виде.

  • Точность регистрации сканов в общем облаке точек порядка 10 мм.

  • Съемка происходит дистанционно, что исключает риск травмирования персонала в опасных зонах на производстве.

Сшивка сканов в FARO SCENE

Сегодня большинство программ для проектирования имеют возможность загружать и использовать облака точек для моделирования и отслеживания коллизий в процессе строительства. По облаку точек, полученному в итоге лазерной съёмки, можно выполнить моделирование элементов объекта с представлением результатов в любую среду автоматизированного проектирования: Autodesk, AVEVA, Bentley, ESRI, Intergraph и другие.

Круговая фотопанорама

Примеры правильного выбора типа лазерной съёмки

  • Можно ли по данным МЛС получить фасадные чертежи? Можно, однако, точность и плотность не соответствуют требованиям для фасадной съёмки. К тому же, привлекаемое оборудование и ресурсы будут в 7 раз дороже ресурсов НЛС. Необходимо использовать технологию НЛС.

  • Можно ли с помощью технологии НЛС получить план масштаба 1:2000 будущего водохранилища Богучанской ГЭС? Можно, но это будет неэффективно. Самолёт с оборудованием ВЛС на борту отсканирует быстрее при существенном удешевлении стоимости работ за счёт низких трудозатрат.

  • Какую применить технологию для получения плана масштаба 1:500 ровного земельного участка 50Га под будущее строительство? Для этих работ любое ЛС будет малоэффективным по трудозатратам. Такие объекты выполняются обычными топографами, используя методы классической геодезии.

  • Можно ли при восстановлении исполнительной документации оборудования цеха газового предприятия обойтись простой геодезией и не использовать дорогие лазерные сканеры? Можно, но такая работа по трудозатратам будет в тысячи раз ёмче и сопряжена со множеством человеческих ошибок. В итоге получится существенное удорожание работ.

  • А есть ли такие проекты, в которых возможно совместное использование всех трёх технологий ЛС? Да, возможно любое сочетание, поскольку, работа выполняется в едином координатном пространстве. Например, используя технологию ВЛС, с самолета отсканировали территорию города Пенза, затем, двигаясь по улицам, с помощью технологии МЛС с автомашины сканировали фасады зданий и объекты инфраструктуры, затем, посредством технологии НЛС, со штатива сканировали внутренние помещения домов и сооружений. Посредством геодезических методов, все три массива измерений приводятся к единой СК и обобщённый массив станет детальной трехмерной моделью города на дату производства измерительных работ (съёмки).

FARO Focus S150