Воздушное и наземное лазерное сканирование. Применение лазерного сканирования. Аппаратура и программное обеспечение

50 лет назад для составления точных схем и чертежей требовалось много людей и большой набор аппаратуры. С появлением тахеометров, сложные объекты стали переносить на чертежи в течение нескольких недель. GPS-приемники упростили эти задачи, но всё же недостаточно.

Сейчас на рынке стали доступны лазерные сканеры. С помощью этих устройств можно проводить геосъемку любой сложности и получать результаты за 1–2 дня. Как все дальномерные лазерные устройства 3D-сканер, получает необходимые данные методом измерения расстояния до объекта, горизонтальных и вертикальных углов. Этот процесс полностью автоматизирован.

Лазерный сканер ставят на штатив и приводится в рабочее положение. Затем оператор на подключенном компьютере задает границы работ и запускает лазерное сканирование . Дальше всё делает автоматика, геодезист только контролирует процесс.

Что такое лазерный сканер

Основной инструмент геодезиста при лазерной геосъемке – сканер.
Это компактная конструкция, ее габариты соответствуют размерам тахеометра.

Сканеры различаются по точности, дальности действия лазера и прочности корпуса. Для подсчетов объемов выемки грунта важным фактором становится дальность действия и степень защиты от плохих погодных условий.

Если речь идет о съемке фасадов жилых зданий, объектов культурного наследия или промышленных комплексов, то главное – точность сканирования и детализация.

Лазерный сканер дальномером вычисляет расстояние до частей объекта и преобразует их в облако точек или 3D-модель. Готовая компьютерная схема выглядит как полноценное цифровое фото, которым можно манипулировать на компьютере.

Следующий этап обработки зависит от указаний заказчика. Могут понадобиться разрезы, профили, развертка участков и элементов, плоские чертежи, исполнительные съемки для подтверждения объемов и иные материалы. Важно заранее составить техническое задание, в котором будут указаны все детали, чтобы не пришлось вызывать специалиста несколько раз.

Лазерное сканирование представляет собой передовую бесконтактную технологию трёхмерного измерения объектов и поверхностей. По сравнению с традиционными оптическим и спутниковым геодезическими методами технология лазерного сканирования характеризуется феноменальной детальностью, невероятной скоростью, высокой точностью измерений. Данная технология является поистине революционной в сфере инженерных изысканий, поскольку именно его появление предопределило мощный качественный рывок всей отрасли. Сегодня лазерное сканирование широко применяется в архитектуре, промышленности и энергетике, геодезии и маркшейдерии, на объектах транспортной инфраструктуры, в гражданском и промышленном строительстве, добывающей отрасли, археологии, востребована она также и во многих других отраслях производства и народного хозяйства.

Что такое трёхмерное лазерное сканирование?

Что необходимо сделать для построения точной трёхмерной 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 трудоёмкую 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 высокой точностью (до нескольких миллиметров).

Принцип работы электронного тахеометра основан на отражении узконаправленного лазерного пучка от отражающей цели и измерении расстояния до неё. Отражателем в общем случае служит специальная призма, которая крепится на поверхности объекта. Определение двух углов (вертикального и горизонтального) и расстояния даёт возможность вычислить трёхмерные пространственные координаты точки отражения. Скорость измерения тахеометра невысока (не более 2 измерений в секунду). Данный метод эффективен при съёмке разреженной, малозагруженной объектами площади, однако даже и в этом случае сложности, с которыми приходится сталкиваться при креплении отражающих призм (на большой высоте или в труднодоступном месте), зачастую оказываются непреодолимыми.

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 подъёма 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 съёмки 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 съёмку 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 ведёт съёмку автоматически, без участия оператора, со скоростью 5 тысяч измерений в секунду! Ещё 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 . Это метод, который позволяет создавать цифровые модели всего окружающего пространства, представляя его набором (облаком) точек с пространственными координатами.

Съёмка со скоростью 5 тысяч точек в секунду была чудом, когда технология лазерного сканирования только начинала завоёвывать мир геодезических изысканий. Сейчас же современные лазерные сканеры позволяют выполнять съёмку с поистине невероятной скоростью - более миллиона точек в секунду ! Это действительно в значительной степени сокращает трудозатраты на полевой этап работ, при этом давая возможность оперативно получать сверхподробные данные результатов измерений с высокой точностью.

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, в которых 3D лазерные сканеры применяются все более активно и уже достаточно давно стали практически незаменимыми:
- съемка промышленных объектов (заводы, нефтеперерабатывающие заводы, сложное производство);
- съемка объектов энергетики (атомные, гидро- и тепловые электростанции);
- съемка мостов;
- съемка и профилирование тоннелей;
- промышленные измерения (определение объемов резервуаров, жидких и сыпучих материалов);
- горная промышленность;
- реставрация и строительство;
- архитектура и археология.

Лазерное сканирование – это метод высокоточного картографирования местности или её оцифровывание. Однако, в отличие от технологий позволяющих вести последовательную съемку отдельных точек, сканирование позволяет быстро получать детальные измерительные данные обо всем объекте в целом. Как будто камера делает панорамную фотографию на 360 градусов, но при этом получает точные трехмерные координаты каждого пикселя.

Где применяются наземные лазерные сканеры?

Получение качественной исполнительной съемки или измерительной информации о текущем состоянии объекта, это очень важно для строительства и реконструкции, такая съемка снижает риски и стоимость работ.

Топографическая съемка, получаемая посредством лазерного сканера, настолько полная и детальная, что вы всегда можете обращаясь к массиву данных словно бы вернуться в поле, найти необходимы данные или дополнить проект. Также все работы производятся значительно быстрее.

Быстрый подсчет объёмов складов, жидкостей или сыпучих материалов с получением более точного результата, даже при измерении геометрически более сложных объектов. Это востребовано там, где невозможно сделать измерения тахеометром или GNSS приемником. Данную задачу приходится решать в различных сферах:

• химические предприятия (производство удобрений);
• добыча полезных ископаемых (уголь, руда, песок, щебень);
• агропромышленные предприятия (учет сельскохозяйственной продукции);
• производство стройматериалов (цемент);
• нефтепереработка и хранение.

Съемка дорог на расстоянии. Выполнить съемку оживленного шоссе или развязки очень затруднительно, т.к. постоянный трафик не позволит быстро пройтись по дороге с RTK ровером. Используя лазерный сканер, мы можем произвести съемку, находясь на безопасном расстоянии.

Криминалистика – вы можете в любой момент открыть цифровую модель места происшествия на своем компьютере, чтобы произвести дополнительные измерения и анализ, возможно, это позволит заметить некоторые детали, которые ускользнули от взора при первичном осмотре места преступления.

Так как данные, полученные посредством лазерного сканера – это измерительная информация, вы можете использовать их в программах для различного рода задач. Например, по виртуальным данным можно анализировать реальное расположение конструкций относительно проектного.

Как работает лазерный сканер?

Весь процесс выполнения любого вида работ лазерным сканером можно разбить на две составляющих:

• первая – это полевой этап, на котором сканер производит физическую съемку объектов;
• вторая – это камеральная обработка, где полевые данные преобразуются в те результаты, которые и используются в дальнейшей работе.

Ставим сканер в оптимальное для съемки выбранного объекта положение, нажимаем кнопку и просто ждем, пока прибор сделает свою работу. На полевом этапе, если необходимо, можно получить панорамные снимки и сделать исходные данные еще более реалистичными. Перед началом работы нужно правильно выбрать место установки инструмента, это позволит сократить количество станций и сэкономить время.

Как получить 3D модель всего объекта?

Для этого необходимо выполнить сканирование с нескольких точек, что позволит получить облака точек одного и того же объекта с разных ракурсов, которые потом сшиваем и привязываем к системе координат. Сканы могут быть точно привязаны к нужной системе координат, как при стандартной топографической съемке.

Программное обеспечение для обработки позволяет создавать бесконечное количество конечных проектов и выделять только ту информацию, которая необходима: двухмерные планы и высотные отметки, понятные и удобные панорамные изображения с возможностью получение измерений для каждого пикселя, сечения и профили, объем, направление выстрелов для анализа траектории полета пули и создания картин преступлений.

Кроме того технология сканирования позволяет получить дополнительные результаты, например, детальные топографические планы, триангуляционные поверхности, полностью текстурированные модели, обзорные видео, интеллектуальные 3D модели промышленных объектов, а также BIM (информационные модели зданий).

Обучение работе на лазерном сканере

Наши специалисты обучат вас работать со сканером и программным обеспечением для получения нужного результата. Они эксперты во всех профильных вопросах, начиная от решения самых простых задач, и заканчивая наиболее сложными. Иными словами мы поможем вам реализовать все возможности технологии лазерного сканирования, независимо от того, где и как вы собираетесь её применять:

• проектирование;
• строительство;
• управление производством;
• эксплуатация и обслуживание зданий и сооружений;
• криминалистика;
• моделирование;
• в образовательной сфере;
• съёмка промышленных объектов;
• создание информационных моделей зданий;
• в археологии и сохранении памятников.

ООО «А-ГЕО» - ваш главный партнёр по профессиональному внедрению и использованию технологий лазерного сканирования.

Развитие геодезической техники привело к появлению технологии 3D лазерного сканирования. На сегодняшний день это один из самых современных и производительных методов измерений.

Наземное лазерное сканирование — бесконтактная технология измерения 3D поверхностей с использованием специальных приборов, лазерных сканеров. По отношению к традиционным оптическим и спутниковым геодезическим методам характеризуется высокой детальностью, скоростью и точностью измерений. 3D лазерное сканирование применяется в архитектуре, промышленности, строительстве дорожной инфраструктуры, геодезии и маркшейдерии, археологии.

Классификация и принцип действия 3D лазерных сканеров

3D лазерный сканер – прибор, который, производя до миллиона измерений в секунду, представляет объекты в виде набора точек с пространственными координатами. Полученный массив данных, называемый облаком точек, может быть впоследствии представлен в трехмерном и двухмерном виде, а также использован для измерений, расчетов, анализа и моделирования.

По принципу действия лазерные сканеры разделяют на импульсные (TOF), фазовые и триангуляционные. Импульсные сканеры рассчитывают расстояние как функцию времени прохождения лазерного луча до измеряемого объекта и обратно. Фазовые оперируют со сдвигом фаз лазерного излучения, в триангуляционных 3D сканерах приемник и излучатель разнесены на определенное расстояние, которое используется для решения треугольника излучатель-объект-приемник.

Основные параметры лазерного сканера – дальность, точность, скорость, угол обзора.

По дальности действия и точности измерений 3D сканеры разделяются на:

• высокоточные (погрешность меньше миллиметра, дальность от дециметра до 2-3 метров),
• среднего радиуса действия (погрешность до нескольких миллиметров, дальность до 100 м),
• дальнего радиуса действия (дальность сотни метров, погрешность от миллиметров до первых сантиметров),
• маркшейдерские (погрешность доходит до дециметров, дальность более километра).

Последние три класса по способности решать различные типы задач можно отнести к разряду геодезических 3D-сканеров. Именно геодезические сканеры используются для выполнения работ по лазерному сканированию в архитектуре и промышленности.

Скорость действия лазерных сканеров определяется типом измерений. Как правило, наиболее скоростные фазовые, на определенных режимах скорость которых достигает 1 млн измерений в секунду и более, импульсные несколько медленнее, такие приборы оперируют со скоростями в сотни тысяч точек в секунду.

Угол обзора – ещё один немаловажный параметр, определяющий количество данных, собираемых с одной точки стояния, удобство и конечную скорость работы. В настоящее время все геодезические лазерные сканеры имеют горизонтальный угол обзора в 360°, вертикальные углы варьируются от 40-60° до 300°.

Характеристики лазерного сканирования

Хотя первые сканирующие системы появились относительно недавно, технология лазерного сканирования показала свою высокую эффективность и активно вытесняет менее производительные методы измерений.

Преимущества наземного лазерного сканирования:

• высокая детализация и точность данных;
• непревзойденная скорость съемки (от 50 000 до 1 000 000 измерений в секунду);
• безотражательная технология измерений, незаменимая при выполнении работ по лазерному сканированию труднодоступных объектов, а также объектов, где нахождение человека нежелательно (невозможно);
• высокая степень автоматизации, практически исключающая влияние субъективных факторов на результат лазерного сканирования;
• совместимость полученных данных с форматами программ по 2D и 3D проектированию ведущих мировых производителей (Autodesk , Bentley , AVEVA , Intergraph и др.);
• изначальная «трехмерность» получаемых данных;
• низкая доля полевого этапа в общих трудозатратах.

Применение 3D лазерного сканирования выгодно по нескольким причинам:

• проектирование с использованием трехмерных данных геодезических изысканий не только упрощает сам процесс проектирования, но главным образом повышает качество проекта, что минимизирует последующие расходы на этапе строительства,
• все измерения проводятся крайне быстрым и точным методом, исключающим человеческий фактор, степень достоверности информации повышается в разы, уменьшается вероятность ошибки,
• все измерения проводятся безотражательным способом, дистанционно, что увеличивает безопасность работы; например, нет необходимости перекрывать автостраду для съемки поперечных сечений, возводить строительные леса для измерения фасада,
• технология лазерного сканирования интегрируется с большинством САПР (Autodesk AutoCAD , Revit , Bentley Microstation), а также с «тяжелыми» средствами проектирования, такими как AVEVA PDMS , E3D , Intergraph SmartPlant , Smart3D, PDS.
• результат изысканий получается в различных видах, от выходного формата зависит цена лазерного сканирования и сроки работ:
  • трехмерное облако точек (определенные САПР работают уже с этими данными),
  • трехмерная модель (геометрическая, интеллектуальная),
  • стандартные двумерные чертежи,
  • трехмерная поверхность (TIN, NURBS).

Процесс лазерного сканирования состоит из трех основных этапов:

• рекогносцировка на местности,
• полевые работы,
• камеральные работы, обработка данных

Применение лазерного сканирования

Работы по лазерному сканированию в России на коммерческой основе выполняются с десяток лет. Несмотря на то, что технология достаточно универсальна, за это время определился круг основных применений.

Наземное лазерное сканирование в геодезии, маркшейдерии применяется для съемки топографических планов крупного масштаба, съемки ЦМР. Наибольшая эффективность достигается при лазерном сканировании карьеров, открытых выработок, шахт, штолен, тоннелей. Скорость метода позволяет оперативно получать данные о ходе земляных работ, рассчитывать объемы вынутой породы, осуществлять геодезический контроль хода строительства, следить за устойчивостью бортов карьера, мониторить оползневые процессы. Подробнее см. в статье

Лазерный сканер – устройство, проводящее замеры с помощью специального излучения. Пространственные координаты формируются в результате измерений расстояния до точек и углов отражений.

Частота сканирования при этом должна быть большой и достигать 100 тыс. замеров в секунду.

Таким образом, накапливается большой объем данных о координатах, которые затем будут обработаны с помощью компьютеров и в итоге будет построена готовая цифровая модель поверхности или любого другого объекта.

Различают сканеры наземного и воздушного базирования. О последних и пойдет речь в нашей статье.

Как проходит воздушное лазерное сканирование

Производится оно с помощью нескольких взаимодействующих компонентов: лазерного сканера, приборов спутникового позиционирования и инерциальной системы. Расстояние до точки измеряется путем замера промежутка времени между отправкой сигнала и его приемом.

Одновременно с этим с помощью GPS измеряются углы путем регистрации положения воздушного судна в пространстве. Измерительная навигационная система необходима для постоянного измерения параметров положения судна в пространстве, например наклона или крена.

В итоге конечное вычисление координат точек происходит путем совместной обработки данных воздушного судна, локационного измерения расстояний и ориентации самого лазерного сканера.

Зачастую в составе этого комплекса так же задействуют цифровую аэрофотокамеру, которая производит синхронную съемку местности.

Преимущества метода

Данный метод является одним из наиболее быстрых и точных методов получения пространственной модели поверхности с точностью до 5-15 сантиметров. Проводится он на высоте от 500 до 1000 метров при помощи самолетов или вертолетов.

Качество напрямую зависит от высоты съемки: чем выше высота полета, тем хуже итоговая модель. В результате получается качественная модель даже самых сложных рельефов с густой растительностью и с учетом самых мелких деталей.

К основным преимуществам относят следующее:

• Расстояние до объекта измеряется максимально точно вне зависимости от характеристик и типа поверхности: будь это темная поверхность (постройки, грунт, асфальт) или светлая (снег или песок)


• Трехмерные данные получаются с большой плотности и высокой точностью


• Возможность одновременного измерения до земли и верхушек деревьев


• Возможность получения картографических данных крупного масштаба с производительностью 1000 кв.м за 12 часов при проведении аэросъемочных работ, а так же 24 часа для получения уже готовой трехмерной модели рельефа


• Результат в цифровом виде

Материал для статьи предоставлен компанией "АртГео" -