Применение лазерного сканирования

ava
Акрополь-Гео


«Акрополь-Гео»

Автоматизация различных отраслей производства стремительно развивается благодаря быстрому прогрессу цифровых технологий. В области геодезии этот процесс привел к созданию инновационных устройств для сбора геопространственных данных — систем лазерного сканирования.

 

Основой данной технологии является формирование цифровой трёхмерной модели объекта, которая представляет собой совокупность точек с заданными пространственными координатами. Этот массив точек называют «облаком точек», которое после соответствующей обработки можно преобразовать в 3D-модель, 2D-чертежи, наборы сечений и использовать для проведения разнообразных аналитических расчетов. Лазерное сканирование стало мощным инструментом для решения множества прикладных задач. Одним из важных применений этой технологии является обнаружение изменений на территории городов и промышленных объектов. Современное развитие технологий лазерного сканирования существенно упростило процесс создания цифровых 3D-моделей. Хотя эта технология относительно нова, её можно считать естественным продолжением эволюции безотражательных методов в геодезическом оборудовании.



Сегодня существует несколько типов сканеров и методов лазерного сканирования. Наземное, мобильное и воздушное лазерное сканирование позволяют получать наборы точек с геопространственными координатами, на основании которых строятся трёхмерные модели окружающего пространства.

 

Наземное лазерное сканирование (НЛС) — это передовой способ сбора и регистрации пространственных данных. Во время сканирования происходит автоматическая фиксация координат каждой точки на поверхности объекта с определённым шагом. Скорость сканирования может превышать миллион точек в секунду, а плотность точек варьируется от сотен до тысяч на квадратный метр. Поле обзора сканирующего устройства составляет 360 градусов вокруг оси вращения прибора. В процессе работы встроенная система визуализации отображает на экране сканера изображение, позволяя оператору следить за процессом.

 

Точность определения координат в НЛС зависит от конкретной модели сканера и расстояния до объекта; она колеблется от нескольких миллиметров до пары сантиметров. В зависимости от сложности задачи и требований проекта, НЛС может использоваться вместе с другими методами съёмки, такими как тахеометрия, нивелировка, мобильное и воздушное лазерное сканирование.

 

Принцип действия лазерного сканирования основан на измерении геопространственных координат точек на поверхности объекта. Сканирующее оборудование использует импульсный или фазовый дальномер и угломерный прибор для измерения расстояния до объекта и направления лазерного луча. Специальное программное обеспечение затем обрабатывает полученные данные и вычисляет трёхмерные координаты. Для вертикального отклонения лазерного луча используется призма или вращающееся зеркало, обеспечивая вертикальную развёртку прибора. Горизонтальная развёртка осуществляется путём вращения самого сканера вокруг своей оси с установленной скоростью. Чем плотнее расположены точки, тем больше деталей удаётся зафиксировать. Плотность сканирования определяет расстояние между измеряемыми точками и может составлять доли миллиметра.

 

Некоторые наземные лазерные сканеры оснащены встроенной или дополнительной цифровой камерой, что позволяет интегрировать фотографии в процесс съёмки. Это даёт возможность окрасить точки лазерных отражений в реальные цвета, улучшая визуализацию данных и облегчая их последующую обработку, включая текстурирование. В зависимости от модели сканера, координаты точек могут фиксироваться в локальной системе координат с точностью до 0,2 мм.

 

Данные, собранные с разных точек съемки, формируют отдельные «сканы», которые затем «сшиваются» в единую модель геометрического пространства с использованием специализированного программного обеспечения. Эти сканы также привязываются к нужной системе координат. Точность совмещения отдельных «сканов» достигает нескольких миллиметров, и вся работа проводится в соответствующем программном обеспечении.

 

Для того чтобы избежать появления «мертвых зон», съемка ведется с нескольких позиций, особенно если на пути встречаются препятствия или объекты, затрудняющие прямую видимость.

 

После выравнивания данных получается единое облако точек, которое предоставляет полное представление о геометрии и визуальных характеристиках объектов. Такое облако может быть преобразовано в векторную 3D-модель или в двухмерные планы с помощью различных программных инструментов.

 

Одним из наиболее современных методов съемки сегодня является мобильное лазерное сканирование (МЛС), напоминающее наземное лазерное сканирование, однако отличающееся тем, что сканирование производится в движении. Сканер устанавливается на транспортное средство, и съемка идет синхронно с движением автомобиля, достигающего скоростей до 40 км/ч. Такой подход позволяет собирать пространственные данные с высокой производительностью и точностью, варьирующейся до первых сантиметров.

 

Системы МЛС могут устанавливаться на автомобили, железнодорожные платформы, суда и другие транспортные средства, в зависимости от конкретных условий и задач. Сканирование охватывает пространство на расстоянии до нескольких сотен метров во всех направлениях. Плотность точек зависит от расстояния до объекта и скорости движения, достигая от нескольких единиц до тысячи точек на квадратный метр.



Мобильная сканирующая система включает два основных компонента: навигационный блок и измерительный блок. Измерительный блок выполняет непосредственно сканирование объектов, тогда как система позиционирования отслеживает траекторию движения сканера. Каждый сканер способен измерять расстояния до 200 метров, обеспечивая общую частоту измерений до 600 тысяч в секунду. Вращение призмы позволяет отклонять сканирующий луч на полный круг (0–360 градусов). Вместе с определением расстояния регистрируется угол отклонения луча, что позволяет рассчитать координаты точек в системе координат сканера. Таким образом, формируется «развертка» облака точек в поперечном направлении. Продольное разворачивание обеспечивается самим движением транспортного средства.

 

Высокоточная система позиционирования, включающая ГНСС-приемник и инерциальный блок, обеспечивает временную и координатную привязку полученных данных. ГНСС-приемник синхронизирует все элементы системы и определяет текущее местоположение сканера с частотой 1 Гц. Инерциальная система, используя данные ГНСС-приемника, устанавливает исходное положение и затем обновляет координаты и углы ориентации сканера с частотой 200 раз в секунду. Однако инерциальная система подвержена «дрейфу», то есть снижению точности со временем, поэтому её нужно регулярно корректировать с помощью данных ГНСС-приемника. Обычно коррекция происходит каждую секунду, но даже при кратковременном отсутствии сигнала (до 30 секунд) точность снижается незначительно — всего на 1–2 сантиметра. Средняя квадратичная ошибка (СКО) определения пространственных координат в нормальных условиях эксплуатации составляет от 2 до 5 сантиметров, в зависимости от факторов, таких как PDOP и расстояние до базовой станции. После постобработки данных всех компонентов МЛС создается облако точек вдоль траектории движения сканера в выбранной системе координат. Фотокамеры снимают изображения автоматически с определенной частотой, до 20 кадров в секунду, что помогает придать точкам реальный цвет и облегчить дальнейшую интерпретацию и текстурирование цифровых моделей.

 

Помимо наземного лазерного сканирования (НЛС), широко применяется воздушное лазерное сканирование (ВЛС) — топографо-геодезический метод для сбора геопространственных данных о рельефе и наземных объектах. Хотя ВЛС превосходит мобильное лазерное сканирование (МЛС) по скорости сбора данных, оно заметно уступает ему в точности и детализации. Основной инструмент этого метода — лазерный сканер, установленный на летательном аппарате.

 

Навигационная часть мобильной сканирующей системы работает на основе взаимодействия спутниковой навигационной системы и инерциальной системы в реальном времени. Воздушное лазерное сканирование зачастую оказывается самым быстрым, а порой и единственно возможным способом сбора данных о реальной поверхности, особенно в труднодоступных районах и зонах, покрытых растительностью.

 

Итогом воздушного лазерного сканирования становится трехмерный массив точек лазерных отражений, разделённых по принципу «земля/не земля». Плотность этих точек может доходить до нескольких десятков на квадратный метр, а точность определения их координат составляет менее 10 см по горизонтали и высоте. В результате создаётся цифровая модель рельефа высокой плотности и точности, служащая основой для ортофотопланов, цифровых топографических карт масштаба 1:500 и мельче, а также для построения трёхмерных моделей рельефа и различных объектов.

 

Лазерное сканирование на сегодняшний день является высокоэффективным инструментом для решения множества прикладных задач в различных областях человеческой деятельности. Оно активно используется в инженерных изысканиях, нефтегазовой промышленности, горнодобывающем секторе, электроэнергетике, строительстве и обслуживании инженерных сооружений, а также в дорожной и лесной отраслях, геологии, кадастровом учёте, береговой геодезии, архитектуре и археологии.



Этот метод находит своё применение в широком спектре задач, среди которых стоит отметить исполнительную трёхмерную съёмку зданий и сооружений, определение объёмов насыпи и выемки грунта, проектирование и строительство инженерных объектов, профилирование и анализ деформационных процессов в туннелях, проведение изыскательских работ вдоль трасс проектируемых автодорог и железных дорог, геологическую и промышленную съёмочную деятельность, мониторинг состояния архитектурных сооружений, крупномасштабное топографическое картирование площадных и линейных объектов в масштабе 1:500, 1:1000 и мельче, создание цифровых моделей рельефа и местности, маркшейдерскую поддержку взрывных работ, планирование и контроль перемещений, установку крупных конструктивных элементов или оборудования, проектирование и сооружение береговых сооружений, таких как причалы и дамбы, моделирование сложных технических объектов и узлов для реконструкционных нужд, реставрационные работы над памятниками архитектуры, инвентаризационную оценку объектов недвижимости и постановку их на учёт, наблюдение за эрозией почв, таксацию лесов, исследование археологических раскопок и мониторинг деформационных процессов в сооружениях.

 

Кроме того, данный метод незаменим при создании высокоточных цифровых моделей сложных технологических объектов и узлов, необходимых для планирования реконструкционных мероприятий. Он также играет важную роль в мониторинге архитектурных памятников, обеспечивая своевременное выявление возможных дефектов и повреждений, требующих ремонта или реставрации. Лазерное сканирование позволяет эффективно проводить топографические исследования больших площадей и протяжённых объектов, предоставляя точные данные для проектирования и строительства.

 

Таким образом, возможности лазерного сканирования охватывают широкий спектр задач, связанных с исследованием, проектированием, строительством и эксплуатацией различных объектов, что делает эту технологию незаменимой в современном мире.

 

Для консультации или заказа услуги нажмите кнопку «Оставить заявку» или свяжитесь с нами по телефону +7 (495) 649-22-40 или по email info@acropol-geo.ru