Принцип лазерного сканирования

Лазерное сканирование представляет собой инновационную технологию создания цифровых трёхмерных моделей объектов путем определения точек с пространственными координатами. Основу данной методики составляют геодезические устройства – лазерные сканеры, способные производить измерения координат поверхности объектов с высокой скоростью, достигающей десятков тысяч точек в секунду.



Результатом съёмки становится так называемое «облако точек», которое может быть преобразовано в разнообразные форматы, такие как трёхмерные модели, планы и разрезы. Весь процесс сканирования автоматизирован, и участие оператора ограничивается подготовкой оборудования.

 

Эта технология считается одной из наиболее эффективных и оперативных методов получения подробных данных об объектах, будь то архитектурные сооружения, производственные комплексы, инженерные конструкции или другие объекты. Лазерное сканирование гарантирует высокую точность и полноту информации, что делает его востребованным в таких сферах, как архитектура, строительство и промышленная деятельность.

 

Трёхмерное лазерное сканирование базируется на определении множества трёхмерных координат X, Y и Z для каждой точки объекта, подлежащего исследованию. Для этого используется высокоточный лазерный дальномер, позволяющий оперативно собирать данные о пространственном положении точек.

 

После каждого замера лазерный луч меняет своё направление благодаря системе зеркал, поворачивающихся под определённым углом. Чем больше плотность этих узлов, тем выше детализация итоговой модели объекта. Современные лазерные дальномеры производят от нескольких сотен до десятков тысяч измерений в секунду. Получаемые результаты объединяются в крупные массивы точек, называемые облаками точек, которые могут содержать миллионы элементов.

 

Большинство популярных моделей лазерных сканеров оснащены импульсным лазерным дальномером. Отклонение лазерного луча по вертикали обеспечивается с помощью шагового электродвигателя, управляющего зеркалом. По горизонтали луч перемещается за счёт вращения самого сканера. Такая конструкция даёт возможность охватить всё окружающее пространство. Высокая угловая точность шаговых двигателей и лазерного дальномера обеспечивают максимальную точность полученных координат.

 

Зная расстояния, измеряемые дальномером, и углы отклонения лазерного луча в обеих плоскостях, можно рассчитать пространственные координаты каждой точки относительно системы координат сканера. Используя специальное программное обеспечение, эти данные могут быть переведены в любую необходимую систему координат.

Оснащение сканеров

 

Современные устройства для сканирования часто оснащены встроенными цифровыми фотокамерами, что значительно улучшает процесс получения данных. Это позволяет создавать панорамные изображения объекта, из которых можно извлекать только необходимые фрагменты. Такой подход не только экономит время, но и уменьшает объем данных, которые нужно обрабатывать, поскольку оператор может избежать лишнего сканирования.

 

Компьютер выполняет ключевую функцию в процессе лазерного сканирования, выполняя функцию управления и запоминания. Оператор, подключив компьютер к сканеру, может:

• Выбирать область сканирования
• Устанавливать необходимую плотность съемки
• Производить фотосъемку
• Определять координаты расположения сканера
• Отслеживать процесс сканирования
• Управлять сохранением полученных данных

 

Эти возможности делают процесс более гибким и эффективным, позволяя получать качественные результаты.

 

Технология съемки с лазерным сканером: подробности процесса

 

Успешное выполнение съемки зависит от множества факторов, включая геометрию объекта, его размер и наличие препятствий. Основными аспектами правильного проведения процедуры являются:

1. Подготовка к съемке. Перед началом съемки важно провести предварительное обследование объекта. Оператор должен оценить:

• Геометрию объекта. Сложные формы, такие как архитектурные конструкции, скульптуры или природные ландшафты, могут требовать особого подхода
• Наличие препятствий. Строительные конструкции, деревья или другие объекты могут создавать «мертвые зоны», где сканер не сможет захватить данные

2. Многократная перестановка сканера. В большинстве случаев для полного захвата всех деталей объекта требуется несколько позиций сканирования, что связано с:

• Ограниченным полем зрения. Каждый сканер имеет определенное поле зрения, и для получения полной картины может потребоваться перемещение устройства
• Сложной формой. Если объект имеет выступающие части или углубления, они могут быть недоступны для сканирования с одной точки

Оператор планирует маршрут для перемещения сканера, чтобы минимизировать количество «мертвых зон» и обеспечить максимальное перекрытие между облаками точек, полученными с разных позиций.

3. Установка ориентиров и марок. Для успешного объединения облаков точек, полученных с разных позиций, используются специальные ориентиры или марки:

• Физические мишени. Яркие, контрастные объекты, которые легко распознаются программным обеспечением
• Характерные точки на объекте. Если мишени невозможно установить, можно использовать естественные особенности объекта

Программное обеспечение использует марки для сопоставления данных из разных сканирований. Это позволяет создать единое облако точек, представляющее объект в трехмерном пространстве. Для успешной трансформации облаков точек необходимо минимум три марки, видимые с соседних точек установки сканера. Это обеспечивает достаточную информацию для точного сопоставления и уменьшает вероятность ошибок.

4. Обработка данных. После завершения съемки оператор переносит данные на компьютер, где начинается этап обработки. Программное обеспечение выполняет следующие задачи:

• Объединение облаков точек. На основе информации о марках программное обеспечение «сшивает» облака точек в единое целое
• Удаление шумов и лишних данных. Оператор может очистить полученные данные от нежелательных элементов, таких как отражения или помехи
• Создание 3D-моделей. После обработки данных создаются точные 3D-модели, которые можно использовать для анализа, проектирования или визуализации

Технология съемки с лазерным сканером требует тщательной подготовки и внимательного подхода к каждому этапу процесса. Многократная перестановка сканера и использование ориентиров позволяют получать высококачественные данные, которые являются основой для создания точных 3D-моделей. Эта технология находит широкое применение в архитектуре, строительстве, промышленности и многих других областях, обеспечивая высокую точность и детальность.

 

Обработка и визуализация данных

 

Сканирование — это лишь один из этапов. Перед началом работы важно определить, нужна ли трехмерная модель или достаточно плоского чертежа. Это повлияет на плотность получаемых точек и время, затрачиваемое на сканирование. Если требуется детальное описание объекта, можно получить большой объем данных в виде облаков точек.

 

Следующий этап — выделение необходимой информации из полученного набора данных. Это может быть разрез объекта или трехмерная модель. Специализированное программное обеспечение позволяет измерять расстояния в труднодоступных местах и создавать чертежи на основе сканирования. Также возможно создание анимации с облетом облаков точек и трехмерной модели. Однако работа с большими массивами данных требует мощных компьютеров и емких накопителей, что делает ресурсы компьютера важным аспектом в процессе лазерного сканирования.

 

Как работает сканирующая система

 

Сканирующие системы обычно функционируют на основе использования импульсного лазерного дальномера. Основной принцип их работы заключается в том, что лазерные импульсы направляются через систему зеркал, которые отклоняют луч в нужное положение. Чаще всего применяется две пары зеркал: одна управляет вертикальным смещением луча, другая — горизонтальным. Эти зеркала приводятся в движение высокоточными сервоприводами, обеспечивая точное позиционирование лазерного луча на объекте.

 

Когда лазерный импульс сталкивается с объектом, он возвращается назад к сканирующему устройству. Зная угол поворота зеркал в момент измерения и рассчитанное расстояние до объекта, система вычисляет координаты каждой точки на поверхности. Управление всей процедурой сканирования производится с помощью подключённого ноутбука или планшета, на которых запущено специализированное ПО. Координаты всех точек передаются на устройство по интерфейсу и сохраняются в виде базы данных.

 

У сканера есть определённое поле зрения, и первоначальная настройка на объект может выполняться с применением встроенной цифровой камеры либо путём выполнения пробного низкокачественного сканирования. Изображения, поступающие с камеры, выводятся на экран компьютера, позволяя оператору визуализировать расположение прибора. Сканирование может производиться как по всему доступному полю зрения, так и выборочно, что помогает сосредоточиться на конкретных участках объекта.

 

В ряде случаев сканирование проводится поэтапно, поскольку поле зрения ограничено, а форма объектов бывает сложной. Например, чтобы отсканировать все четыре стены здания, может понадобиться несколько позиций сканера. Данные, собранные с разных точек, затем объединяются в общее пространство с помощью специализированного программного обеспечения. Чтобы успешно объединить облака точек, важно заранее предусмотреть перекрывающиеся участки и установить на них специальные маркеры. Этот этап планирования критически важен, потому что именно по этим меткам будет происходить «стыковка» отдельных частей облака точек.

 

Теоретически возможно совмещать облака точек и без применения маркеров, опираясь лишь на характерные особенности объекта, но такой подход может снизить точность результата. Использование же маркеров существенно повышает качество данных и упрощает последующую обработку.



Преимущества технологии наземного лазерного сканирования

 

Следует выделить несколько ключевых преимуществ наземного лазерного сканирования, которые делают эту технологию особенно привлекательной:

1. Мгновенная трехмерная визуализация позволяет сразу получить детализированные 3D-модели объектов, что значительно облегчает анализ и планирование.
2. Сканеры обеспечивают точность измерений, которая превосходит традиционные методы, что критически важно для многих проектов.
3. Технология позволяет собрать данные о всей поверхности объекта, включая сложные геометрические формы, что невозможно с помощью обычных методов съемки.
4. Сканирование может происходить очень быстро, что сокращает время на полевые работы и позволяет оперативно получать результаты.
5. Сканирование труднодоступных и опасных объектов позволяет избежать рисков для операторов, так как они могут работать на безопасном расстоянии.

 

Если говорить о финансовых затратах, то стоимость сбора данных и моделирования объектов с помощью наземного лазерного сканирования на малых участках часто сравнима с традиционными методами. Но когда речь идет о крупных площадях или протяжённых территориях, затраты обычно оказываются ниже. Даже если расходы на проведение съёмок схожи, высокая точность и качество результатов, обеспечиваемые наземным лазерным сканированием, помогают сократить дополнительные траты на стадии проектирования, строительства и последующей эксплуатации объекта.

 

Что касается времени, сравнение традиционных методов с лазерным сканированием теряет смысл — разница может составлять целые порядки, что делает применение лазерного сканирования предпочтительным вариантом для большинства проектов.

 

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