Системы лазерного сканирования

Акрополь-Гео
«Акрополь-Гео»
крутите вниз
- Главная ›
- Статьи ›
- Публикации ›
- Системы лазерного сканирования
За последние десять лет при мониторинге городских инфраструктурных объектов всё чаще стали использовать данные, полученные посредством лазерного сканирования. Этот современный вид съёмки предоставляет подробную информацию о местности. На базе данных лазерного сканирования создаются топографические планы и трёхмерные модели. Данный метод нашёл своё применение в таких сферах, как строительство, дорожное хозяйство, архитектура, нефтегазовая промышленность, энергетика и другие. Например, в железнодорожной и автомобильной отраслях с помощью лазерного сканирования выявляются дефекты дорожных покрытий и железнодорожных путей, строятся их продольные и поперечные профили, создаются трёхмерные модели объектов и выполняются их паспортизация.
.jpg)
Основой лазерного сканирования является следующий принцип. Лазерный локатор генерирует короткие импульсы, которые направляются через оптическую систему и сканирующий элемент. Эти импульсы движутся по прямой линии в направлении объекта съёмки. Когда импульс сталкивается с преградой, лазерный луч отражается. Часть отражённого сигнала возвращается к лазерному локатору и фиксируется приёмником излучения, что позволяет рассчитать расстояние от прибора до объекта.
Лазерное сканирование делится на три основных вида: наземное, воздушное и мобильное. Первым появилось наземное сканирование. Изначально такая система состояла лишь из лазерного сканера, но позже в неё начали интегрировать GPS-приемники, позволяющие получать данные прямо в системе внешних координат. Воздушное и мобильное лазерное сканирование сложнее и требуют дополнительной предварительной обработки данных.
Система воздушного лазерного сканирования обычно включает в себя сам сканер, системы GPS и IMU, цифровую камеру и блок управления. Блок управления отвечает за контроль над всеми устройствами, система IMU (инерциальная система) отслеживает ускорение и углы наклона съёмочного устройства, а система GPS измеряет текущие внешние координаты системы. Предварительная обработка данных включает их калибровку и уравнивание. Во время калибровки определяются поправки к внешним параметрам ориентации GPS-антенны и сканирующего блока: географическим координатам Xг, Yг, Zг антенны, курсовым углам Hs, углам крена Rs и тангажа Ps сканера. Калибровка может проводиться либо до, либо после основных измерений; в последнем случае один из отснятых участков местности выбирается в качестве тестового. На этапе уравнивания ищутся местные поправки для каждой точки траектории перемещения системы, и найденные поправки вносятся в данные траектории и координаты точек лазерных отражений (ТЛО).
Система мобильного лазерного сканирования аналогична воздушной, но отличается числом используемых сканеров и камер. В мобильную систему может входить от двух до четырех сканеров и такого же числа камер. Принципы обработки данных мобильного сканирования аналогичны принципам воздушного сканирования.
Решение о выборе конкретного вида лазерного сканирования определяется задачами, которые предстоит решить. Для небольших объектов подходит наземное лазерное сканирование, для больших площадных объектов площадью свыше 1000 гектаров рациональнее использовать воздушное, а для сравнительно коротких линейных объектов эффективнее будет применить мобильное сканирование. Воздушное сканирование позволяет оперативно получать данные о местности, но стоит дороже остальных методов. Оно особенно полезно для съемки труднодоступных участков, таких как лесные массивы и болотистые территории. На представленных примерах видно, что точки лазерных отражений, полученные наземным сканированием, отображаются по интенсивности отраженного сигнала, воздушные данные представлены по классам объектов, а мобильные — в цвете, заимствованном с фотографий.

Помимо площади объектов, выбор метода сканирования зависит и от требуемой точности данных. Наиболее точный результат дает наземное сканирование с погрешностью 2–5 мм, мобильная технология обеспечивает точность порядка 5 см, а воздушное сканирование — около 15–20 см. Исходя из площади съемки, особенностей местности и необходимой точности, можно подобрать оптимальный метод для решения конкретных задач.
Воздушное сканирование целесообразно использовать для мониторинга протяженных промышленных объектов, таких как нефтепроводы и линии электропередачи, для съемки лесных зон и создания трехмерных моделей городов. Мобильное сканирование рекомендуется для контроля состояния дорожного покрытия, железнодорожных путей, оценки технического состояния туннелей и моделирования городской инфраструктуры. Наземное сканирование применимо там, где требуется максимальная точность, например, при создании трехмерных моделей объектов, таких как пролеты мостов, плотины, лифты и башни.
Итак, лазерное сканирование представляет собой передовой и универсальный метод получения трёхмерных данных об объектах и эффективного решения разнообразных задач при мониторинге природных и промышленных объектов. Комбинация различных видов лазерного сканирования позволяет увеличить информативность и точность конечного продукта.
Классификация систем ЛС
Лазерное сканирование осуществляется с целью получения пространственной информации о земной поверхности, природных и искусственных объектах. Результатом процедуры является облако точек лазерных отражений (ТЛО).
В зависимости от объекта съемки и требований к создаваемой продукции комплект системы лазерного сканирования может включать:
Система лазерного сканирования может устанавливаться на стационарную платформу (штатив) или на подвижный носитель (воздушное или водное судно, автомобиль, железнодорожную платформу, тележку, рюкзак).
Основные характеристики систем лазерного сканирования включают в себя:

Выбор системы сканирования
При выборе системы лазерного сканирования для выполнения конкретных видов работ необходимо ориентироваться на требования технического задания к создаваемой продукции, экономические показатели, технические характеристики системы, которые должны обеспечивать нужную точность, плотность ТЛО и производительность выполняемых работ с учётом действующих нормативно-технических документов на продукцию.
Применение систем воздушного лазерного сканирования (ВЛС) экономически оправдано для быстрого получения пространственной информации на крупные по площади территории или протяжённые линейные объекты вне транспортных путей. В зависимости от условий съёмки воздушное лазерное сканирование может осуществляться с пилотируемых или беспилотных воздушных судов (ПВС и БВС).
Целесообразность выбора ПВС или БВС в значительной степени определяется назначением лидарной съёмки, требованиями к конечному продукту и ТЛО (например, ЦМР для съёмки рельефа с шагом 1,0 м или подробная 3D-модель городской территории), характеристиками воздушных судов и установленных на них лидаров, которые доступны. Учитывая эти факторы, следует выбирать оптимальный по соотношению цена/время вариант.
При планировании применения ВЛС с ПВС необходимо учитывать следующие условия:
Применение ВЛС с БВС должно зависеть от размеров, расположения объекта съёмки и характеристик используемого лидара и БВС. Для БВС с продолжительностью полёта до 2 часов:
Для БВС с продолжительностью полёта от 2 до 6 часов:
Для участков площадью в несколько квадратных километров достаточно использовать мультикоптеры или беспилотные воздушные суда самолётного типа с электродвигателем и продолжительностью полёта до одного часа.
Для участков площадью в несколько десятков квадратных километров целесообразно применять БВС с электрическим двигателем и продолжительностью полёта 2-4 часа.
Для участков площадью в несколько сотен квадратных километров желательно использовать БВС вертикального взлёта и посадки с двигателем внутреннего сгорания (ДВС) или гибридным двигателем и продолжительностью полёта 8-10 часов.

Общие требования к системам ВЛС для ПВС и БВС:
Дополнительные требования к системам ВЛС для БВС:
Выбор между воздушным и наземным лазерным сканированием должен определяться назначением результатов сканирования и предъявляемыми к ним требованиями.
Применение стационарных систем наземного лазерного сканирования (НЛС) должно быть обоснованным с учётом размеров объектов съёмки, их доступности, а также требований к плотности и точности получаемых ТЛО. Основные направления использования стационарных систем НЛС включают крупномасштабную съёмку ограниченных по площади территорий, включая участки с высокой концентрацией конструктивных элементов, например, при съёмке объектов нефтегазовой отрасли, состоящих из множества трубопроводов, кабельных эстакад, производственных зданий, резервуаров и прочего, а также решение маркшейдерских задач.
Наземное мобильное лазерное сканирование применяется как для площадных, так и для линейно-протяжённых объектов, на которых возможна установка сканирующих лазерных систем на моторизированные платформы, а объекты сканирования находятся в зоне прямой видимости на протяжении всего маршрута движения мобильной системы.
Примерами линейных протяжённых объектов, для которых подходят мобильные системы НЛС, служат автомобильные и железные дороги, реки и каналы, линии электропередач и связи, нефте- и газопроводы, если эти объекты расположены вдоль автомобильных или железных дорог (при условии видимости с мобильной платформы).
Системы лазерного сканирования предоставляют широкий спектр возможностей для получения точных трёхмерных данных о различных объектах. Наземное лазерное сканирование идеально подходит для небольших объектов, где важна высокая точность и детализация. Воздушное лазерное сканирование является оптимальным выбором для больших площадных объектов, таких как города, промышленные зоны и лесные массивы. Мобильное лазерное сканирование сочетает в себе преимущества наземного и воздушного сканирования, обеспечивая высокий уровень детализации и удобства использования на линейных объектах, таких как дороги, железные дороги и речные русла. Мобильные системы обеспечивают хорошее соотношение между скоростью и качеством, делая их удобными для регулярного мониторинга транспортной инфраструктуры.
Каждая из этих систем имеет свои уникальные преимущества и области применения, и выбор той или иной системы зависит от масштаба и характера объекта, а также от требований к точности и детализации.
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
.jpg)
Основой лазерного сканирования является следующий принцип. Лазерный локатор генерирует короткие импульсы, которые направляются через оптическую систему и сканирующий элемент. Эти импульсы движутся по прямой линии в направлении объекта съёмки. Когда импульс сталкивается с преградой, лазерный луч отражается. Часть отражённого сигнала возвращается к лазерному локатору и фиксируется приёмником излучения, что позволяет рассчитать расстояние от прибора до объекта.
Лазерное сканирование делится на три основных вида: наземное, воздушное и мобильное. Первым появилось наземное сканирование. Изначально такая система состояла лишь из лазерного сканера, но позже в неё начали интегрировать GPS-приемники, позволяющие получать данные прямо в системе внешних координат. Воздушное и мобильное лазерное сканирование сложнее и требуют дополнительной предварительной обработки данных.
Система воздушного лазерного сканирования обычно включает в себя сам сканер, системы GPS и IMU, цифровую камеру и блок управления. Блок управления отвечает за контроль над всеми устройствами, система IMU (инерциальная система) отслеживает ускорение и углы наклона съёмочного устройства, а система GPS измеряет текущие внешние координаты системы. Предварительная обработка данных включает их калибровку и уравнивание. Во время калибровки определяются поправки к внешним параметрам ориентации GPS-антенны и сканирующего блока: географическим координатам Xг, Yг, Zг антенны, курсовым углам Hs, углам крена Rs и тангажа Ps сканера. Калибровка может проводиться либо до, либо после основных измерений; в последнем случае один из отснятых участков местности выбирается в качестве тестового. На этапе уравнивания ищутся местные поправки для каждой точки траектории перемещения системы, и найденные поправки вносятся в данные траектории и координаты точек лазерных отражений (ТЛО).
Система мобильного лазерного сканирования аналогична воздушной, но отличается числом используемых сканеров и камер. В мобильную систему может входить от двух до четырех сканеров и такого же числа камер. Принципы обработки данных мобильного сканирования аналогичны принципам воздушного сканирования.
Решение о выборе конкретного вида лазерного сканирования определяется задачами, которые предстоит решить. Для небольших объектов подходит наземное лазерное сканирование, для больших площадных объектов площадью свыше 1000 гектаров рациональнее использовать воздушное, а для сравнительно коротких линейных объектов эффективнее будет применить мобильное сканирование. Воздушное сканирование позволяет оперативно получать данные о местности, но стоит дороже остальных методов. Оно особенно полезно для съемки труднодоступных участков, таких как лесные массивы и болотистые территории. На представленных примерах видно, что точки лазерных отражений, полученные наземным сканированием, отображаются по интенсивности отраженного сигнала, воздушные данные представлены по классам объектов, а мобильные — в цвете, заимствованном с фотографий.

Помимо площади объектов, выбор метода сканирования зависит и от требуемой точности данных. Наиболее точный результат дает наземное сканирование с погрешностью 2–5 мм, мобильная технология обеспечивает точность порядка 5 см, а воздушное сканирование — около 15–20 см. Исходя из площади съемки, особенностей местности и необходимой точности, можно подобрать оптимальный метод для решения конкретных задач.
Воздушное сканирование целесообразно использовать для мониторинга протяженных промышленных объектов, таких как нефтепроводы и линии электропередачи, для съемки лесных зон и создания трехмерных моделей городов. Мобильное сканирование рекомендуется для контроля состояния дорожного покрытия, железнодорожных путей, оценки технического состояния туннелей и моделирования городской инфраструктуры. Наземное сканирование применимо там, где требуется максимальная точность, например, при создании трехмерных моделей объектов, таких как пролеты мостов, плотины, лифты и башни.
Итак, лазерное сканирование представляет собой передовой и универсальный метод получения трёхмерных данных об объектах и эффективного решения разнообразных задач при мониторинге природных и промышленных объектов. Комбинация различных видов лазерного сканирования позволяет увеличить информативность и точность конечного продукта.
Классификация систем ЛС
Лазерное сканирование осуществляется с целью получения пространственной информации о земной поверхности, природных и искусственных объектах. Результатом процедуры является облако точек лазерных отражений (ТЛО).
В зависимости от объекта съемки и требований к создаваемой продукции комплект системы лазерного сканирования может включать:
- Сканирующий модуль (лидар)
- Модуль инерциального измерительного устройства (ИИУ) — опционально для стационарной лазерной системы
- Модуль приемного устройства глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС) со спутниковой антенной — опционально для стационарной и переносной лазерной системы
- Фото или видеосъемочная система — опционально
- Аэрофотоустановку (АФУС) — опционально
- Программное обеспечение для планирования, проведения съемки и обработки результатов лазерного сканирования
Система лазерного сканирования может устанавливаться на стационарную платформу (штатив) или на подвижный носитель (воздушное или водное судно, автомобиль, железнодорожную платформу, тележку, рюкзак).
Основные характеристики систем лазерного сканирования включают в себя:
- Метрологические характеристики. Основными метрологическими характеристиками систем лазерного сканирования, влияющими на выбор системы для решения конкретных задач в заданных условиях, являются:
- Дальность действия
- Точность определения пространственных координат (по плану и по высоте)
- Технические характеристики. Основными техническими характеристиками систем лазерного сканирования являются:
- Максимальная частота повторений лазерных импульсов
- Частота сканирования
- Количество принимаемых отражений
- Наличие режима MPiA (количество импульсов, одновременно находящихся в воздухе)
- Угол сканирования (для наземных систем — по горизонтали и по вертикали)
- Вид оптической развертки
- Дивергенция
- Угловое разрешение (по горизонтали и по вертикали)
- Эксплуатационные характеристики. Основными эксплуатационными характеристиками систем лазерного сканирования являются:
- Габаритно-весовые характеристики
- Характеристики энергопотребления

Выбор системы сканирования
При выборе системы лазерного сканирования для выполнения конкретных видов работ необходимо ориентироваться на требования технического задания к создаваемой продукции, экономические показатели, технические характеристики системы, которые должны обеспечивать нужную точность, плотность ТЛО и производительность выполняемых работ с учётом действующих нормативно-технических документов на продукцию.
Применение систем воздушного лазерного сканирования (ВЛС) экономически оправдано для быстрого получения пространственной информации на крупные по площади территории или протяжённые линейные объекты вне транспортных путей. В зависимости от условий съёмки воздушное лазерное сканирование может осуществляться с пилотируемых или беспилотных воздушных судов (ПВС и БВС).
Целесообразность выбора ПВС или БВС в значительной степени определяется назначением лидарной съёмки, требованиями к конечному продукту и ТЛО (например, ЦМР для съёмки рельефа с шагом 1,0 м или подробная 3D-модель городской территории), характеристиками воздушных судов и установленных на них лидаров, которые доступны. Учитывая эти факторы, следует выбирать оптимальный по соотношению цена/время вариант.
При планировании применения ВЛС с ПВС необходимо учитывать следующие условия:
- Ограниченный доступ к объекту для других видов транспорта
- Продолжительность полёта воздушного судна не менее 4 часов
- Время полёта от аэродрома базирования и обратно не превышает 20-25% от общего времени полёта
- Нижний предел высоты сканирования с учётом требований инструкций по безопасности применения лазерного излучения для зрения человека
Применение ВЛС с БВС должно зависеть от размеров, расположения объекта съёмки и характеристик используемого лидара и БВС. Для БВС с продолжительностью полёта до 2 часов:
- Площадь снимаемого за один полет объекта составляет примерно 10 квадратных километров
- Протяжённость трассы до 50 погонных километров
Для БВС с продолжительностью полёта от 2 до 6 часов:
- Площадь снимаемого за один полет объекта варьируется от 10 до 50 квадратных километров
- Протяжённость трассы от 50 до 150 погонных километров
Для участков площадью в несколько квадратных километров достаточно использовать мультикоптеры или беспилотные воздушные суда самолётного типа с электродвигателем и продолжительностью полёта до одного часа.
Для участков площадью в несколько десятков квадратных километров целесообразно применять БВС с электрическим двигателем и продолжительностью полёта 2-4 часа.
Для участков площадью в несколько сотен квадратных километров желательно использовать БВС вертикального взлёта и посадки с двигателем внутреннего сгорания (ДВС) или гибридным двигателем и продолжительностью полёта 8-10 часов.

Общие требования к системам ВЛС для ПВС и БВС:
- Максимальная высота аэросъёмки
- Точность определения пространственных координат
- Максимальная частота импульсов
- Частота сканирования
- Угол сканирования
- Количество отражений (не менее 4)
Дополнительные требования к системам ВЛС для БВС:
- Габариты лидара
- Масса лидара
- Энергопотребление
Выбор между воздушным и наземным лазерным сканированием должен определяться назначением результатов сканирования и предъявляемыми к ним требованиями.
Применение стационарных систем наземного лазерного сканирования (НЛС) должно быть обоснованным с учётом размеров объектов съёмки, их доступности, а также требований к плотности и точности получаемых ТЛО. Основные направления использования стационарных систем НЛС включают крупномасштабную съёмку ограниченных по площади территорий, включая участки с высокой концентрацией конструктивных элементов, например, при съёмке объектов нефтегазовой отрасли, состоящих из множества трубопроводов, кабельных эстакад, производственных зданий, резервуаров и прочего, а также решение маркшейдерских задач.
Наземное мобильное лазерное сканирование применяется как для площадных, так и для линейно-протяжённых объектов, на которых возможна установка сканирующих лазерных систем на моторизированные платформы, а объекты сканирования находятся в зоне прямой видимости на протяжении всего маршрута движения мобильной системы.
Примерами линейных протяжённых объектов, для которых подходят мобильные системы НЛС, служат автомобильные и железные дороги, реки и каналы, линии электропередач и связи, нефте- и газопроводы, если эти объекты расположены вдоль автомобильных или железных дорог (при условии видимости с мобильной платформы).
Системы лазерного сканирования предоставляют широкий спектр возможностей для получения точных трёхмерных данных о различных объектах. Наземное лазерное сканирование идеально подходит для небольших объектов, где важна высокая точность и детализация. Воздушное лазерное сканирование является оптимальным выбором для больших площадных объектов, таких как города, промышленные зоны и лесные массивы. Мобильное лазерное сканирование сочетает в себе преимущества наземного и воздушного сканирования, обеспечивая высокий уровень детализации и удобства использования на линейных объектах, таких как дороги, железные дороги и речные русла. Мобильные системы обеспечивают хорошее соотношение между скоростью и качеством, делая их удобными для регулярного мониторинга транспортной инфраструктуры.
Каждая из этих систем имеет свои уникальные преимущества и области применения, и выбор той или иной системы зависит от масштаба и характера объекта, а также от требований к точности и детализации.
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