Облако точек лазерного сканирования

ava
Акрополь-Гео


«Акрополь-Гео»

Что такое облако точек

 

Лазерное сканирование (ЛС) на сегодняшний день считается одним из самых передовых методов сбора цифровой пространственной информации. Основные преимущества устройств лазерного сканирования включают высокую точность, возможность автоматизации процесса сбора данных и отличную разрешающую способность измерений. Результатом таких измерений является трёхмерное облако точек, точно воспроизводящее геометрию исследуемых объектов. Современные лазерные сканеры стали более компактными и мобильными, их точность и производительность возросли многократно.



Лазерные сканирующие системы способны выполнять миллионы измерений в секунду, а объёмы создаваемых облаков точек могут достигать нескольких сотен гигабайт, что требует значительных вычислительных ресурсов для последующей обработки данных. Существует большое количество алгоритмов для обработки облаков точек, таких как построение полигональных поверхностей и цифровых моделей рельефа, сегментация по разным критериям, объединение нескольких облаков точек, сбор статистики, фильтрация, создание проекций и многое другое.

 

Основные особенности облака точек:

  • Неупорядоченность. Точки в облаке не связаны друг с другом и не образуют упорядоченную структуру, такую как сетка или полигоны. Каждая точка независима от остальных
  • Плотность. Число точек в облаке может варьироваться в зависимости от разрешения сканера и расстояния до объекта. Более близкие объекты будут иметь большую плотность точек, чем удалённые
  • Разрешение. Качество сканирования определяется количеством точек, приходящихся на единицу площади. Высокое разрешение означает большее число точек на единицу площади, что улучшает детализацию объекта
  • Цветовая информация. Некоторые сканеры могут присваивать каждой точке цветовой код, соответствующий реальному цвету объекта, что помогает в дальнейшем анализе и визуализации данных

 

Облачные точки являются основным источником информации для дальнейшего анализа и обработки, таких как создание трёхмерных моделей, картографирование, мониторинг деформаций и многие другие приложения

 

Лазерный сканер — это система дистанционного зондирования, которая позволяет быстро и точно измерять расстояния до поверхности сканируемого объекта. Многие современные модели лазерных сканеров способны окрашивать облако точек, используя встроенную цифровую камеру. Сегодня выделяют три типа лазерного сканирования: наземное лазерное сканирование (НЛС), мобильное лазерное сканирование (МЛС) и воздушное лазерное сканирование (ВЛС). Эти виды различаются методами привязки к глобальной системе координат, а также точностью и плотностью итогового облака точек.

 

НЛС идеально подходит для обследования закрытых пространств, таких как помещения, тоннели, пещеры и прочие подобные объекты. Эта технология используется для создания обмерных чертежей фасадов, топографических планов местности в масштабе 1:500 и прочих аналогичных задач. НЛС позволяет обследовать объекты с размерами до 0,5–2 см с точностью до 0,5–5 мм. Производительность НЛС составляет примерно 1000–4000 квадратных метров при съемке фасадов в масштабе 1:50 и 4–20 гектаров при съемке топографических планов масштаба 1:500 в сутки, что немного уступает другим видам лазерного сканирования.

 

Мобильное лазерное сканирование (МЛС) является одним из самых передовых и высокопроизводительных методов съемки местности на сегодняшний день. Для проведения измерений используется мобильный лазерный сканер, оснащённый несколькими лазерными сенсорами и камерами, который обычно устанавливают на автомобиль или иное транспортное средство, такое как водный транспорт или железнодорожный подвижной состав. Привязка результатов сканирования к заданной системе координат осуществляется с помощью навигационного блока, размещённого на движущейся платформе и включающего в себя один или несколько приёмников глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) и инерциальную навигационную систему. МЛС способно обеспечивать необходимую точность при скоростях до 100 км/ч для съемки масштаба 1:100-1:200 с плотностью до 4000 точек на квадратный метр. Средняя производительность метода составляет до 500 погонных километров в день при ширине полосы сканирования до 250 метров.

 

Воздушное лазерное сканирование (ВЛС) представляет собой современный метод сбора геопространственной информации о местности. ВЛС применяется для высокоточного картографирования линейных и площадных объектов в масштабах 1:500–1:5000 с использованием воздушных носителей, таких как самолёты, вертолеты или автожиры. Принцип метода заключается в измерении множества точек, принадлежащих земной поверхности и объектам на ней, посредством лазерного сканера (лидар), установленного на борту движущегося воздушного судна. Важнейшие характеристики ВЛС включают плотность точечной модели местности — до 15-20 точек на квадратный метр, точность точечной модели — до 5-7 см по высоте и 7-8 см в плане, а также разрешение изображений на местности (детализация аэрофотосъёмки и создаваемых на её основе ортофотопланов) — до 4-5 см.

 

Данные, полученные в ходе лазерного сканирования, представляют собой облако точек. Облако точек — это неупорядоченное множество точек в трёхмерном пространстве, являющееся результатом трёхмерного сканирования объекта и отображающее поверхность этого объекта. Современные сканирующие системы способны выполнять измерения с невероятной скоростью — свыше миллиона точек в секунду. Это приводит к тому, что общее количество точек в облаках может исчисляться сотнями миллионов или даже миллиардами. Обработка столь огромных объёмов данных предъявляет серьёзные требования к вычислительным мощностям.



Обработка данных ЛС

 

Процесс обработки данных лазерного сканирования включает в себя несколько этапов, некоторые из которых автоматизированы, а другие требуют участия оператора. Количество и состав этапов могут отличаться в зависимости от типа сканирования (наземное, мобильное, воздушное), специфики задачи, качества исходных данных и требуемой точности. На каждом этапе могут применяться различные алгоритмы для преобразования облака точек:

  1. Этап получения данных:

  • Подготовка оборудования и планирование съемки

  1. Этап съемки:

  • Калибровка оборудования
  • Сбор данных инерциальных систем и ГНСС
  • Фиксация контрольных точек
  • Непосредственное получение данных лазерного сканирования

  1. Первичная обработка данных:

  • Совместная обработка инерциальных и ГНСС-данных
  • Уравнивание облаков точек
  • Устранение флуктуаций

 

Эти этапы обычно выполняются с использованием специализированного программного обеспечения, разработанного производителями систем лазерного сканирования, что усложняет внесение изменений в существующие процессы.

 

После получения первичных данных начинается этап обработки данных, включающий в себя:

  1. Предобработку:

  • Загрузку облака точек во внутренний формат представления

Подготовку структур данных, таких как структуры разбиения пространства, ускоряющие операции пространственного поиска

  1. Обработка облака точек:

  • Применение алгоритмов обработки к загруженному облаку точек и подготовленным структурам данных. Алгоритмы могут включать фильтрацию шума, прореживание, классификацию, визуализацию и другие процедуры

 

Каждый из этих этапов требует тщательной настройки и оптимизации для эффективного использования возможностей лазерного сканирования и обработки больших объемов данных.

 

Методы организации и управления данными лазерного сканирования (ЛС), направленные на оптимизацию использования памяти, можно описать через концептуальную модель, показывающую, что выборка и хранение данных могут осуществляться двумя способами: либо с применением структур разбиения пространства (что ускоряет операции пространственного поиска), либо через последовательную выборку данных из неструктурированного облака точек. Чтобы ускорить вычисления, применяются специализированные структуры данных, которые разбивают объем, занятый облаком точек, на набор непересекающихся областей. Это позволяет однозначно определять принадлежность каждой точки к одной из этих областей. Благодаря использованию такой информации, становится возможным осуществлять поиск с учётом данных о смежности областей, а также применять более быстрые проверки соответствия критериям поиска для целых групп точек.



Инновации в области ЛС

 

Инновации в области сбора и хранения информации об облаках точек касаются как самих технологий сканирования, так и методов обработки и хранения данных. Вот основные направления инноваций:

1. Улучшение датчиков и сенсоров

  • Многоспектральные датчики. Новые сканеры теперь могут захватывать не только геометрию, но и дополнительную информацию, такую как спектральный состав поверхности, что расширяет возможности применения данных
  • Высокая плотность точек. Современные сканеры способны генерировать миллиарды точек, что повышает качество и детализацию собираемой информации
  • Интеграция с искусственным интеллектом (ИИ). Сканеры начинают использовать алгоритмы машинного обучения для автоматической классификации объектов прямо во время сканирования

2. Компактные и мобильные устройства

  • Дроны и роботы. Использование беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) и мобильных роботов для сканирования позволяет охватывать большие территории быстрее и дешевле
  • Миниатюризация. Появление миниатюрных лидаров и камер, которые можно устанавливать на небольшие устройства, увеличивает доступность технологий для массового пользователя

3. Обработка данных в реальном времени

  • Алгоритмы сжатия данных. Разработаны новые алгоритмы, позволяющие сжимать огромные объемы данных без потери качества, что снижает нагрузку на каналы передачи данных и хранилища
  • Распределённая обработка. Использование облачных сервисов и распределённых вычислений для параллельной обработки больших объёмов данных, что сокращает время обработки

4. Хранение и управление данными

  • Объёмные базы данных. Создание специализированных баз данных для хранения и управления огромными наборами данных, таких как NoSQL-базы данных, способные хранить и индексировать триллионы точек
  • Интерфейсы API. Интеграция данных с различными системами через открытые интерфейсы программирования (API), что позволяет легко обмениваться информацией между разными приложениями и платформами

5. Безопасность и конфиденциальность

  • Шифрование данных. Для защиты чувствительной информации внедряются механизмы шифрования как на уровне передачи данных, так и на уровне хранения
  • Анонимизация данных. Методы анонимизации и удаления личной информации из собранных данных для соблюдения нормативных требований и защиты конфиденциальности

6. Интерактивные инструменты визуализации

  • Иммерсивные среды. Использование виртуальной реальности (VR) и дополненной реальности (AR) для интерактивного просмотра и анализа облаков точек
  • Веб-приложения. Веб-интерфейсы, позволяющие пользователям просматривать и взаимодействовать с облаками точек через интернет-браузеры

 

Эти инновации делают работу с облаками точек более эффективной, доступной и безопасной, открывая новые горизонты для применения данных в различных отраслях, от строительства и картографии до медицины и археологии.

 

Облако точек в лазерном сканировании представляет собой ключевой элемент для цифрового представления реальных объектов и пространств. Облако точек служит основой для дальнейших аналитических операций, мониторинга изменений и принятия решений, что особенно важно в динамическом развитии.

 

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