Технологии трехмерного наземного лазерного сканирования

Что такое лазерное сканирование?

Что необходимо сделать для построения точной трехмерной модели здания или чертежа цеха? Безусловно, сначала провести измерения и получить координаты всех объектов (пространственные x,y,z или x,y на плоскости), а затем уже представить их в нужном графическом виде. Именно измерения координат объекта, иначе говоря, съёмка, составляют наиболее трудоемкую и затратную часть всей работы. Как правило, геодезисты или другие специалисты, проводящие измерения, используют современное оборудование, в первую очередь электронные тахеометры, которые позволяют получать координаты точек с точностью нескольких миллиметров.

Принцип работы электронного тахеометра основан на отражении узконаправленного лазерного пучка от отражающей цели и измерении расстояния до нее. Отражателем в общем случае служит специальная призма, которая крепится на поверхности объекта. Измерение двух углов (вертикального и горизонтального) и расстояния дает возможность вычислить трехмерные пространственные координаты точки отражения. Скорость измерения тахеометра невысока (не более 2 измерений в секунду). Такой метод эффективен при съемке разреженной, малозагруженной объектами площади, однако даже и в этом случае сложность, с которой приходится сталкиваться при креплении отражающих призм (на большой высоте, в труднодоступном месте), зачастую оказывается непреодолимой.

Относительно недавнее появление безотражательных электронных тахеометров, которые работают без специальных отражателей, произвело «бархатную» революцию в геодезии — теперь стало можно проводить измерения без долгих и утомительных поисков лестниц для подъема отражателя под крышу дома, всевозможных подставок для установки призмы над полом в помещении с высокими потолками и других подобных сложностей — достаточно лишь навестись на необходимую точку, ведь луч может отражаться от любой ровной поверхности.

При использовании метода традиционных тахеометрических измерений, сколько времени, например, потребуется для детальной съемки фасада здания высотой 20 м или цеха металлургического завода площадью 2 га? Недели, месяцы? Применение безотражательного тахеометра может значительно сократить сроки, но, тем не менее, даже в данном случае специалист проведет за прибором долгие часы и дни. А с какой же плотностью он сможет выполнить съемку фасада — одна точка на квадратный метр? Навряд ли этого будет достаточно для построения высококачественного подробного чертежа со всеми необходимыми элементами. А теперь представьте, что у вас есть безотражательный тахеометр, который ведет съемку автоматически, без участия оператора, со скоростью 5 тысяч измерений в секунду! Еще совсем недавно такое предложение представлялось не менее фантастичным, чем полет на Луну сто лет назад. Сегодня это стало так же реально, как и следы американских астронавтов или русского «Лунохода» на поверхности нашего небесного соседа. Название этого чуда — лазерное сканирование — метод, позволяющий создать цифровую модель всего окружающего пространства, представив его набором точек с пространственными координатами.

Отличия лазерного сканера от электронного тахеометра

Основные отличия лазерного сканера от любых традиционных тахеометров — гораздо большая скорость измерений, полностью автоматизированный сервопривод, поворачивающий измерительную головку в обеих (как горизонтальной, так и вертикальной) плоскостях и, самое главное, — скорость (до 5000 измерений в секунду, или в среднем — два-три полных рабочих дня измерений обычным тахеометром) и плотность (до десятков точек на 1 квадратный сантиметр поверхности)! Полученная после измерений 3D модель объекта представляет собой гигантский набор точек (от сотен тысяч до нескольких миллионов), имеющих координаты с высочайшей, миллиметровой точностью. Не нужно больше смотреть в окуляр тахеометра, выискивая необходимую цель, не нужно нажимать на кнопку для запуска дальномера и записи полученных данных в память, и, наконец, не нужно бесконечно переставлять прибор для поиска наиболее выгодной для съемки позиции. Теперь это можно делать всего с одной точки стояния без участия оператора и в сотни раз быстрее, сохраняя при этом требуемую точность.

Разумеется, сканирование — не чудесный талисман, позволяющий решить все проблемы простым нажатием кнопки. Законы физики, теория электромагнитного излучения не позволяют нам выполнять измерения сквозь стены, трубы, любые непрозрачные объекты, вынуждая производить несколько сканов с различных точек для получения актуальной, полной и цельной картины, но, несмотря на эти обстоятельства, лазерное сканирование — гораздо более быстрый, а, главное, в сотни раз более информативный метод получения данных об объекте. 

Как работает лазерный сканер?

Принцип работы 3D лазерного сканера тот же, что и обыкновенного тахеометра — измерение расстояния до объекта и двух углов, что, в конечном итоге, дает возможность вычислить координаты. Лазерный пучок исходит из излучателя, отражается от поверхности объекта и возвращается в приемник. Вращающаяся призма (или зеркало) распределяет пучок по вертикали с заранее заданным шагом (например, в 0,1°). Таким образом, в отдельно взятом вертикальном скане будут измерены все точки с дискретностью в 0,1° (так, при максимальном вертикальном угле 3D сканирования в 140° их будет, соответственно, 1400). Затем сервопривод автоматически поворачивает блок измерительной головки на угол, равный шагу измерения (при той же дискретности в 0,1° полный оборот сканера состоит из 3600 отдельных вертикальных плоскостей). В итоге полная цифровая картина окружающего пространства будет представлена в виде набора из 5040000 точек. Пять миллионов точек с высокой точностью за 30 минут работы! Более полную цифровую картину не может предоставить никакой другой из известных способов. Как правило, весь процесс съемки полностью автоматизирован. Данные измерений в реальном времени записываются на внешний или внутренний носитель.

Схематично любой лазерный сканер можно разделить на несколько основных блоков: 

— измерительная головка (как правило, в ней расположен лазерный излучатель и приемник);
— вращающаяся призма, обеспечивающая распределение пучка в вертикальной плоскости;
— сервопривод горизонтального круга, вращающий измерительную головку в горизонтальной плоскости;
— компьютер (внешний, внутренний), предназначенный для управления съемкой и записи данных на носитель.

Как обрабатываются данные в лазерном сканировании?

После того, как произведены все измерения, начинается процесс обработки полученных данных. Изначально «сырые измерения» представляют собой набор («облако») точек, который необходимо представить в виде чертежей или схем в формате CAD. Разумеется, никакое существующее программное обеспечение не может в настоящее время успешно разрешить проблему распознавания образов ни в автоматическом, ни в полуавтоматическом режиме с той степенью достоверности, которая необходима пользователю. Именно по этой причине весь процесс обработки данных требует участия человека — без кропотливого ручного труда в ближайшем будущем не обойтись. Процесс обработки зависит от желаемого конечного результата, от того, что конкретно нужно получить: это может быть непосредственно и само облако точек, триангуляционная поверхность (TIN), набор сечений, план, сложная трехмерная модель, либо просто набор измерений (длины, периметры, диаметры, площади, объемы).

В целом, обработка данных в лазерном сканировании состоит из нескольких основных этапов, которые перечислены ниже.

Сшивка сканов.
Как правило, во время съемки сканирование производится последовательно с нескольких точек для полного покрытия всей поверхности объекта. При обработке полученных данных для создания единой точечной 3D модели необходимо произвести объединение (сшивку) отдельных сканов в один. Существует множество методов сшивки сканов с разной степенью автоматизации. Часто используется метод совмещения сканов по опорным точкам, которые отображаются на смежных сканах. В качестве таких точек могут использоваться специальные призмы, светоотражающие пластины или наклейки, имеющие более высокий коэффициент отражения, и поэтому вполне однозначно определяемые. Если лазерный сканер имеет компенсатор наклона (как, например, реализовано в сканере Trimble GX), то требуется всего одна исходная опорная точка.

Трансформирование координат.
Для точного представления будущего чертежа или схемы необходимо задание определенной единой координатной системы. Начало системы координат каждого отдельного скана находится в центре измерительной головки сканера. При перемещении этого центра изменяется и положение начала системы координат скана. Для связи всех координат объекта, полученных из разных сканов, необходимо выбрать единую систему координат, определить в ней центр 3D сканирования для каждого случая (например, с помощью электронного тахеометра) и затем трансформировать все полученные координаты в единую систему.

Создание поверхностей.
Наиболее сложный и основной процесс обработки — представление «облаков» точек математически описываемыми поверхностями. Как правило, математический аппарат прикладного программного обеспечения позволяет создавать простейшие правильные математические поверхности (плоскость, сфера, цилиндр и прочие), либо аппроксимировать поверхность триангуляционным методом (TIN-поверхность). Созданные подобным образом поверхности вполне могут быть представлены в стандартных форматах файлов DXF, IGES, VRML, SAT, STL, DGN и, соответственно, могут быть экспортированы в любые CAD и 3D-приложения. Если лазерное сканирование сопровождается цифровой видео- или фотосъемкой, то в процессе обработки полученных данных можно совместить сканированное изображение объекта с его видеоизображением, придав скану реальные цвета.

Где применяется лазерное сканирование?

Как многие технические новшества и технологии, недавно вышедшие из лабораторий ученых, лазерное сканирование находится только в начале пути освоения разнообразных приложений. Но уже сейчас можно перечислить несколько технологических сфер, где сканеры применяются все более активно:
— съемка промышленных объектов (заводы, нефтеперерабатывающие заводы, сложное производство);
— съемка мостов;
— съемка и профилирование тоннелей;
— промышленные измерения (определение объемов резервуаров);
— горная промышленность;
— реставрация и строительство;
— архитектура и археология.

Конечно, у технологии лазерного сканирования большое будущее, и список будет дополняться новыми, может быть, на первый взгляд, невозможными приложениями. Однако совершенно очевидно уже сегодня: лазерное сканирование быстрее, точнее и информативнее, чем большинство существующих методов измерений.