Лазерное сканирование зданий и сооружений

Технологии лазерного сканирования начали активно применятся 10 лет назад. С развитием технологии и вычислительных мощностей лазерные сканеры стали использоваться в повседневных работах, наряду с другими классическими инструментами, такими как тахеометр, нивелир.

Для обмеров фасадов и помещений ранее использовались без отражательных тахеометров. Сложность использования этих устройств состояла в том, что оператору нужно было наводить прибор на каждый элемент фасада. Работая на одной станции по нескольку часов, геодезист фиксировал все элементы фасада. Внутри помещения по принципам тахеометрических ходов и обратных засечек создавалась опорная сеть, относительно которой велись измерения. Эти задачи очень трудоемки и занимают очень много времени.

Технология лазерного сканирования ускорила и упростила процесс сбора данных. Теперь время на станции занимает пару минут. Так как сканер связывает соседние станции по общим точкам, отпала нужна в прокладке ходов. Процесс сбора данных повысил эффективность работ и расширил возможности для изысканий на сложных объектах. Например, съемка с ограниченной освещенностью ранее была недоступна в принципе.

Отдельное применение технологии лазерного сканирования — это область 3D моделирования. Благодаря большой плотности измерений при сканировании и программному обеспечению, которое стало поддерживать работу с облаками точек, стало возможным в сравнительно короткие сроки создавать подробные 3D модели объектов.

Метод лазерного сканирования зданий позволяет получить точные 2Д и 3Д модели сложной формы, а также позволяет решать задачу сканирования фасадов, которые представляют историческую ценность.

Результат работы сканера – это облако точек. Так как при съемке фасада требуется сканирование с нескольких станций, отдельные облака точек «сшиваются» в специальной программе для получения единого проекта.

Каждая точка в облаке имеет три координаты и ничем не отличается от точки, полученной при помощи тахеометра. Количество точек в облаке зависит от плотности сканирования, а та, в свою очередь, от поставленной задачи. Точность измерений достигает может достигать до 1 мм.

Принцип работы лазерного сканера:

1. Лазер попадает на крутящееся с большой скоростью зеркало, которое рассеивает лазерный луч. Прибор вращается вокруг своей оси и проходит полный круг – 360 градусов.
2. Лазерный луч, отраженный от объекта, возвращается обратно и прибор, зная такие параметры как скорость лазерного луча и время, вычисляет координаты точки.
3. Все точки запоминаются в память прибора для последующей обработки на компьютере. Процесс сканирования происходит автоматически. Оператору нужно лишь ставить станции сканирования с таким расчетом, чтобы прибор захватил все нужные объекты.

Лазерное сканирование происходит без отражательного режима и не требует непосредственного нахождения на объекте. Такой метод позволяет использовать прибор в сложных условиях без риска для жизни. Время сканирования на одной станции зависит от плотности, и, как правило, не занимает больше 5 минут.

Основные типы лазерного сканирования

Лазерное сканирование условно можно разделить на несколько типов в зависимости от объекта изысканий.

1. Наземное лазерное сканирование. Лазерный сканер устанавливается на штатив и производит измерения вокруг себя. Дальность сканера обусловлена его техническими характеристиками, которые имеют важные параметры для лазерного обследования. Результат – «оцифровывется» все пространство вокруг сканера. Оператор, перемещая сканер с места на место производит съемку, в результате которой получается 3Д модель объекта, состоящая из облака точек. Такой способ съемки, как правило, применяется для создание фасадных и поэтажных планов, торировки резервуаров, 3Д моделировании сложных промышленных объектов. Пример оборудования: FARO Focus S150.
2. Мобильное лазерное сканирование. Применяется для изысканий линейных объектов. Устройство устанавливается на автомобиль и работает в движении. Скорость сканирования может достигать до 80 км/ч. Такое устройство незаменимо, когда нужно сделать 3Д модель улиц, произвести изыскания на дорогах. Так как сканирование ведется при помощи машины, существенно повышается безопасность изысканий, что имеет немаловажный фактор при проведении работ. Пример оборудования: мобильный 3D-сканер LEICA PEGASUS: TWO ULTIMATE.
3. Воздушное лазерное сканирование. Этот раздел можно разделить на 2 части. Первый появился достаточно давно – это большие мощные сканеры, которые устанавливаются на пилотируемые самолеты. Эти устройства применяются для создания цифровых моделей рельефа на больших площадях. Второй вариант воздушного сканирования появился с развитием беспилотных летательных аппаратов и устройств, называемых лидарами. Лидар это компактный лазерный сканер, который может снимать в движении. Подобные устройства используют для создания машинного зрения. Установив лидар на БПЛА с GPS оборудованием геодезической точности, можно добиться неплохих результатов. Однако плотность и точность этих устройств не позволяет им конкурировать со стационарными аналогами. Пример оборудования: Trimble AX80, АГМ-МС1.
4. В четвертую группу отнесем такие редкие виды сканирования как триангуляционное и ручное мобильное сканирование. Первый тип широко используется в машиностроении. Точность таких устройств идет на микроны, что позволяет им копировать детали с высокой точностью. Далее полученную модель можно, например, напечатать на 3Д принтере или передать в программу для создания чертежей. Ручные мобильные сканеры – это новейшее веяние в сканирующей индустрии. Развитие вычислительных мощностей компьютеров позволило создать SLAM алгоритм. Это метод одновременного процесса съемки и «сшивки». Также надо отметить, что такие устройства небольшого размера, легко переносятся одним человеком и не требуют установки на штатив. Эти приборы нашли свое применения в горнодобывающей промышленности. Создание цифровых моделей подземных выработок, подсчет объема открытых и закрытых складов. Для работы в сложных условиях, когда присутствие человека нужно свести к минимуму, эти устройства подходят идеально. Пример оборудования: 3D-сканер Artec Space Spider, Gexcel Heron, LiBackpack 50.

Виды оборудования

Сейчас на рынке представлено большое количество сканирующих устройств. Они разделяются по типу: стационарные. мобильные, воздушные.

Рассмотрим стационарные: основные характеристики, по которым можно различать эти устройства: уровень шума облака точек, дальность, скорость, температурный диапазон и характеристики встроенной фотокамеры, если такая имеется. Производитель указывает все эти характеристики в описании к прибору. Например, IS GROUP использует сканер FARO Focus s150, который прекрасно подходит для лазерного 3Д сканирования зданий, имеет следующие характеристики: уровень шума 0.15 мм, от 0.6-150 метров, скорость до 976 000 точек в секунду, температурный диапазон от -20 до 55 градусов и до 165 мегапикселей при фотосъемке.

Стационарные сканеры, которые могут производить измерения на дальности 1 километр и выше, как правило, используются маркшейдерами на съемках карьеров и отвалов. Они имеют лучшею по сравнению с обычными сканерами пыле-влага защиту и специализированное программное обеспечения для работы с облаками точек. Примерами таких устройств может служить RIEGL VZ-2000I и Polaris LR.

Трехмерное лазерное сканирование зданий и сооружений, а также объектов архитектурного наследия – это комплекс работ по оцифровке, выполняемых лазерным сканером. Технология широко применяется для создания проектов реставрации памятников, объектов архитектурного наследия, а также реставрации и реконструкции зданий и сооружений.

По данным лазерного сканирование очень удобно производить работы по трехмерному моделированию. Модели, полученные таким способом, могут использоваться для создания BIM модели здания, модели для дизайна проекта благоустройства, 3Д модели памятника архитектуры, модели котлована и насыпи для подсчета объема работ.

Широкий спектр направлений, где применяется технология лазерного сканирования, объясняется высокой точностью, достоверностью измерений. Она одинаково хорошо подходит для измерений объемных параметров объектов, геодезической съемки, контроля качества реставрации зданий или памятников, а также дает возможность контролировать оползневые процессы, устойчивость бортов штолен, карьеров.