Литература

Лазерная локация земли и леса

8.7. Наземное лазерное сканирование

В данном разделе представлен ряд основных сведений о работе наземного лазерного сканера. Основным его элементом являются: лазерный дальномер, система вертикальной и горизонтальной развертки луча сканирования.

На рисунке 152 показана принципиальная схема работы лазерного дальномера. Дальномер импульсный и расстояние измеряется по интервалам времени испускания и приема сигнала – лазерного импульса.

pic_152.png
Рисунок 152, Схема работы лазерного дальномера

На рисунке 153 показана принципиальная схема вертикальной развертки сканирующего пучка лазерного излучения. Горизонтальная развертка выполняется в результате медленного вращения на 360 градусов головной части прибора.

pic_153.png
Рисунок 153. Система вертикальной развертки лазерного сканера

На рисунке 154 показан общий состав наземной лазерной измерительной системы.

pic_154.png
Рисунок 154. Лазерная измерительная система: 1. Лазерный дальномер; 2. Лазерный луч; 3. Вертикальная развертка - вращающаяся полигональная зеркальная призма; 4. Горизонтальная развертка - вращающаяся оптическая головная часть; 5. Кабель передачи данных; 6. Компьютер; 7. Программное обеспечение Riegl 3D RiSCAN

В таблице 44 приводятся основные характеристики растровых лазерных сканеров и профилографов фирмы RIEGL. Одним из наиболее производительных сканеров, является модель LMS-Z420i. Именно этот сканер сочетает высокую точность и значительную дальность работы (рис. 155).

Таблица 44. Основной ряд лазерных сканеров RIEGL
Параметры Растровые сканеры Профилографы
LMS-Z210i LMS-Z360i LMS-Z420i LPM-25HA LPM-800HA LPM-2KA
Максимальное измеряемое расстояние, м 400 200 1000 60 800 2500
Минимальное измеря-емое расстояние, м 4 1 2 2 10 10
Точность измерения положения точки: – одиночного импульса – среднее, мм 25
15
12 
6
10 
5
25 
12 
10 
Скорость сканирования, точек/сек

от 8000 до 12000 от 8000 до 12000 от 8000 до 12000 от 1000 от 1000 от 4
Поле зрения сканирования, градусов

80 x 360 90 x 360 80 x 360 300 x 360 160 x 360 195 x 360
Расходимость лазерного луча, мрад

3 2 0.25 1.2 1.3 1.2
Класс защиты IP 64 IP 64 IP 64 IP 65 IP 64 IP 64<
Рабочее напряжение тока, вольт 12–28 15–28 15–28 11–18 11–18 11–18
Потребляемая мощность, ватт до 50 до 60 до 70 до 50 до 50 до 50
Диапазон рабочих температур, град. С -25/+50 -5/+50 -25/+50 -5/+50 -5/+50 -5/+50
Основные размеры, мм 210 x 435 210 x 490 210 x 463 250 x 300 x 320 287 x 300 x 320 232 x 300 x 320
Вес, кг 13.5 13.5 14.5 9.5 15 14.6

pic_155.jpg
Рисунок 155. Лазерный сканер RIEGL LMS-Z420i

На рисунке 156 показан пример наземного лазерного скана. В данном случае - это не фотография, а каждый «пиксел» изображения, который имеет полный набор пространственных координат. Все видимые элементы растительности доступны для измерения параметров в камеральных условиях. Именно эти качества наземной лазерной съемки позволяют рекомендовать ее для научных и практических работ по таксации лесов, совместно с воздушной лазерной съемкой. Эти задачи также актуальны при выделении цифровой модели рельефа и представляют научных и практический интерес для лесных приложений лазерной локации (Thies and Spiecker, 2004).

pic_156.jpg
Рисунок 156. Лазерно-локационная сцена элементов городской застройки и растительности

Для изучения характеристик рельефа и лесной растительности, наибольший интерес представляет разность полигональных моделей, представленных на рисунках 157-160. Сравнивая общий объем точек лазерных отражений с цифровой моделью рельефа, можно выполнять те измерения, которые относятся только к растительности.

 
pic_157.png
Рисунок 157. Лазерно-локационная цифровая полигональная модель лиственничного насаждения

pic_158.png
Рисунок 158. Результат автоматизированного дешифрирования и классификации насаждений по лазерно-локационной цифровой полигональной модели

pic_159.png
Рисунок 159. Предварительная цифровая модель рельефа, полученная по лазерно-локационной полигональной модели

pic_160.png
Рисунок 160. Цифровая модель сельскохозяйственных полей и лесополос, полученная по лазерно-локационным данным

На основе методов топологического анализа моделей лазерных съемок и исследований, проводимых в настоящее время совместно с Институтом леса им. В.Н. Сукачева СО РАН, будут получены новые решения по оценке основных параметров лесной растительности (Науменко, 2005).

Лазерные сканеры (ЛС) наземного базирования позволяют получать данные, которые обрабатываются в автоматическом или полуавтоматическом режиме. Результатом съемки являются текстурированная трехмерная (пространственная) триангуляционная модель объекта, трехмерные ортофотоснимки объекта.

ЛС представляет собой высокоточный, полностью автономный, портативный прибор способный в короткое время получать исчерпывающие данные. Сканер обеспечивает уникальную и непревзойденную технологию сбора информации об объекте. Принцип действия ЛС основан на сплошном высокоскоростном измерении расстояний до объекта. Измерения проводятся со скоростью  2000–200000 импульсов в секунду и одновременно заносятся во внутреннюю память сканера.

При использовании ЛС не нужен непосредственный доступ к объекту, не нужны отражатели или другие приспособления, необходима лишь прямая видимость.

Результатом съёмки является пространственная модель объекта, описанная огромным количеством точек, каждая из которых имеет координаты XYZ. Четвертой характеристикой для каждой точки является значение интенсивности отраженного сигнала. Это очень удобно для визуализации измерений. Интенсивность отраженного сигнала зависит от составляющего материала объекта, его структуры цвета и т.д.

Пространственная модель объекта, описанная множеством точек, называется «облаком точек». С помощью специального программного обеспечения полученные «облака точек» «сшиваются» друг с другом. Объединенное «облако точек» может быть трансформировано в любую требуемую систему координат.

На полученной пространственной модели выполняют измерения различных геометрических параметров (расстояния, углы, диаметры, радиусы кривизны и т.д.). Также «облако» можно вращать, виртуально меняя положение наблюдателя и угол зрения.

После первичной обработки данных наземного сканирования, выполняется построение векторных моделей. Это осуществляется построением треугольников с вершинами в точках «облака» (триангуляционная или полигональная модель), либо используется набор примитивов (точка, вектор, плоскость, цилиндр, сфера и т.д.). Полученные векторные данные экспортируются в программы, которые работают с трехмерной векторной графикой, такие как: Auto-Cad, ArcView, MicroStation и другие.

ЛС дает существенное преимущество в сравнении с аналогичным геодезическим оборудованием, при съемке замкнутых областей, примером которых могут служить нефтеналивные резервуары и технологически сложные производственные помещения.

Сферы применения наземного лазерного сканирования (НЛС)

Архитектура и строительство. Данные ЛС с успехом используются для составления проектов надстроек или реконструкции сооружений и памятников. Отпадает необходимость проводить сложные обмерные работы или съёмку труднодоступных фасадов. Имея трёхмерную модель сложной поверхности, оператор может виртуально достраивать модель до требуемого результата, тем самым, определяя необходимую степень доработки.

Горнодобывающая промышленность. Путём совмещения моделей, созданных по данным разных циклов, вычисляются величина и направление деформации практически в любой точке поверхности. Многие объекты горной отрасли и строительства, начиная с отвалов горной породы и заканчивая дорожной отсыпкой или строительными котлованами, требуют определения объёмов. Выполнить съёмку и вычислить объём даже протяжённого и недоступного объёкта с погрешностью менее 1% можно в течение нескольких часов (Геокосмос, 2007).

Инвентаризация объектов недвижимости. На основе данных НЛС выполняется расчет напряженно-деформированного состояния зданий, разрабатываются рекомендации по восстановлению эксплуатационной надежности (Inigeo, 2006)

Лесное хозяйство и ленная промышленность. С помощью НЛС и цифровых фотокамер, возможно, определять следующие характеристики: видовой со-став насаждений, диаметры стволов на любой высоте без валки дерева, высоту деревьев, площадь проекции, горизонтальную и вертикальную протяженность кроны, наличие пороков и повреждений вредителями, количество сучков на единицу площади ствола. НЛС возможно применять при обследовании мест рубок, на предмет наличия оставленных порубочных остатков и их запаса. На нижних и верхних складах лесозаготовительных предприятий, с целью определения точного объема заготовленной древесины. При закладке постоянных пробных площадей, составлении таблиц хода роста (Haala et al., 2004, Thies and Spiecker, 2004).

Маркшейдерия. Высокая производительность и оперативность процесса лазерного сканирования совместно с возможностью оперативного контроля полевых измерений позволяет решать задачи по предупреждению различного рода аварий. Отдельной сферой применения технологии лазерного сканирования является контрольно-учетная функция, например, получая трехмерную цифровую модель карьера, решаются задачи вычисления объемов добычи полезного ископаемого. Имея данные, полученные при помощи лазерного сканера, возможно постоянное редактирование модели карьера после каждого взрыва очередного блока и выемки породы или руды. Многие сканеры позволяют получать модель объекта с точностью от сантиметра и меньше, что более чем достаточно, для поверхности склонов карьеров имеющих не простую форму (Маркшейдерские технологии, 2006).

Нефтегазодобывающая промышленность. Результаты лазерного сканирования сооружений нефтегазового комплекса могут быть использованы для решения целого ряда задач: восстановление исполнительной документации,  инвентаризация оборудования, обнаружение проектных несоответствий, проектирование дополнительных установок, деформационный мониторинг сооружений, определение реальных объемов емкостей и многое другое (Геокосмос, 2007).

Оценка последствий чрезвычайных ситуаций, пожаров, аварий и т.п. С помощью лазерных сканирующих систем можно не только осуществлять мониторинг сложных зданий и сооружений, но и фиксировать состояние мест аварий и катастроф с получением реальной картины произошедшего. Также возможно осуществлять привязку реальной картины произошедшего, к опорной системе координат (Геокосмос, 2007).

Электроэнергетика. С помощью лазерного сканирования выполняется съемка технологических площадок и определение геометрических параметров высоковольтного оборудования, математическое моделирование существующих ЛЭП в части изменения стрел провеса, габаритов, натяжений проводов, величин механической нагрузки на опоры и др. в условиях изменения климатических условий и электрической нагрузки. Мониторинг состояния растительности и выявление проблемных участков возможных замыканий. Подготовка данных для планирования мероприятий по очистке полосы отчуждения (ГеоПОЛИГОН, 2007).

Наземные лазерные сканеры также с успехом применяются в землеустройстве, геологии и археологии.

Характеристики приборного обеспечения для наземного лазерного сканирования представлены в таблице 45.

Таблица 45. Современные системы наземного лазерного сканирования
Фотография прибора Xарактеристики
1-(ILRIS-3D).jpg Производитель: Optech (Канада)
Модель: ILRIS-3D 
Максимальное измеряемое расстояние: 1500 метров
Длинная волны лазера: 1500 нм
Встроенная цифровая камера 2 миллиона пикселей
Поле зрения сканирования: 40 x 40simbol_64.png
Метод измерений: фазовый
Точность измерения расстояния: 7 мм на 100 метров
Скорость сканирования: 2000 точек/сек
2-(ILRIS-36D).jpg Производитель: Optech (Канада)
Модель: ILRIS-36D 
Максимальное измеряемое расстояние: 1500 метров
Длинная волны лазера: 1500 нм
Встроенная цифровая камера 6 миллионов пикселей
Поле зрения сканирования: 360 x 360simbol_64.png
Метод измерения: фазовый
Точность измерения расстояния: 7 мм на 100 метров
Скорость сканирования: 2000 точек/сек.
3-(iQsun880).jpg Производитель: iQvolution (Германия)
Модель: FARO iQsun 880
Максимальное измеряемое расстояние: 76 метров
Длинная волны лазера: 785 нм
Поле зрения сканирования: 320 x 360simbol_64.png
Метод измерений: фазовый
Точность измерения расстояния: 3 мм на 10 метров
Точность определения положения в пространстве: 3.5 мм на 10 метров
Скорость сканирования: > 120000 точек в секунду
Полный вес системы: 27.5 кг
4-(Cyrax-HDS2500).jpg Производитель: Leica Geosystems (США)
Модель: Cyrax HDS2500
Максимальное измеряемое расстояние: до 100 метров
Поле зрения сканирования: 40 x 40simbol_64.png
Метод измерений: импульсный
Точность измерения расстояния: 4 мм на 50 метров
Точность определения положения в пространстве: 6 мм на 50 метров
Скорость сканирования: 1000 точек/сек.
Полный вес системы: 28 кг
5-(HDS3000).jpg Производитель: Leica Geosystems (США)
Модель: HDS3000
Максимальное измеряемое расстояние: 100 метров
Длинная волны лазера: 532 нм
Поле зрения сканирования: 270 x 360simbol_64.png
Метод измерения: импульсный
Точность измерения расстояния: 4 мм на 100 метров
Точность определения положения в пространстве: 6 мм на 50 метров
Скорость сканирования: до 1800 точек/сек.
Полный вес системы: 50 кг
6-(Cyrax-HDS4500).jpg Производитель: Leica Geosystems (США)
Модель: Cyrax HDS4500 
Максимальное измеряемое расстояние: 53.5 метров
Длинная волны лазера: 690 нм
Поле зрения сканирования: 310 x 360simbol_64.png
Метод измерений: фазовый
Точность измерения расстояния: > 3 мм на 100 метров
Точность определения положения в пространстве: > 6 мм на 10 метров
Скорость сканирования: до 500000 точек/сек.
Полный вес системы: 34.5 кг.
7-(HDS6000).jpg Производитель: Leica Geosystems (США)
Модель: HDS6000
Максимальное измеряемое расстояние: 53.5 метров
Поле зрения сканирования: 310 x 360simbol_64.png
Метод измерений: фазовый
Скорость сканирования: 500000 точек/сек.
Интерфейс передачи данных: Ethernet/Bluetooth/USB 2.0
8-(LMS-Z210i).jpg Производитель: Riegl LMS (Австрия) 
Модель: LMS-Z210i
Максимальное измеряемое расстояние: до 400 метров
Минимальное измеряемое расстояние: 4 метра
Поле зрения сканирования: 80 x 360simbol_64.png
Метод измерений: импульсный
Точность измерения расстояния: 15 мм на 400 метров
Точность определения положения в пространстве: 6 мм на 100 метров
Скорость сканирования: до 12000 точек/сек.
Полный вес системы: 31 кг
9-(LMS-Z360i).jpg Производитель: Riegl LMS (Австрия) 
Модель: LMS-Z360i
Максимальное измеряемое расстояние: до 200 метров
Минимальное измеряемое расстояние: 1 метр
Поле зрения сканирования: 90? x 360simbol_64.png
Метод измерений: импульсный
Точность измерения расстояния: 6 мм на 200 метров
Точность определения положения в пространстве: 6 мм на 100 метров
Скорость сканирования: до 18000 точек/сек.
Полный вес системы: 31 кг
10-(GS200).jpg Производитель: Mensi-Trimble (США) 
Модель: GS200
Максимальное измеряемое расстояние: 350 метров
Минимальное измеряемое расстояние: 1 метр
Встроенная цифровая камера: 9 миллионов пикселей
Поле зрения сканирования: 60 x 360simbol_64.png
Метод измерения: импульсный
Точность измерения расстояния: 1.4–6,5 мм 
Скорость измерения: более 5000 точек в секунду
Полный вес системы: 37 кг
11-(GX-3D).jpg Производитель: Trimble (США) 
Модель: GX 3D 
Максимальное измеряемое расстояние: 350 метров
Поле зрения сканирования: 60 x 360simbol_64.png
Метод измерения: импульсный
Точность измерения расстояния: 7 мм на 100 метров
Точность определения местоположения: 12 мм на 100 метров
Скорость измерения: до 5000 точек в секунду
12-(Callidus-3D).jpg Производитель: Callidus Precision Systems GmbH (Германия)
Модель: Callidus 3D 
Максимальное измеряемое расстояние: до 80 метров
Поле зрения сканирования: 140 x 360simbol_64.png
Метод измерений: импульсный
Точность измерения расстояния: до 32 метров simbol_63.png 5 мм
Скорость измерения: 1750 точек в секунду
Сканер сертифицирован Госстандартом РФ как средство измерений.
13-(IMAGER-5003).jpg Производитель: Zoller+Frohlich GmbH (Германия)
Модель: IMAGER 5003
Максимальное измеряемое расстояние: 53 метра
Минимальное измеряемое расстояние: 1 метр
Поле зрения сканирования: 310 x 360simbol_64.png
Метод измерений: фазовый
Точность измерения расстояния: < 5 мм на 50 метров
Скорость измерения: до 500000 точек/сек
14-(IMAGER-5006).jpg Производитель: Zoller+Frohlich GmbH (Германия)
Модель: IMAGER 5006
Максимальное измеряемое расстояние: 79 метров
Поле зрения сканирования: 310 x 360simbol_64.png
Метод измерений: фазовый
Точность измерения расстояния: simbol_41.png 1 мм на 100 метров
Скорость измерения: 500000 точек/сек
Интерфейс передачи данных: Ethernet/Bluetooth/USB 2.0

Программное обеспечение (ПО) для обработки данных наземного лазерного сканирования<

Данные лазерного сканирования представляют собой «облако точек» с набором характеристик для каждой точки. Для обработки материалов сканирования и создания по первично обработанным материалам моделей объектов, используется специализированное программное обеспечение ПО. Условно ПО можно разделить на 2 класса – базовое и дополнительное. Базовое программное обеспечение зависит от используемой аппаратной части и поставляется производителем оборудования. К базовому ПО относятся программы, основными функциями которых являются управление конкретным прибором, аккумулирование данных измерений, генерация пространственных координат точек, трансформация сканов, экспорт данных в обменные форматы. Эти программы обычно «производят» облако точек высокой плотности или триангуляционную сеть. Дополнительные программные средства являются универсальными, с точки зрения используемого оборудования, их основное предназначение, это построение трехмерных моделей или планов (разрезов, сечений и т.п.) на основе облака точек или исходной сети. Сегодня такое разделение является весьма условным, поскольку производители базового ПО стремятся встраивать в него функции моделирования, классификации точек, распознавания объектов и т.п.

3Dipsos (поставляется со сканерами Trimble, США). Средство для моделирования технологических установок и промышленных площадок. Используется для создания трехмерных моделей сложных технологических установок, промышленных площадок, цехов. Программа представляет собой мощное профессиональное средство как для создания модели, состоящей из графических примитивов, так и для создания триангуляционных нерегулярных сетей. В настоящее время 3Dipsos используется для моделирования сложных промышленных установок, состоящих из огромного количества труб, профилей, фланцев, вентилей и т.д.

Real Works Survey (поставляется со сканерами Trimble, США). Назначение программного обеспечения – обработка данных наземного лазерного сканирования. Обработка включает в себя сшивку (геопривязку), подготовку точечной модели (чистку, разрежение) и непосредственно обработку, вид которой зависит от способа представления конечного результата. Основные особенности RWS, отличающие этот продукт от аналогичных – универсальность, высокая скорость освоения и простота работы.

PolyWorks(поставляется со сканерами Optech, Канада). Программный продукт PolyWorks не является Cad-системой или графическим редактором, а предназначен для визуализации облаков точек, уравнивания (сшивки отдельных сканов в единое облако, оценки точности сшивки), трансформации данных в заданную систему координат, построения трехмерных моделей объектов, анализа данных и экспорта в ПО заказчика. PolyWorks состоит из нескольких модулей, которые позволяют работать с очень большими объёмами данных. Все модули находятся под руководством оболочки Module Access Center, где и осуществляются основные настройки системы.

Riscan PRO (поставляется со сканерами Riegl LMS, Австрия). Программное обеспечение является проектно ориентированным продуктом, весь объем данных, полученных в рамках одного проекта по проведению измерений, организуется и хранится в соответствии с проектной структурой программного обеспечения RiSCAN PRO. Программный комплекс предназначен для сокращения времени получения данных в поле, при этом предлагая средства визуальной проверки полноты данных прямо в поле в трехмерном виде. Автоматизированные сканы опорных точек (например, отражающих объектов) позволяют пользо-вателю легко размещать данные сканирования в заранее определенной системе координат с высоким разрешением. Помимо сбора данных, программное обеспечение RiSCAN PRO предлагает возможности для постобработки данных. В базовый комплект программного обеспечения входят такие функции как построение ячеек по облакам точек, представляющим данные сканирования, наделение каждого лазерного измерения информацией о цвете, создание неискаженных, а также объединенных изображений с высоким разрешением для текстурирования ячеек, прореживание облаков точек, построение объекта по облакам точек и многое другое.

Cyclone (поставляется со сканерами Leica Geosystems, США). Программный комплекс предназначен для обработки данных наземного лазерного сканирования. Возможности отдельных модулей программного комплекса: Scan – настройка сканера, Register – уравнивание отдельных «облаков точек», Model – обработка точечных данных и CloudWorx – вывод и обработка «облака точек» в программе AutoCAD и MicroStation.

iQscene 1.1 (поставляется со сканерами iQvolution, Германия). Программный комплекс призван проводить первичную обработку данных, объединять их в единую систему и хранить эту уникальную информацию для последующего экспорта в системы проектирования мировых лидеров этой индустрии. Поддерживается множество форматов. Экспорт возможен как всего точечного пространства, так и по наиболее важным фрагментам. Кроме того, она позволяет оперативно пользоваться промышленным виртуальным пространством, за счёт той интереснейшей функции, про которую шла речь выше (когда каждый инженер на предприятии в состоянии посетить самые удалённые уголки, не теряя времени на прогулки).