Воздушное, мобильное и наземное лазерное сканирование

---

В данной статье рассмотрим:

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

---

Лазерное сканирование — это высокоскоростное измерение расстояния от сканера до поверхности объекта, при этом регистрируются углы замера с последующим формированием трёхмерного изображения в виде облака точек.

Виды сканирования

Воздушное

Наземное

Мобильное

Чем различаются наземное, мобильное и воздушное лазерное 3D-сканирование?

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.

• 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.

• 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).

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 в геодезии

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.

Основу технологии воздушного лазерного сканирования поверхности 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 местности и объектов: 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.

​

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.

Мобильное лазерное сканирование в геодезии

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, съемка осуществляется в постоянном движении и реальном времени. Это и есть мобильное лазерное 3д сканирование (МЛС). Система может быть установлена на любое передвижное средство, например, поезд.

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.

МЛС используется в следующих сферах:

• дорожное хозяйство;

• электроэнергетика;

• градостроительство

• территориальное планирование;

• жилищно-коммунальное хозяйство;

• трубопроводное строительство;

• экологический мониторинг;

• мониторинг чрезвычайных ситуаций.

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.

Наземное лазерное сканирование в геодезии

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.

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.

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.

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.

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

Преимущества технологии НЛС:

• Результат лазерного сканирования сооружений: 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.

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.

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).

---