Совместное использование наземных лазерных сканеров и цифровых камер Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 528:528.7 А. Ковров Геокосмос, Москва

СОВМЕСТНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НАЗЕМНЫХ ЛАЗЕРНЫХ СКАНЕРОВ И ЦИФРОВЫХ КАМЕР

Использование лазерного сканера Riegl LMS, совместно с цифровыми камерами высокого разрешения позволяет получить детализированное цветное (RGB) облако точек в пространственной системе координат. Цветное облако точек значительно упрощает процесс камерального дешифрирования и позволяет в короткие сроки создать детализированную модель сканируемого объекта.

Преимущества лазерного сканирования (JIC) следующие:

- Трехмерность данных;

- Множество видов представления результатов;

- Высокая точность и детальность;

- Дистанционность;

- Оперативность съемочных работ;

- Высокая мобильность комплекса;

- ЛС аналогично фотограмметрическим методам, но позволяет получать координаты с одной точки стояния;

- Упрощенная схема привязки к системе координат

Основные преимущества наземных лазерных сканеров производства Riegl:

- Универсальность;

- Скорость сканирования до 12 ООО точек/сек;

- Точность до 5 мм;

- Дальность до 1 ООО м;

- Угол поля сканирования 360° / 90°;

- Защита от пыли и влаги ip64 (возможность работы в агрессивных средах);

- Рабочая температура от 0° до +40° (от -25° С при использовании терморубашки).

Особенностью использования сканера Riegl совместно с цифровыми камерами высокого разрешения является возможность использования камер разных производителей (например, Nikon и Canon) и разных типов (Nikon D100, Nikon D70, Canon EOS 1Ds) на одном и том же сканере. Данная особенность является неоспоримым преимуществом по сравнению с другими конструктивными решениями, так как позволяет использовать сканер с камерой или без нее, в зависимости от поставленных задач и условий проведения съемки.

Преимущества метода перед фотограмметрическими способами съемки

Лазерное сканирование и моделирование аналогично фотограмметрическим методам, но позволяет получать координаты с одной точки стояния и без последующей камеральной обработки - с возможностью контроля измерений непосредственно в полевых условиях. Кроме того, обеспечивается более высокая точность измерений по сравнению с фотограмметрическими методами при одинаковом удалении от снимаемого объекта.

Необходимо отметить такие преимущества лазерного сканирования как:

1. Возможность настройки некоторых моделей сканеров на фиксацию первого и/или последнего отражения, что позволяет разделять отраженный сигнал от растительности и поверхности земли - «пробивать» растительность;

2. Отсутствует необходимость в использовании стереопар. Посадка цветных изображений, полученных с помощью цифровой камеры высокого разрешения осуществляется с помощью программного обеспечения Riscan Pro;

3. Упрощенная схема привязки к системе координат;

4. Финансовые и временные затраты говорят в пользу лазерного сканирования. При отсутствии необходимости векторизации трехмерного растра, работа с результатами лазерного сканирования может выполняться в режиме реального времени, что для фотограмметрических способов невозможно;

5. Существенно упрощен процесс постобработки;

6. Весь процесс постобработки сводится либо к измерениям по облаку точек, либо построению пространственной модели в AutoCAD;

7. Один человек может управлять лазерным сканером.

Преимущества метода перед тахеометрической съемкой и другими наземными видами съемки:

- Мгновенная трехмерная визуализация;

- Высокая точность;

- Несравнимо более полные результаты;

- Оперативный сбор данных;

- Обеспечение безопасности при съемке труднодоступных и опасных объектов.

Материальные затраты по сбору данных и моделированию объекта методами трехмерного лазерного сканирования на небольших участках и объектах сопоставимы с традиционными методами съемки. Даже при сопоставимых расходах на съемку, полнота и точность результатов лазерного сканирования позволяют избежать дополнительных расходов на этапах

проектирования, строительства и эксплуатации объекта. Сравнение временных затрат просто бессмысленно - счет идет на порядки.

Общее определение системы

Трехмерный (3D - three dimentional) лазерный зеркальный сканнер 3D Laser Mirror Scanner LMS-Z420i представляет собой, безопасную для зрения систему отображения поверхности, основанную на точном измерении дальности. Система включает светодальномер, совмещенный со сканирующим по двум осям механизмом. Трехмерные изображения строят, выполняя последовательность независимых друг от друга светодальномерных измерений. Эти измерения выполняют в разных, но строго заданных направлениях. В своей совокупности результаты дальномерных измерений и заданные значения углов (направлений) служат основой для формирования трехмерных изображений.

Структура системы

Как сказано ранее, лазерный сканнер LMS-Z420i включает установленные в прочном корпусе точный светодальномер и двухосный сканирующий механизм. Дальномерная система состоит из импульсного светодальномера, работающего в инфракрасном диапазоне.

Генератор электрических импульсов периодически генерирует электрические импульсы и подает их на полупроводниковый лазер (лазерный светодиод). Под воздействием этих электрических импульсов полупроводниковый лазер генерирует инфракрасные световые импульсы. Объектив коллимирует световое излучение лазера и направляет его на объект. Часть отраженного от объекта сигнала, сфокусированного на фотодиоде приемной оптической системой, генерирует в этом фотодиоде электрический импульс. Интервал времени между моментом излучения импульса и моментом прихода этого же импульса, отраженного от объекта, измеряют с помощью измерителя временных интервалов, работающего на основе кварцевого генератора. Полученное значение расстояния поступает на встроенный микрокомпьютер. Микрокомпьютер обрабатывает результаты измерений и готовит эти результаты для вывода данных.

Принцип совместной работы сканера и цифровой камеры

Цифровая камера высокого разрешения и лазерный сканер Riegl LMS объединяются в одну систему; получаемые при этом текстуры поверхности объекта могут быть назначены трехмерному облаку точек автоматически и с высоким разрешением. Лазерный сканер позволяет получить высокоточную и детализированную трехмерную модель за относительно короткое время. Фотокамера предоставляет реалистичные текстуры поверхности снимаемого объекта.

С помощью цифровой камеры получают серию изображений, покрывающих весь объект в пределах области предполагаемого сканирования. После сканирования, соответствующие плотности точек берутся с этих снимков. Это позволяет в последующей обработке оперировать не только с облаком точек, но и с цифровыми изображениями

объекта, что существенно повышает информативность полученной информации об объекте.

Результаты сканирования (сканы), проведенного с различных точек, могут быть «сшиты» друг с другом для создания полной модели комплекса конструкций и местности с помощью программного обеспечения (ПО) Riscan Pro. ПО Riscan Pro позволяет визуализировать точечную модель, вращать ее, перемещаться и проводить измерения между любыми точками или моделируемыми поверхностями, «заглядывать», «гулять» по только что снятому объекту. Каждая графическая точка может быть окрашена в зависимости от интенсивности отраженного лазерного сигнала, «истинного цвета» или другого параметра (например, высотной отметки или удаления от точки съемки), что улучшает визуализацию объекта. Подобной функцией обладают не только специализированные «сканерные» программы, но и более широко распространенные программные продукты.

По результатам полевой съемки возможно построение модели снимаемой местности или объекта — объединения точек в сеть триангулированных ячеек (TIN-модель). Программа автоматически определяет границы ячеек, формирует очертания отдельных объектов, анализирует интенсивность и цвет изображения и получает модель с четкими контурами и цветовым разграничением различных геометрических элементов (откосы, трубы, резервуары, стальные конструкции и т. д.). Процесс занимает немного времени, что позволяет получать трехмерное изображение объекта непосредственно в полевых условиях.

Трехмерная модель, получаемая в процессе сканирования, изначально не является векторной (не описана набором математических уравнений), но по ней можно выполнять пространственные измерения: вычислять объемы насыпи и выемки, расстояния между точками, нормальные расстояния от точки до поверхности, между поверхностями и осями и отдельными составляющими модели. Точечный массив может быть преобразован в векторную трехмерную модель и двухмерные рисунки с помощью различных программ, которые могут использоваться вместе со сканирующими и моделирующими системами и содержат библиотеки объектов. Модель и контуры могут быть напрямую перенесены в среду AutoCAD (Autodesk, 1пс.,США), MicroStation (Bentley Systems, Inc., США), 3D StudioMax и других САПР и ГИС.

Недостатками трехмерной растровой модели являются большой объем занимаемой памяти (до 70 Мб на один «скан» при поле зрения 360x80° и угловом разрешении 0,1о) и более медленное манипулирование. Векторная трехмерная модель того же объекта занимает всего 20 - 500 Кб. В то же время растровая модель имеет ряд преимуществ: она получается сразу же после завершения сканирования и стоит дешевле. Необходимо четко оценивать целесообразность векторизации изображения, поскольку в некоторых случаях (например, для контроля формы в процессе строительства, вычисления объемов, поведения измерения на недоступных участках и т. д.) достаточно и

необходимо по временным и материальным затратам иметь растровую модель.

Основные сферы применения лазерного сканера

1. В электроэнергетике;

2. В нефтяной и газовой промышленности;

3. В строительстве и эксплуатации инженерных сооружений;

4. В горной промышленности;

5. В архитектуре;

6. Оперативный контроль и мониторинг инженерных объектов, экологический контроль.

Использование лазерной сканирующей системы для съемки памятников

1. Паспортизация памятников архитектуры;

2. Проектирование памятников;

3. Создание виртуальной модели;

4. Прогулка по виртуальной модели;

5. Создание и восстановление исполнительной документации.

В архитектуре

1. Паспортизация памятников архитектуры;

2. Реставрация фасадов;

3. Проектирование архитектурных сооружений;

4. Обзор проектируемого сооружения с различных точек зрения с учетом окружающей действительности;

5. Прогулка по виртуальной модели для оценки эстетического восприятия;

6. Создание и восстановление исполнительной документации и создание рабочих чертежей.

В горной промышленности

1. Составление планов горных выработок, составление и пополнение цифровой модели карьера;

2. Наблюдения за деформациями бортов карьеров при разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом;

3. Наблюдения за деформацией земной поверхности в районах горных разработок, наблюдения за осадкой зданий и сооружений в процессе строительства и эксплуатации;

4. Контроль за проектами съемки: определение объемов земляных работ, реконструкция подъездных железнодорожных путей, автомобильных дорог, при рекультивации земель, нарушенных горными разработками, для обновления топографических планов земной поверхности, при сооружении и эксплуатации гидроотвалов, шламо-, хвостхранилищ, внешних отвалов вскрышных пород, складов забалансовых руд и других текущих работ;

5. Определение объемов труднодоступных горных выработок (камер), складов полезных ископаемых сложной конфигурации;

6. Маркшейдерское сопровождение буровзрывных работ;

7. Наблюдения за деформациями плотин (дамб) накопителей жидких промышленных отходов (шламо-, хвостохранилищ ).

В строительстве и эксплуатации инженерных сооружений

1. Индустриальная съемка;

2. Контроль за строительством;

3. Корректировка проекта в процессе строительства;

4. Оптимальное планирование и контроль перемещения, установки и удаления крупных частей сооружений или оборудования;

5. Монтажные работы, калибровка;

6. Исполнительные трехмерные съемки зданий, инженерных сооружений и в процессе и по окончании строительства.

Создаваемые модели могут быть представлены в виде облаков точек, сетей треугольников, простых и сложных геометрических примитивов с сохранением реальных цветов снимаемых объектов.

В сочетании технологии лазерного сканирования с фотограмметрическими методами можно добиться фотореалистического качества трехмерной модели виртуальной реальности.

По моделям возможно проведение любых измерений и расчетов. По сохраненному виртуальному образу можно выполнять создание рабочих чертежей и производить восстановление или реставрацию утраченного памятника или архитектурного сооружения.

Перспективы в лазерном сканировании

1. Наземное сканирование в реальном времени;

2. Инерциальная система;

3. Беспроводная передача данных;

4. Повышение точности (первые миллиметры и выше), скорости (до нескольких десятков тысяч измерений в секунду) и дальности (более километра) измерений с сохранением высокого уровня безопасности лазера (Класс I);

5. Уменьшение массогабаритных характеристик, повышение удобства использования и управления;

6. Совершенствование специализированных пакетов программного обеспечения для автоматизации процесса моделирования и создания планов;

7. Интеграция с оборудованием для дистанционного мониторинга и дефектоскопии (тепловизионное, ультразвуковое оборудование и т. п.);

8. Совершенствование мобильных решений для съемки в движении (сопряжение сканера с инерциальной системой и установка на автомобиль).

В настоящее время на рынке существует несколько коммерческих моделей трехмерных лазерных сканирующих и моделирующих систем наземного базирования:

1. LMS Z210i - универсальный;

2. LMS Z360i - повышенной точности и скорости;

3. LMS Z420i - повышенной точности и дальности.

Выводы

1. В зависимости от поставленных задач, существует возможность выбора, использовать сканер с цифровой камерой или без нее;

2. Существует возможность выбора производителя камеры (Сапоп, Мкоп) и ее типа;

3. Использование сканера Riegl совместно с цифровой камерой позволяет получить детализированное цветное облако точек, что существенно упрощает процесс пост-обработки (дешифрирования и построения модели).

© А. Ковров, 2006