Обработка лазерного сканирования

ava
Акрополь-Гео


«Акрополь-Гео»

Научно-технический прогресс последних двух столетий привёл к значительному развитию и совершенствованию методов исследования множества научных областей. Не стали исключением и прикладная геодезия, и наземная фотограмметрия, которые играют важную роль в обеспечении различных сфер жизнедеятельности человечества необходимыми инструментами и технологиями для решения инженерных и прочих задач.

 

Сегодня в строительной и архитектурной практике широко используется тахеометрическая съёмка, позволяющая определять координаты объектов и представлять их в графическом виде. Несмотря на высокую точность данного метода, достигающую нескольких миллиметров, и скорость измерений, составляющую примерно две итерации в секунду, эти показатели оказываются недостаточными при работе с такими сложными объектами, как фасады зданий, крупные промышленные комплексы или сложные архитектурные сооружения. Ограниченное количество точек на квадратный метр также затрудняет точное отображение формы объектов.



Эти трудности удалось преодолеть благодаря внедрению инновационной технологии — лазерного сканирования. Лазерное сканирование, или лидар (Light Detection and Ranging), представляет собой методику создания цифровой трёхмерной модели объекта путём фиксации его в виде набора точек с пространственными координатами. Основой этой технологии выступают современные геодезические устройства — лазерные сканеры, оснащённые теодолитом, высокоточными лазерными дальномерами, системами зеркал и моторов, а также различными дополнительными модулями. Скорость измерений может варьироваться от нескольких сотен до миллиона операций в секунду, а точность достигает уровня от 5 до 1 миллиметра.

 

Полученные в процессе сканирования координаты точек объединяются в обширное облако точек, состоящее из сотен тысяч или даже миллионов элементов. Это облако точек служит основой для построения сверхточных трёхмерных моделей исследуемых объектов, а также для создания плоских чертежей отдельных фрагментов объекта или его разрезов.

 

Технология лазерного сканирования универсальна и подходит для исследования объектов разнообразной формы и размеров, будь то архитектурные памятники, здания, инженерные сооружения, промышленные установки или другие сложные конструкции. Лазерный сканер совмещает в себе теодолит, лазерный дальномер, сенсор, систему зеркал и моторов. Во время сканирования для каждой точки объекта фиксируются горизонтальные и вертикальные углы с помощью теодолита, расстояние измеряется лазерным дальномером, а интенсивность отражённого сигнала регистрируется сенсором.

 

Для регистрации параметров каждой точки объекта с установленным интервалом и в пределах видимого поля задают максимальные и минимальные значения диапазона горизонтальных и вертикальных углов, а также шаги их изменения. Эти настройки позволяют сканеру с помощью системы зеркал и моторов последовательно направлять лазерный луч под требуемыми углами и фиксировать параметры для каждой точки объекта в заданных границах. После преобразования координат всех точек модели в геодезическую систему координат формируется точечная модель, ориентированная относительно реального объекта. Обычно одной позиции сканера недостаточно для охвата всей площади объекта, поэтому выполняют несколько съемок с разных точек. В результате создаются отдельные точечные модели объекта, которые необходимо объединить в общую модель. Это осуществляется с помощью опорных точек в зонах перекрытия съемок. Иногда в роли связующих точек используют природные очертания объекта, оказавшиеся в перекрывающихся частях моделей. Облака точек двух моделей ориентируют друг относительно друга по опорным точкам, основываясь на специальных уравнениях. Далее общая модель всего объекта ориентируется относительно геодезической системы координат с использованием аналогичных уравнений.

 

Помимо определения положения точек объекта в пространстве, сканер также фиксирует интенсивность отраженного сигнала, которую на этапе постобработки можно представить в виде псевдоцветов. Для получения естественных цветов в каждой точке сканирования используют цифровую камеру, выполняя съемку объекта с различных ракурсов, либо камеру, интегрированную в сам сканер. В первом случае фотографии также подлежат ориентации в пространстве, тогда как во втором камера фиксирует всю область сканирования на каждой точке, и координаты изображений относительно облака точек уже известны, что устраняет необходимость в дополнительной ориентации. На этапе постобработки каждой точке модели присваивают соответствующее значение оптической плотности, что значительно улучшает информативность полученной точечной модели.

 

Облако точек (иначе называемое точечной моделью) представляет собой набор точек, полученных в результате 3D-сканирования реального объекта и описывающих его поверхность в трехмерной системе координат. Точечная модель также может быть создана на базе цифровой модели, не имеющей аналогов в физическом мире. Каждая точка облака характеризуется координатами XYZ, которые могут сохраняться в обычном текстовом файле, хотя существуют форматы, предлагающие альтернативные способы хранения данных. Например, выходной файл с 3D-сканера может содержать массив углов наклона линии, проведенной от начала координат сканера к точке объекта, вместе с расстояниями до этих точек. Сканирование может осуществляться с нескольких позиций, формируя множественные наборы данных. Дополнительно, данные сканирования могут включать метаданные, зависящие от типа применяемого 3D-сканера. Метаданными называют специализированные данные, собираемые в процессе измерения координат точек. Примерами таких метаданных для активных бесконтактных сканеров являются интенсивность отраженного сигнала, количество отражений, время фиксации точки, цвет поверхности и другие параметры. Точность воспроизведения поверхности объекта напрямую зависит от количества точек в облаке, что определяется разрешением сканера.

 

Облака точек обеспечивают оперативную визуализацию реальных объектов. Их широко используют для измерений и контроля объектов, 3D-печати, наглядного отображения труднодоступных или протяженных объектов, создания трехмерных и математических моделей, распознавания образов, автоматизированного анализа, реконструктивных и эксплуатационных задач, а также в качестве базы для обратного проектирования существующих объектов.

 

Для работы с облаками точек доступно множество специализированных программных решений. Среди наиболее популярных продуктов выделяются разработки таких компаний, как Autodesk (Revit, ReCap, InfraWorks, AutoCAD, Civil 3D), Leica (Cyclone, CloudWorx, Leica Geo Office), Bentley (Microstation, Pointools), Trimble (RealWorks) и других. Кроме того, существуют различные плагины и модули, которые расширяют функциональные возможности этих программных продуктов. В России также работают компании, специализирующиеся на разработке программного обеспечения для обработки данных лазерного сканирования. Среди ведущих отечественных аналогов в этой сфере можно выделить nanoCAD и ReClouds.



Процесс обработки данных при лазерном сканировании состоит из нескольких последовательных этапов, каждый из которых направлен на улучшение качества и точности конечных результатов. Вот основные этапы обработки данных:

 

1. Сбор данных. Первый этап заключается в самом процессе сканирования объекта. Лазерный сканер посылает световые импульсы и регистрирует возвращающиеся сигналы, фиксируя координаты точек объекта в пространстве. Данные собираются в виде «сырого» облака точек, которое представляет собой набор пространственных координат (X, Y, Z) каждой точки.

 

2. Предварительная фильтрация. На этом этапе удаляются лишние точки, вызванные шумом или ошибками измерения. Шум может возникать из-за погодных условий, отражающей способности материала объекта или других факторов. Фильтрация помогает избавиться от неверных данных и подготовить облако точек к дальнейшей обработке.

 

3. Регистрация и совмещение сканов. Часто для полного охвата объекта требуется провести несколько сканирований с разных точек. Поэтому следующим шагом является регистрация и совмещение отдельных сканов в одно общее облако точек. Этот процесс включает выравнивание и объединение данных, снятых с разных позиций, для создания единого целостного изображения объекта.

 

4. Классификация точек. Следующий важный этап — классификация точек. Она подразумевает распределение точек по категориям в зависимости от их принадлежности к различным элементам сцены. Например, точки могут быть разделены на категории «земля», «растительность», «строения» и т.д. Это помогает упростить последующую обработку и анализ данных.

 

5. Коррекция геопривязки. Чтобы данные соответствовали реальному положению объекта в пространстве, проводится геопривязка. Она включает в себя сопоставление координат точек с системой географических координат, используя опорные пункты или другую геодезическую информацию.

 

6. Постобработка и генерация конечных продуктов. Завершающие этапы включают окончательную очистку и редактирование данных, создание готовых продуктов, таких как топографические карты, ортофотопланы, цифровые модели рельефа (DEM) и другие. Постобработка может также включать добавление атрибутивной информации, такую как цвета, текстуры и другие свойства объектов.

 

7. Экспорт и хранение данных. Готовые данные экспортируются в соответствующие форматы, удобные для дальнейшего использования в специализированных программах. Это могут быть файлы формата DXF, LAS, XYZ и другие. Экспортированные данные сохраняются для последующего анализа, проектирования или других целей.



Правильная обработка данных лазерного сканирования гарантирует высокое качество и точность конечных результатов, что делает этот метод незаменимым в различных инженерных и научных приложениях.

 

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