Лекция Лазерные сканеры наземного и воздушного базирования. Лазерные сканеры наземного базирования (3-х мерное сканирование).

    Скачать с Depositfiles 

                                        Лекция 12

 Лазерные сканеры наземного и воздушного базирования

1. Лазерные сканеры наземного базирования (3-х мерное                                                 сканирование)

Лазерные сканеры для наземных съемок являются более сложными устройствами по сравнению с электронными тахеометрами, хотя в них заложены те же принципы определения координат точек, что используются и в электронных тахеометрах, которые основаны на автоматическом измерении углов и расстояний.

Основное отличие сканера от электронного тахеометра состоит в том, что каждая точка с помощью электронного тахеометра определяется индивидуально, и на каждую точку затрачивается время от единиц до десятков минут. Это связано с тем, что наблюдатель сначала находит точку визуально, затем наводит на нее зрительную трубу прибора, вводит номер наблюдаемой точки и производит измерения, которые вводит в память (либо стирает). Практически эти же операции наблюдатель выполняет даже в том случае, если наведение на цель осуществляется автоматически, т.е. если используется роботизированный электронный тахеометр. При этом самые быстрые измерения выполняются со скоростью не более двух измерений в секунду.

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. 5.7 показана схема, поясняющая принцип действия сканера. Основными узлами сканера являются:

Рис. 5.7 – 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, вотдельно 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°).

Углы поворота сканирующей призмы в вертикальной плоскости и угол поворота сканирующей головки в горизонтальной плоскости измеряют с помощью аналого-цифровых преобразователей. Таким образом, измеренное расстояние и два угла (вертикальный и горизонтальный) в конечном итоге дают возможность вычислить координаты сканируемой точки. Полный просмотр поля зрения сканера осуществляется построчно и содержит 3600 отдельных вертикальных плоскостей. Необходимо отметить, что технические параметры различных сканеров могут несколько отличаться от указанных выше.

На рис 5.8 показан реальный сканер, соответствующий схеме, представленной на рис. 5.7.

Рис. 5.8 – Реальный сканер, соответствующий схеме из рис. 5.7

Весь процесс съемки полностью автоматизирован. Полученные в момент съемки «сырые измерения» представляют собой набор («облако») точек (рис. 5.9), которые необходимо представить в виде чертежей, схем в CAD формате. На этом рисунке представлены результаты съемки сканером Callidus, Германия (фирма Trimble).

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.

Рис. 5.9 – Предварительные результаты— «облако точек».

Съемка выполнена сканером Callidus, Германия (фирма Trimble)

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) (рис. 5.10–5.11).

Рис. 5.10 – Купол московского планетария, внутренний контур

Рис. 5.11 – Облако точек; вертикальные сечения; вертикальные и горизонтальные сечения купола планетария

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 (рис. 5.12).

Рис. 5.12 – Сравнение сечения тоннеля, полученного сканером, с проектным сечением

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.

Лазерное сканирование позволяет зафиксировать все формы рельефа, присутствующие в зоне съемки, и в процессе постобработки уточнить необходимость отображения того или иного элемента.

Применение лазерных сканеров особенно эффективно для съемки горных карьеров, обрывов, в горной местности, резервуаров, фасадов зданий, архитектурных сооружений (рис. 5.13).

Рис. 5.13 – Лазерное сканирование в реставрации (архитектурный обмерный чертеж)

Использование наземного лазерного сканирования для съемки фасадов и архитектурных памятников является развитием и совершенствованием наземной фотограмметрии. Учитывая возможность фиксации сканирующими системами истинного цвета или совмещение их с цифровыми фотокамерами, можно оперативно получать координированные модели объектов фотореалистического качества, строить по ним сечения и выделять структурные линии. Сведенные в одну систему результаты сканирования позволяют получить трехмерную модель здания, сделать комплексную оценку состояния и использовать модель для смежных задач: проектирования, реконструкции, визуализации планируемых изменений, строить сечения, рассчитывать количество строительных материалов для реставрации, реконструкции и пр. Кроме того, с использованием технологии наземного лазерного сканирования можно выполнять съемку внутри инженерных сооружений (цехов и т. п.) (рис. 5.14), что в ряде случаев трудно или просто невозможно сделать традиционными методами.

Рис. 5.14 – Лазерное сканирование для построения трехмерных моделей

сложных промышленных установок

Одним из перспективных направлений использования лазерных сканеров является съемка резервуаров. Как известно, существуют два основных метода калибровки резервуаров: согласно первому методу объем резервуара определяют с помощью счетчиков, регистрирующих количество вытекающей жидкости. Этот метод имеет малую производительность и практически не применим для больших резервуаров. Второй метод основан на вычислении объема на основании измерения размеров резервуара с помощью рулетки. При вычислении форма резервуара принимается за геометрически правильную, что практически не соответствует действительности из-за деформаций вследствие воздействия естественных факторов (термическое, ветровое воздействие, осадка и пр.). Применение лазерного сканера для этой цели позволяет решать подобные задачи довольно эффективно: объем резервуаров может быть определен с погрешностью 0,07%, а время измерений — не более часа. Полученные данные представляют собой цифровую модель стенок резервуара, состоящую из сотен тысяч точек, что позволяет учесть все неровности, дефекты стенок резервуара и вычислить объем с высокой точностью.

Затраты на проведение измерений в этом случае сокращаются в десятки раз, а получаемая точность соответствует принятым нормам.

Иногда в поле возникают проблемы в получении отдельных характеристик некоторых объектов, например, оценка провисания коммуникаций (проводов или наземных трубопроводов) между опорами, определение диаметра труб и мест смены диаметров труб на эстакадах, оценка линейных размеров объектов, не говоря уже об объектах, имеющих сложные поверхности. Трехмерные модели таких объектов, используя традиционные технологии сбора данных, зачастую построить просто невозможно.

По данным сканирования эти вопросы решаются значительно легче, так как все материалы съемок находятся в едином трехмерном координатном поле, благодаря чему взаимное положение моделей объектов определяется с высокой точностью. Точность построения отдельных элементов модели и точность их взаимного положения определяется в основном точностью сканирующей системы.

На рис. 5.15 – 5.18 показаны примеры объектов и сканов, снятых лазерными сканерами.

Рис. 5.15 –

Рис. 5.16 –

Рис. 5.17 –

Рис. 5.18 –

 
 
  Скачать с Depositfiles