Що таке лазерне сканування?
Що необхідно зробити для побудови точної тривимірної моделі будівлі або креслення цеху? Безумовно, спочатку провести вимірювання і отримати координати всіх об'єктів (просторові x, y, z або x, y на площині), а потім вже уявити їх в потрібному графічному вигляді. Саме вимірювання координат об'єкту, інакше кажучи, зйомка, складають найбільш трудомістку і витратну частину всієї роботи. Як правило, геодезисти або інші фахівці, які проводять вимірювання, використовують сучасне обладнання, в першу чергу електронні тахеометри, які дозволяють отримувати координати точок з точністю декількох міліметрів.
Принцип роботи електронного тахеометра заснований на відображенні узконаправленного лазерного пучка від що відбиває цілі та вимірі відстані до неї. Відбивачем в загальному випадку служить спеціальна призма, яка кріпиться на поверхні об'єкту. Вимірювання двох кутів (вертикального і горизонтального) та відстані дає можливість обчислити тривимірні просторові координати точки відображення. Швидкість вимірювання тахеометра невисока (не більше 2 вимірювань в секунду). Такий метод ефективний при зйомці розрідженій, малозавантажені об'єктами площі, проте навіть і в цьому випадку складність, з якою доводиться стикатися при кріпленні відображають призм (на великій висоті, в важкодоступному місці), часто виявляється нездоланною.
Щодо недавня поява безвідбивачевих електроннихтахеометрів, які працюють без спеціальних відбивачів, справило «оксамитову» революцію в геодезії - тепер стало можна проводити вимірювання без довгих і утомливих пошуків сходів для підйому відбивача під дах будинку, всіляких підставок для установки призми над підлогою в приміщенні з високими стелями і інших подібних складнощів - досить лише навести на необхідну точку, адже промінь може відбиватися від будь-якій рівній поверхні.
При використанні методу традиційних тахеометрических вимірювань, скільки часу, наприклад, буде потрібно для детальної зйомки фасаду будівлі висотою 20 м або цеху металургійного заводу площею 2 га? Тижні, місяці? Застосування безвідбивачевого тахеометра може значно скоротити терміни, але, тим не менше, навіть у цьому випадку фахівець проведе за приладом довгі години і дні. А з якою ж щільністю він зможе виконати зйомку фасаду - одна точка на квадратний метр? Навряд чи цього буде достатньо для побудови високоякісного докладного креслення з усіма необхідними елементами. А тепер уявіть, що у вас є безвідбивачевий тахеометр, який веде зйомку автоматично, без участі оператора, зі швидкістю 5 тисяч вимірювань в секунду! Ще зовсім недавно така пропозиція уявлялося не менше фантастичним, ніж політ на Місяць сто років тому. Сьогодні це стало так само реально, як і сліди американських астронавтів або російського «Місяцехід» на поверхні нашого небесного сусіда. Назва цього чуда - лазерне сканування - метод, що дозволяє створити цифрову модель всього навколишнього простору, представивши його набором точок з просторовими координатами.
Відмінності лазерного сканера від електронного тахеометра
Основні відмінності лазерного сканера від будь-яких традиційних тахеометров - набагато більша швидкість вимірювань, повністю автоматизований сервопривід, що повертає вимірювальну головку в обох (як горизонтальної, так і вертикальної) площинах і, найголовніше, - швидкість (до 5000 вимірювань в секунду, або в середньому - два-три повних робочих дня вимірювань звичайним тахеометром) і щільність (до десятків точок на 1 квадратний сантиметр поверхні)! Отримана після вимірів 3D модель об'єкта являє собою гігантський набір точок (від сотень тисяч до декількох мільйонів), що мають координати з високою, міліметровою точністю. Не потрібно більше дивитися в окуляр тахеометра, вишукуючи необхідну мету, не потрібно натискати на кнопку для запуску далекоміра і записи отриманих даних в пам'ять, і, нарешті, не потрібно нескінченно переставляти прилад для пошуку найбільш вигідною для зйомки позиції. Тепер це можна робити все з однієї точки стояння без участі оператора і в сотні разів швидше, зберігаючи при цьому необхідну точність.
Зрозуміло, сканування - не чудово талісман, що дозволяє вирішити всі проблеми простим натисканням кнопки. Закони фізики, теорія електромагнітного випромінювання не дозволяють нам виконувати вимірювання крізь стіни, труби, будь-які непрозорі об'єкти, змушуючи робити кілька сканів з різних точок для отримання актуальної, повної і цілісної картини, але, незважаючи на ці обставини, лазерне сканування - набагато швидший, а, головне, в сотні разів більш інформативний метод отримання даних про об'єкт.
Як працює лазерний сканер?
Принцип роботи 3D лазерного сканера той же, що і звичайного тахеометра - вимір відстані до об'єкта і двох кутів, що, в кінцевому підсумку, дає можливість обчислити координати. Лазерний пучок виходить з випромінювача, відбивається від поверхні об'єкта і повертається в приймач. Обертається призма (або дзеркало) розподіляє пучок по вертикалі з наперед заданим кроком (наприклад, в 0,1 °). Таким чином, в окремо взятому вертикальному скане будуть виміряні всі точки з дискретністю в 0,1 ° (так, при максимальному вертикальному вугіллі 3D сканування в 140 ° їх буде, відповідно, 1400). Потім сервопривід автоматично повертає блок вимірювальної головки на кут, рівний кроку вимірювання (при тій же дискретності в 0,1 ° повний оборот сканера складається з 3600 окремих вертикальних площин). У підсумку повна цифрова картина навколишнього простору буде представлена у вигляді набору з 5040000 точок. П'ять мільйонів точок з високою точністю за 30 хвилин роботи! Більш повну цифрову картину не може надати ніякої іншої з відомих способів. Як правило, весь процес зйомки повністю автоматизований. Дані вимірювань в реальному часі записуються на зовнішній або внутрішній носій.
Схематично будь лазерний сканер можна розділити на кілька основних блоків:
- вимірювальна головка (як правило, в ній розташований лазерний випромінювач і приймач);
- обертається призма, що забезпечує розподіл пучка у вертикальній площині;
- сервопривід горизонтального кола, що обертає вимірювальну головку в горизонтальній площині;
- комп'ютер (зовнішній, внутрішній), призначений для управління зйомкою і запису даних на носій.
Як обробляються дані в лазерному скануванні?
Після того, як зроблені всі виміри, починається процес обробки отриманих даних. Спочатку «сирі вимірювання» представляють собою набір ( «хмара») точок, який необхідно представити у вигляді креслень або схем в форматі CAD. Зрозуміло, ніяке існуюче програмне забезпечення не може в даний час успішно вирішити проблему розпізнавання образів ні в автоматичному, ні в напівавтоматичному режимі з тим ступенем достовірності, яка необхідна користувачеві. Саме з цієї причини весь процес обробки даних вимагає участі людини - без копіткої ручної праці в найближчому майбутньому не обійтися. Процес обробки залежить від бажаного кінцевого результату, від того, що конкретно потрібно отримати: це може бути безпосередньо і саме хмара точок, тріангуляційна поверхню (TIN), набір перетинів, план, складна тривимірна модель, або просто набір вимірювань (довжини, периметри, діаметри , площі, обсяги).
В цілому, обробка даних в лазерному скануванні складається з декількох основних етапів, які перераховані нижче.
Зшивання сканів.
Як правило, під час зйомки сканування проводиться послідовно з декількох точок для повного покриття всієї поверхні об'єкту. При обробці отриманих даних для створення єдиної точкової 3D моделі необхідно провести об'єднання (зшивання) окремих сканів в один. Існує безліч методів зшивання сканів з різним ступенем автоматизації. Часто використовується метод поєднання сканів по опорних точках, які відображаються на суміжних сканах. В якості таких точок можуть використовуватися спеціальні призми, світловідбиваючі пластини або наклейки, які мають більш високий коефіцієнт відбиття, і тому цілком однозначно визначаються. Якщо лазерний сканер має компенсатор нахилу (як, наприклад, реалізовано в сканері Trimble GX), то потрібно всього одна вихідна опорна точка.
Трансформування координат.
Для точного уявлення майбутнього креслення або схеми необхідно завдання певної єдиної координатної системи. Початок системи координат кожного окремого скана знаходиться в центрі вимірювальної головки сканера. При переміщенні цього центру змінюється і положення початку системи координат ськана. Для зв'язку всіх координат об'єкту, отриманих з різних сканів, необхідно вибрати єдину систему координат, визначити в ній центр 3D сканування для кожного випадку (наприклад, за допомогою електронного тахеометра) і потім трансформувати всі отримані координати в єдину систему.
Де застосовується лазерне сканування?
Як багато технічні нововведення і технології, які нещодавно вийшли з лабораторій вчених, лазерне сканування знаходиться тільки на початку шляху освоєння різноманітних додатків. Але вже зараз можна перерахувати кілька технологічних сфер, де сканери застосовуються все більш активно:
- зйомка промислових об'єктів (заводи, нафтопереробні заводи, складне виробництво);
- зйомка мостів;
- зйомка та профілювання тунелів;
- промислові вимірювання (визначення обсягів резервуарів);
- гірська промисловість;
- реставрація і будівництво;
- архітектура та археологія.
Звичайно, у технології лазерного сканування велике майбутнє, і список буде доповнюватися новими, може бути, на перший погляд, неможливими додатками. Однак цілком очевидно вже сьогодні: лазерне сканування швидше, точніше і інформативніше, ніж більшість існуючих методів вимірювань.