Наземное лазерное 3D сканирование. Особенности

Наземное лазерное 3D сканирование — это один из видов геодезических инженерных изысканий. Хотя этот метод съемки используется около 10 лет, широкое распространение он получил сравнительно недавно. Основным препятствием для развития это вида изысканий являлось как само оборудование (оно было сложным, громоздким), так и ограниченные вычислительные мощности компьютеров.

Сейчас сканеры стали быстрыми, их габариты позволяют перевозить эти приборы в ручной клади, а компьютеры и программы для обработки позволяют обрабатывать большие массивы данных.

Лазерные сканеры, используемые в геодезии, делятся на основных типа — это фазовые и импульсные.

Фазовые сканеры за счет своей скорости и точности наиболее подходят для изысканий в области строительства, архитектуры, промышленности, импульсные же хорошо себя зарекомендовали на больших площадных объектах, таких как съемка карьеров и месторождений. Бывают и сканеры специального назначения, это мобильные, воздушные, триангуляционные сканеры, а также мобильные SLAM системы.

В данной статье мы рассмотрим классические наземные лазерные сканеры.

Услуга наземного лазерного 3D сканирования в А-ЭКСПЕРТ

Используемый в А-ЭКСПЕРТ фазовый лазерный сканер Faro S150 - это прибор, который полностью соответствует всем современным требованиям. Благодаря его скорости и компактности один человек может оцифровывать до 1000 квадратных метров исследуемого объекта в день. Использование метода лазерной съемки в компании направлено на то, чтобы обеспечить максимальную достоверность исследуемого объекта.

Характеристики устройства: диапазон измерения расстояний от 0.6 до 150 метров, уровень шума облаков точек 0.3 мм при альбедо 90%, 3D точность 2 мм на десяти метрах и 3.5 мм на двадцати пяти метрах, двух осевой инклинометр позволяют получать качественные данные.

Следует отметить, что данный наземный лазерный сканер имеет сертификат о поверке и является средством измерений и внесен в государственный реестр.

Данный вид работ из-за недостаточной освещенности и сравнительной новизны оброс большим количеством мифов и слухов, которые зачастую мешают потенциальным заказчикам обратится к этой технологии.

Мы постараемся рассказать вам об особенностях этого метода измерений для того, что бы вы сделали правильный выбор.

Особенности, которые важно знать при работе с прибором

В глобальном смысле лазерное сканирование ничем не отличается от традиционных средств измерений.

Теодолит - хорошо знакомый прибор, который известен всем выпускникам геодезических и строительных учебных заведений, уже давно уступил свое место тахеометру.

Тахеометр - это, по сути, тот же теодолит, оснащенный лазером вместо оптического дальномера и встроенным компьютером, решающим все вычислительные задачи, которые студенты так долго и кропотливо изучают на лекциях.

Лазерный сканер - это следующая ступень эволюции, основанная на тех же принципах. Луч лазера в сканирующем устройстве направлен не на искомую цель как в тахеометре, а на зеркало, вращающееся с большой скоростью. Прибор вращается вокруг своей оси, и лазерный луч распространяется по всему пространству вокруг прибора.

Зеркало не только отражает луч, но и является приемником. Благодаря такому принципу действия можно за несколько минут получить цифровую копию объекта, как если бы геодезист с тахеометром задался бы целью делать съемку с шагом в несколько миллиметров. Современные устройства, такие как Faro S150 Plus, способны производить до 2 миллионов измерений в секунду! Следовательно, лазерный сканер — это своего рода сверхбыстрый теодолит, работающий в безотражательном режиме без участия оператора.

Он так же как и теодолит является оптическим прибором со всеми ограничениями, присущими этому виду измерений: объект должен находиться в прямой видимости, туман, пыль и другие частицы будут мешать лазерному лучу проходить путь от передатчика к приемнику, устройство должно быть установлено на штативе, который, в свою очередь, должен стоять на твердой поверхности.

Большим плюсом, который очень выручает при лазерной съемке является то, что прибор, в отличие от теодолита и тахеометра, может работать в абсолютной темноте, так как нет надобности наводиться на цель.

Задачи, которые решает наземное 3D сканирование

Рассмотрим основные задачи, которые можно решить методами лазерного сканирования и расскажем о некоторых особенностях возникающих при выполнении работ.

Фасадная съемка, обмерные чертежи.

Одной из первых задач которые стали решать лазерные сканеры — обмерные работы объектов архитектурного наследия, исторических зданий. Основным фактором принятия решения для использования этой технологии стал тот факт, что только сканирование может точно зафиксировать все нюансы сложнейших архитектурных элементов фасада, передать мельчайшие детали, которые будут недоступны фотограмметрическому методу и сделать все это в автоматическом режиме.

Сканер делает цифровой снимок объекта с заданной плотностью, которая может достигать одного миллиметра, что исключает возможность появления «белых пятен» при тахеометрической съемке. Помещения таких объектов никогда не бывают прямоугольными, а наличие узких коридоров и лестниц затрудняет обмеры стандартными методами.

Облака точек совмещаются друг с другом методом общих поверхностей, поэтому узкие коридоры, лестницы - это идеальные условия для «сшивки» смежных станций. Иногда в заданиях на обмеры присутствует такой пункт как съемка стропильной системы. Работы на чердаках всегда затрудненны из-за большого количества пыли, небольшого расстояния между полом и кровлей, а также отсутствием нормальной освещенности.

Для любых измерительных приборов, кроме сканера, это очень сложная и тяжелая работа. Сканер же просто переставляется с места на место и не требует никаких дополнительных действий.

Съемка памятников архитектуры, скульптур и интерьеров.

Фотограмметрический метод до недавнего времени был единственным способом выполнить эту работу. Сейчас, благодаря сканеру, эти задачи можно решать гораздо эффективнее. Модель строится по облаку точек с минимальным шагом и, в отличие от фотограмметрии, не подвержена искажениям из-за плохой освещенности или недостаточного перекрытия фотографий.

В процессе создания поверхности из облака точек есть возможность редактирования некорректно построенных участков вручную. Сканер Faro Focus s150 оснащен светосильной камерой, которая может производить съемку в HDR режиме. Отсутствие параллакса у этой модели позволяет создавать облака точек, раскрашенные в цвет объектов, с большой точностью, благодаря чему создается эффект присутствия на объекте.

В программах AutoCad и других САПР систем с каждым годом увеличивается количество инструментов для создания триангуляционных и nurbs поверхностей. Производители сканеров в настоящее время выпускают свое программное обеспечение для работы с облаками точек, которое ускоряет и облегчает работу инженеров. Скорость и удобство работы состоит в том, что инструменты по работе с облаками точек дополняют привычные инструменты среды в которой производятся создание проектов.

Съемка промышленных и строительных объектов.

Если перед заказчиком стоит задача получить модель сложного промышленного объекта такого как завод, электрическая подстанция и т.д., метод лазерного сканирования это отличное решение! Сложное переплетение труб, нагромождение оборудования, которое доставляет дополнительное неудобства при изысканиях для сканера не является проблемой. При выполнении съемки этим методом нет нужды в остановке производства: для работы нужен один человек, который аккуратно передвигается по территории завода с прибором и штативом.

Скорость съемки возрастает многократно, так как нет потребности в составлении сложных схем на месте. Если упростить описание этого метода, то со стороны будет похоже на фотофиксацию, только с той особенностью, что плохое освещение не является проблемой для сканера. Сканер, помимо раскрашенного облака точек, может выдавать фотопанорамы — это сделано для дополнительного удобства при моделировании ситуации. Также стоит отметить тот факт, что в настоящее время многие программные комплексы для моделирования содержат инструменты для автоматического вписывания труб с заданной конфигурацией по ГОСТу в облако точек. Это существенно упрощает и ускоряет процесс создания модели.

Еще одной особенностью сканирования - это принцип безотражательной съемки. Нет нужды подходить к объекту съемки. Это очень актуально при съемке мест, где присутствие человека опасно для его жизни, например электрические подстанции.

На строительных объектах сканер применяется для подсчета объемов грунта, построения цифровых моделей котлована, шахт и строительного контроля. Сейчас, если у предприятия есть BIM модель здания, есть возможность автоматического анализа проекта и облака точек в автоматическом режиме.

Такой метод работы позволяет оперативно получать результат о всем строительном объекте сразу в удобном графическом виде. Для лучшего понимания скорости такой работы можете представить небольшой трех подъездный трехэтажный дом для съемки которого понадобится всего день времени на объекте и день камеральный работы.

После этого вы сможете увидеть объемную модель вашего дома с цветовой диаграммой отклонений всех конструкций!

Тарировка резервуаров, моделирование емкостей.

На промышленных предприятиях часто встает вопрос о точном определении объема сложного резервуара или конфигурации закрытого склада. Тем предприятиям у которых хранятся большие объемы жидкостей промышленного назначения, например горюче-смазочные материалы, красители, возникает потребность в тарировке и создании градуировочных таблиц.

Сложность проведения таких работ состоит в том, что внутри этих резервуаров могут находиться различные трубы и другие конструктивные элементы, а следовательно, чтобы их снять, нужно как-то попасть внутрь. Без моделирования внутренних полостей модель будет неполной и смысл работы теряется, так как объем этих труб не будет вычтен из полезного объема.

Лазерный сканер может быть опущен через верхнее техническое отверстие в резервуар и сможет полностью оцифровать внутреннее пространство. Если же так сделать не получится, и человек все равно должен будет попасть внутрь, то вредный эффект будет минимален, так как время внутри одного резервуара не превысит десяти минут. Все те же принципы работают и на закрытых складах, где, как правило, также возникает много сложностей при съемке объекта. 

Другие задачи

Лазерный сканер это уникальный аппарат, часто он находит применение в решении задач, которые не связаны с изысканиями. К таким задачам можно отнести криминалистику и фиксирование дорожно-транспортных происшествий. В европейских странах такая практика уже применяется. Идея состоит в том, что сканер позволяет быстро сделать цифровую копию ситуации, которая потом может быть детально изучена в офисе и, так как облако точек фактически не поддается корректировке, это может служить доказательством в экспертизе.

Другой пример это световые шоу. Сейчас очень популярно на больших праздниках делать световые проекции на исторически значимых знаниях, это смотрится красиво и эффектно. Для того чтобы правильно определить место установки проекторов и создать проект шоу, нужна цифровая копия здания и прилегающей территории. Лазерный сканер успешно решает эту задачу.

Цифровые технологи все больше находят применение в решении повседневных задач. С каждым годом программное обеспечение становится более функциональным, многие процессы в обработке, моделировании по облакам точек автоматизируются. Это значит, что направление активно развивается и это дает нам повод предполагать, что технологии лазерного сканирования прочно войдут в нашу жизнь.

Свяжитесь с А-ЭКСПЕРТ для уточнения цены наземного лазерного сканирования и подготовки коммерческого предложения в сжатые сроки.

Автор: Гаврилин Юрий Михайлович. Руководитель отдела геодезии и лазерного сканирования в А-ЭКСПЕРТ. Опыт работы в сфере лазерного сканирования с 2013 года. Направления: строительный геодезический контроль, мобильное и наземное лазерное сканирование, топографическая съемка и сопровождение строительства. Заказать консультацию специалиста.