Основные этапы работ при работе с наземными лазерными сканерами

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 2
1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЛАЗЕРНОГО СКАНИРОВАНИЯ 5
2. ЭТАПЫ РАБОТ ПРИ РАБОТЕ С НАЗЕМНЫМИ ЛАЗЕРНЫМИ
СКАНЕРАМИ. 12
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 14
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 15

ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время измерительные технологии активно развиваются. Это выражается в появлении новых устройств, позволяющих получать пространственную информацию на качественно новом уровне. Одним из таких устройств являются наземные лазерные сканирующие системы.
Постоянно развивается как механическая часть сканирующих систем, так и программная. Современные лазерные сканеры становятся все более компактными и мобильными, при этом скорость и точность их работы выросла на порядок, а в отдельных случаях и на несколько порядков. Но дальнейший прирост точности и скорости работы сканера более не дает значительного прироста производительности технологии, включающей в себя помимо сканирования камеральную обработку данных. Для реализации всех возможных преимуществ использования лазерных сканеров необходимо совершенствование методов обработки данных, получаемых в результате сканирования. Чем совершеннее механическая часть прибора, тем более усилий необходимо прилагать к развитию алгоритмов и методов обработки. Одно без другого не возможно.
Дальнейшее увеличение производительности работы сканеров не позволит значительно увеличить общую производительность технологии. Практический опыт использования технологии наземного лазерного сканирования показывает, что от 70 до 90% всего времени, затрачиваемого на работу, составляет камеральная обработка результатов сканирования. Наиболее значительное увеличение эффективности технологии возможно за счет использования более совершенных методов камеральной обработки данных и сокращения времени, затрачиваемого на неё.
Результат наземного лазерного сканирования - набор пространственных координат точек объекта, от которых произошло отражение лазерного сигнала.
Для обозначения этого набора координат широко употребляется термин «облако точек». Облако точек, покрывающих поверхность объекта, формирует его пространственную точечную модель.
Процесс обработки облака точек очень сложен и кропотлив. Это вызвано, в первую очередь, тем, что восприятие точечной модели оператором затруднено в силу огромной избыточности информации. Для формирования в воображении оператора образа объекта по точечной модели, требуется многократное изменение параметров проецирования пространственной точечной модели на плоскость экрана (смещение, масштабирование, разворот), задание ограничений области просмотра данных и отсечение «шума» - точек, расположенных не на поверхности исследуемого объекта. Как правило, между сканером и объектом исследования имеются различные препятствия, от которых также происходит отражение дальномерного сигнала, и появляются точки, отстоящие от поверхности объекта в направлении к точке установки сканера. Помимо совершенствования методов обработки непосредственно данных сканирования (облако точек), эффективность метода можно повысить путем комбинирования его с существующими методами. Многие современные сканеры имеют встроенную фотокамеру, которая, как правило, не позволяет получить фотоизображение, пригодное для фотограмметрической обработки. Но при этом современные цифровые фотокамеры, имеющиеся в свободной продаже, при сравнительно не высокой цене позволяют получать достаточно качественные фотоматериалы.
Цель работы состоит в изучении основных этапов работ при работе с наземными лазерными сканерами.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЛАЗЕРНОГО СКАНИРОВАНИЯ
В современном мире большинство задач требуют высокоточного подхода с детальным описанием результатов, полученных при решении этих задач. Поэтому наземное лазерное сканирование (НЛС) является подходящим методом измерения, так как способно решать практически любые задачи.
Технология наземного лазерного сканирования позволяет создать цифровую модель всего окружающего пространства, представляющая его набором точек с пространственными координатами. НЛС – современный метод сбора и регистрации пространственных данных. В отличие от традиционных методов съемки, в которых используются тахеометры или данные спутникового приемника, в котором исполнитель вынужден выбирать характерные точки объекта для последующего его отображения, при сканировании объекта происходит автоматическая регистрация координат точек на его поверхности с заданным шагом. Плотность получаемого, так называемого «облака точек» более сотни на 1 м2 а скорость сканирования от 1 000 000 точек в секунду. Точность определения координат точек, в зависимости от модели сканера и расстояния, варьируется от нескольких миллиметров до единиц сантиметров. В зависимости от деталей конкретного проекта наземное сканирование может выполняться как самостоятельный вид работ, а также в комбинациях с другими видами съемки: тахеометрической, мобильным и воздушным лазерным сканированием.
Устройство наземного лазерного сканера объединяет в себе теодолит, лазерный дальномер, сенсор, систему зеркал и моторов.
Таким образом, для каждой точки объекта, регистрируются горизонтальный и вертикальный углы с помощью теодолита, расстояние ri измеряется с помощью лазерного дальномера, а интенсивность отраженного сигнала дальномера с помощью сенсора (рис. 1).
Рис. 1. Устройство наземных лазерных сканеров
Все управление работой прибора осуществляется с помощью портативного компьютера с набором программ или с помощью панели управления, встроенной в сканер. Полученные координаты точек из сканера передаются в компьютер и накапливаются в базе данных компьютера или самого сканера, создавая так называемое облако точек.
Сканер имеет определенную область обзора, или другими словами, поле зрения. Предварительное наведение сканера на исследуемые объекты происходит либо с помощью встроенной цифровой фотокамеры, либо по результатам предварительного разреженного сканирования. Изображение, получаемое цифровой камерой, передается на экран компьютера, и оператор осуществляет визуальный контроль ориентирования прибора, выделяя необходимую область сканирования.
В технологии полностью реализован принцип дистанционного зондирования, позволяющий собирать информацию об исследуемом объекте, находясь на расстоянии от него, т.е. на объекте не надо устанавливать никаких дополнительных устройств и приспособлений (марок, отражателей и т.п.);
По полноте и подробности получаемой информации с лазерным сканированием не может сравниться ни один из ранее реализованных методов, плотность и точность определяемых на поверхности объекта точек может исчисляться долями миллиметра;
Лазерное сканирование отличается непревзойденной скоростью – до нескольких сотен тысяч измерений в секунду. Благодаря своей универсальности и высокой степени автоматизации процессов измерений лазерный сканер является не просто геодезическим прибором, лазерный сканер – это инструмент оперативного решения самого широкого круга прикладных инженерных задач.
Сама технология лазерного сканирования открывает целый ряд новых, ранее недоступных возможностей. Связано это, прежде всего, с более полным использованием современных компьютерных технологий. Получаемые результаты в виде облака точек или трехмерной модели можно быстро передвигать, масштабировать и вращать. Есть возможность виртуального путешествия по изображению с записью в стандартный мультимедийный файл для дальнейшего показа. Такого полного представления об объекте не может дать ни один другой метод. При этом мы работаем не просто с изображением, а именно с моделью, сохраняющей полное геометрическое соответствие форм и размеров реального объекта. Такое положение дел обеспечивает возможность проведения измерений реальных расстояний между любыми точками или элементами модели. Несмотря на исключительную новизну, технология предусматривает возможность автоматического или полуавтоматического получения информации и документов в привычном виде – чертежи профилей, поперечников, планы, схемы.
Технология лазерного сканирования открывает новые возможности и дает необходимую информацию для развития современного метода трехмерного проектирования.
Основные сферы применения трехмерного сканирования: промышленные предприятия, строительство и архитектура. дорожная съемка, горное дело, мониторинг зданий и сооружений, документирование чрезвычайных ситуаций.
Сканеры, в отличие от электронных тахеометров, осуществляют сканирование пространства лазерным пучком. Сканирование осуществляется построчно. За один период сканирования, который имеет длительность несколько сотых долей секунды или несколько десятков миллисекунд, автоматически осуществляется измерение полярных координат точек профиля и осуществляется запись результатов непосредственно во встроенный компьютер, т.е. визирование наблюдатель не выполняет. Сканер обеспечивает значительно большую скорость измерений, так как сервопривод, автоматически поворачивающий измерительную головку в обеих плоскостях (горизонтальной и вертикальной), позволяет выполнять до 5000 измерений в секунду, что соответствует плотности до десятков точек на 1 кв. см поверхности. Одновременно регистрируется уровень отраженного сигнала от каждой точки. Результаты измерений непрерывно записываются в реальном времени в память прибора на внешний или внутренний накопитель. При работе со сканером отпадают такие операции, как поиск цели и визирование, а также необходимость нажимать на клавиши для выполнения и регистрации результатов измерений. После этого сканером осуществляется сканирование следующей строки в поле зрения прибора. Результаты также записываются в память и выводятся на дисплей прибора, где отображаются снятые точки местности с разрешением, соответствующим разрешению сканера, которое выше графической точности.
На рис. 2 показана схема, поясняющая принцип действия сканера. Основными узлами сканера являются:
Рис. 2 – Упрощенная схема сканера
1 – лазерный дальномер, в качестве излучателя в котором используется лазер;
2 – лазерный луч;
3 – сканирующая призма, осуществляющая развертку лазерного пучка в вертикальной плоскости;
4 – сканирующая головка, вращающаяся в горизонтальной плоскости.
Для записи и обработки результатов используется встроенный компьютер.
Для съемки объектов некоторые сканеры имеют встроенную в корпус цифровую видеокамеру, с помощью которой получают одновременно с процессом сканирования панорамное изображение объекта, что позволяет в дальнейшем наложить на пространственную модель объекта высококачественную текстуру либо просто раскрасить все в реальные цвета.
Пучок лазерного излучения из лазерного дальномера 1 проходит оптическую систему и попадает в сканирующий узел, с помощью которого развертывается в вертикальной плоскости. Сканирующий узел представляет собой вращающуюся призму 3 или зеркало. Развертка пучка осуществляется с заранее заданным шагом (например, 0.1°) в секторе от нескольких десятков градусов до 280° ( в зависимости от конструктивных особенностей прибора). При этом измеряется расстояние до сканируемой точки.
Таким образом, в отдельно взятом вертикальном скане будут измерены все точки с дискретностью 0.1° (например, при максимальном вертикальном угле сканирования 280° их будет, соответственно, 2800).
Затем сервопривод поворачивает сканирующую головку 4 в горизонтальной плоскости на угол, равный шагу измерения (при той же дискретности 0.1°).
Весь процесс съемки полностью автоматизирован. Полученные в момент съемки «сырые измерения» представляют собой набор («облако») точек, которые необходимо представить в виде чертежей, схем в CAD формате.
ЭТАПЫ РАБОТ ПРИ РАБОТЕ С НАЗЕМНЫМИ ЛАЗЕРНЫМИ СКАНЕРАМИ.
Работа со сканером выглядит следующим образом.
1. Перед началом съемки устанавливается область сканирования и плотность (вертикальное и горизонтальное расстояния до соседних точек). Сканер может самостоятельно найти и отсканировать с максимальной плотностью специальные визирные цели, которые служат для определения системы координат объекта, а также используются как геодезическое обоснование для уравнивания отдельных сканов.
После сканирования вся снимаемая местность (и предметы местности) в пределах поля зрения сканера оказывается равномерно покрыта точками, координаты которых определены с помощью сканера, и одновременно зарегистрирован уровень отраженного сигнала от каждой точки. В момент измерений на дисплее прибора воспроизводится изображение снятой с этой станции местности, т.е. получают как бы снимок местности в цифровом виде.
Полученная после измерений модель объекта представляет собой большой набор точек (от сотен тысяч до нескольких миллионов), имеющих координаты с точностью в несколько миллиметров. В результате съемки лазерным сканером обычно получают несколько групп точек, которые обычно называют «облаками точек». Естественно, при сканировании можно видеть только одну часть объекта, которая находится в зоне прямой видимости. Чтобы снять объект полностью, его необходимо отсканировать со всех сторон. После уравнивания (объединения) всех «облаков точек» в единое геометрическое пространство получается единое описание объекта съемки. Процесс уравнивания здесь называется регистрацией.
2. Далее происходит обработка сканов, которая состоит из нескольких основных этапов. Основанная цель обработки – создание единого скана для полного покрытия снятой поверхности. Для создания единого скана («сшивки») используется метод совмещения сканов по опорным точкам, которые отображаются на смежных сканах. Для этого во время съемки на опорных точках устанавливаются отражатели (трипель-призмы), светоотражающие пластины или наклейки, имеющие более высокий коэффициент отражения, и потому вполне однозначно определяемые. Для каждого скана координаты точек определяются в системе координат, центр которой совпадает с центром сканирования. Поэтому для связи координат объекта, полученных из разных сканов, необходимо выбрать единую систему координат, определить в ней центры сканирования для каждого случая (например, с помощью электронного тахеометра) и трансформировать все полученные координаты в единую систему. Распознавание объектов осуществляется оператором и во многом определяется поставленной конечной целью. Например, это может быть само облако точек, сложная поверхность, набор сечений, план, сложная 3D-модель либо просто набор измерений различных геометрических параметров (длины, периметры, диаметры, площади, объемы).
3. Получение поверхностей является одним из ответственных этапов обработки. Используя программное обеспечение, можно создать на основе «облака точек» простейшие правильные математические поверхности (плоскость, сфера, цилиндр и пр.) либо аппроксимировать сложную («неправильную») поверхность триангуляционным методом. Созданные подобным образом поверхности вполне представимы в стандартных форматах DXF, IGES, VRML, SAT, STL, DGN и, соответственно, могут быть экспортированы в любые CAD и ЗD-приложения. Как уже упоминалось, если сканирование сопровождается цифровой видео- или фотосъемкой, то на этапе обработки можно совместить сканированное изображение объекта с его видеоизображением, придав скану реальные цвета и текстуру. Используя встроенные модели поверхностей, можно получить поперечные сечения на заданных расстояниях и просчитать поверхность целиком.
На основании полученных данных можно оценить отклонение геометрии сооружения от проектной и провести анализ его поверхности с целью выявления невыработанных областей поверхности, сделанных с нарушением проектного задания. Кроме того, в транспортном тоннеле, находящемся в слабых и насыщенных грунтах, который испытывает интенсивные воздействия подвижного состава, возможны смещения. компонентов сооружения и нарушение соседних элементов обделки. Для выявления локальных смещений взаимного положения соседних блоков, обделки и провисания тоннеля периодически выполняются съемка и обследования геометрии тоннеля. До настоящего времени для этой цели обычно использовались электронные тахеометры, цифровые теодолиты и нивелиры, а также светодальномеры, оптические теодолиты и оптические нивелиры. Применение лазерных сканеров позволило значительно сократить процесс съемки, которая выполняется при плохих условиях освещенности в узких подземных пространствах.
Съемку местности с помощью сканеров можно осуществлять с двух точек местности (с концов базиса), как это делается при фототеодолитной съемке. Обработку материалов съемки можно осуществлять, используя также фотограмметрические зависимости.
Наземное лазерное сканирование может быть использовано при съемках и построении моделей рельефа и местности на локальные территории, где применение воздушной съемки не оправдано по экономическим соображениям либо необходимо отразить все микроформы и сложные участки рельефа. Традиционная съемка дает аппроксимированное представление о рельефе местности, и степень этой аппроксимации сильно зависит от опыта и квалификации исполнителя.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В заключение хотелось бы отметить несколько преимуществ данной технологии наземного лазерного сканирования:
мгновенная трехмерная визуализация
высокая точность
несравнимо более полные результаты
быстрый сбор данных
обеспечение безопасности при съемке труднодоступных и опасных объектов
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Диго С.М. Базы данных. Проектирование и создание: Учебно-методический комплекс - Изд. центр ЕАОИ. 2008
2. Журнал «Геодезия и Картография No12» - издательство ФГБУ «Центр геодезии, картографии и ИПД», 2012
3.Козлов Д.А. Алгоритм восстановления поверхности из облака
точек на графическом процессоре – статья в сетевом журнале, 2010,сайт:http://www.graphicon.ru/
4.Косников.Ю.Н. Поверхностные модели в системах трехмерной компьютерной графики. Учебное пособие. – Пенза: Пензенский государственный университет, 2007
5.Латышев П.Н.Каталог САПР. Программы и производители: Каталожное издание.- ИД СОЛОН-ПРЕСС, 2006, 2008, 2011
6. КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО ДИСЦИПЛИНЕ ТРЕХМЕРНОЕ ЛАЗЕРНОЕ СКАНИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ
7.Малюх В. Н.Введение в современные САПР: Курс лекций.- ДМК Пресс, 2010 Страница 40
7.Норенков И. П.Основы автоматизированного проектирования: учеб. для вузов., 4-е изд., перераб. и доп.- Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2009
8.Норенков И. П.Автоматизированное проектирование: учебник. - Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2000.
9.Назаров А.С. Фотограмметрия: учеб. пособие для студентов вузов – ТетраСистемс, 2006
10.Середович, В.А. Наземное лазерное сканирование: монография / В.А. Середович, А.В. Комиссаров, Д.В. Комиссаров, Т.А. Широкова. – Новосибирск: СГГА, 2009