Pozemské laserové skenování

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 31. ledna 2019; kontroly vyžadují 7 úprav .

Pozemní laserový skener (LLS) je průzkumný systém, který měří vysokou rychlostí (několik tisíc až milion bodů za sekundu) vzdálenost od skeneru k povrchu objektu a registruje odpovídající směry (vertikální a horizontální). úhly) s následným vytvořením trojrozměrného obrazu (skenování) ve formě mračna bodů .

Podstata pozemního laserového skenování a jeho výhody

Pozemní laserový skenovací systém se skládá z NLS a polního osobního počítače se specializovaným softwarem. NLS se skládá z laserového dálkoměru přizpůsobeného pro vysokofrekvenční provoz a skeneru laserového paprsku . Servopohon a polygonální zrcadlo nebo hranol fungují jako skener v NLS . Servo vychyluje paprsek o danou hodnotu v horizontální rovině, přičemž otáčí celou horní částí skeneru, které se říká hlava. Skenování ve vertikální rovině se provádí otáčením nebo kýváním zrcadla.

Během procesu skenování je směr šíření laserového paprsku a vzdálenost k bodům objektu pevně stanovena. Výsledkem operace NLS je rastrový obrázek - sken, jehož pixelové hodnoty jsou vektorové prvky s následujícími složkami: měřená vzdálenost, intenzita odraženého signálu a RGB složka charakterizující skutečnou barvu bodu. U většiny modelů NLS jsou skutečné barevné charakteristiky pro každý bod získány pomocí nemetrického digitálního fotoaparátu.

Další formou znázornění výsledků pozemního laserového skenování je pole bodů laserových odrazů od objektů v zorném poli skeneru s pěti charakteristikami, a to prostorovými souřadnicemi , intenzitou a skutečnou barvou. $(x,y,z)$

Provoz laserových dálkoměrů používaných v NLS je založen na pulzních a fázových bezreflektorových metodách měření vzdáleností a také na metodě přímého úhlového rozmítání (triangulační metoda).

Princip činnosti pozemních laserových skenerů

Pulzní metoda pro měření vzdáleností

Impulzní metoda měření vzdáleností je založena na měření doby, kterou signál potřebuje k cestě z transceiveru k objektu a zpět. Při znalosti rychlosti šíření elektromagnetických vln c , můžeme určit vzdálenost jako

R={\frac {c\tau }{2}}

kde τ je čas měřený od okamžiku, kdy je puls aplikován na laserovou diodu , do okamžiku, kdy je přijat odražený signál.

Pulzní metoda měření vzdáleností je v přesnosti nižší než fázová metoda. Skutečná přesnost každého měření totiž závisí na řadě parametrů, z nichž každý může ovlivnit přesnost konkrétního měření. Ty parametry jsou:

trvání a tvar (zejména strmost náběžné hrany) snímacího impulsu
reflexní vlastnosti předmětu
optické vlastnosti atmosféry
textura a orientace elementárního povrchu předmětu, který způsobil odraz sondovacího paprsku vzhledem k přímce pohledu

Fázová metoda pro měření vzdáleností

Fázová metoda měření vzdáleností je založena na stanovení fázového rozdílu mezi vysílanými a přijímanými modulovanými signály. V tomto případě se vzdálenost vypočítá podle vzorce

R={\frac {\varphi _{\text{2R}}c}{4\pi f}}

kde φ 2R je fázový rozdíl mezi referenčním a pracovním signálem;

f je modulační frekvence.

Způsob činnosti zařízení pro měření fáze závisí na jeho teplotě, přičemž změna, při které se fáze signálu mírně mění. V důsledku toho nelze určit přesný původ referenční fáze. Za tímto účelem se měření fáze opakují na referenčním segmentu (kalibrační čáře) uvnitř zařízení. Hlavní výhodou metody měření fáze je vyšší přesnost, která může dosahovat několika milimetrů.

Zdroje a klasifikace chyb ve výsledcích pozemního laserového skenování

Celý soubor chyb ve veličinách měřených NLS lze rozdělit do dvou skupin:

instrumentální, vzhledem ke kvalitě montáže a seřízení mechanických, optických a elektronických částí zařízení (chybové hodnoty jsou uvedeny v technickém listu skeneru a jsou zpočátku určeny ve fázi montáže a seřízení zařízení a poté periodicky při kalibraci a metrologické certifikaci NLS);

metodický, jehož zdrojem je samotná metoda stanovení veličin pomocí NLS. Mohou být způsobeny prostředím (atmosférický lom, útlum elektromagnetických vln, vibrace přístroje atd.) nebo charakteristikami snímaného objektu (velikost, orientace, barva, textura atd.).

Výhody pozemního laserového skenování

Kromě vysokého stupně automatizace má pozemní laserové skenování ve vztahu k jiným metodám získávání prostorových informací také následující výhody:

schopnost určit prostorové souřadnice bodů objektu v terénu;
trojrozměrná vizualizace v reálném čase, která umožňuje určit „mrtvé“ zóny ve fázi terénních prací ;
nedestruktivní způsob získávání informací;
není potřeba zajišťovat snímání bodů objektů ze dvou designových center (stojící), na rozdíl od fotogrammetrické metody;
vysoká přesnost měření;
princip dálkového získávání informací zajišťuje bezpečnost účinkujícího při natáčení těžko dostupných a nebezpečných prostor;
vysoký výkon NLS zkracuje dobu terénních prací při vytváření digitálních modelů objektů, díky čemuž je tato technologie ve srovnání s jinými cenově výhodnější;
práci lze provádět za jakýchkoliv světelných podmínek, tedy ve dne i v noci, protože skenery jsou aktivní zobrazovací systémy;
vysoká úroveň detailů;
víceúčelové využití výsledků laserového skenování.

Přehled NLS

V současné době mnoho společností vyvíjí zařízení pro trojrozměrné laserové skenování, všechny tyto společnosti vyrábějí skenery pro různé účely. Úlohy řešené konkrétním modelem NLS jsou určeny jeho technickými vlastnostmi. Hlavní vlastnosti moderních pozemních laserových skenerů jsou:

přesnost měření vzdálenosti, horizontálních a vertikálních úhlů;
maximální rozlišení skenování ;
rychlost skenování;
dosah laserového skeneru;
divergence laserového paprsku;
zorné pole skeneru;
používané prostředky k získávání informací o skutečné barvě;
bezpečnostní třída použitého laseru;
přenositelnost a funkce rozhraní.

Software. Klasifikace. Příklady

Softwarové produkty používané v technologii laserového skenování lze v závislosti na jejich funkčním účelu rozdělit do následujících skupin:

ovládací software nastavení rozlišení skenování, sektor skenování vizuálním výběrem objektů, režim skenování, režim provozu digitálního fotoaparátu; vizualizace skenů v reálném čase; kontrola výsledků; kalibrace a testování skeneru; identifikace možných poruch; zohlednění chyb spojených s vlivem vnějších podmínek prostředí; slučování skenů; vnější orientace skenů; Software pro tvorbu jednobodového modelu slučování skenů; vnější orientace skenů; segmentace a redukce bodového modelu; vizualizace bodového modelu; export a tisk. Software pro vytváření 3D modelů a 2D výkresů z naskenovaných dat vytvoření nepravidelné triangulační sítě (TIN) a NURBS povrchu z pole bodů ; vytvoření modelu skenovaného objektu pomocí geometrických primitiv; profilování; konstrukce výkresů; měření (délky, průměry, plochy a objemy objektů); vizualizace postaveného modelu (konstrukce izolinií , texturování ); porovnání sestrojeného modelu s návrhovým; export a tisk výsledků zpracování dat NLS. komplexní software všechny funkce ovládacího softwaru; vytvoření bodového modelu; konstrukce trojrozměrných modelů a dvourozměrných výkresů podle pozemního laserového skenování.

Oblasti použití pro pozemní laserové skenování

výstavba a provoz inženýrských staveb

kontrola shody geometrických parametrů nově budovaných zařízení a projektové dokumentace těchto zařízení;
úprava projektu v průběhu výstavby;
výkonná střelba v průběhu stavby a po jejím dokončení;
optimální plánování a řízení pohybu a instalace zařízení a vybavení;
sledování změn geometrických parametrů provozovaných konstrukcí a průmyslových zařízení;
aktualizace územního plánu a znovuvytvoření ztracené stavební dokumentace stávajícího zařízení.

hornictví

stanovení objemů provozů a skladů sypkých materiálů;
tvorba digitálních modelů povrchových jam a podzemních děl za účelem jejich sledování (údaje o intenzitě odraženého signálu a reálné barvě umožňují vytvářet geologické modely);
podpora důlního průzkumu vrtných a trhacích prací;

Ropný a plynárenský průmysl

tvorba digitálních modelů průmyslových a komplexních technologických objektů a zařízení za účelem jejich rekonstrukce a sledování; [jeden]
kalibrace pozemních nádrží na nakládání ropy a nádrží tankerů;

architektura

restaurování památek a staveb historického a kulturního významu;
tvorba architektonických výkresů fasád budov;
restaurování, opravy, dekorace, nové vybavení vnitřních prostor nebo jednotlivých prvků výzdoby;

ostatní oblasti

rozvoj opatření k předcházení a odstraňování následků mimořádných situací;
polohopisný průzkum území s vysokým stupněm zástavby;
stavba lodí;
modelování různých typů simulátorů;
tvorba dvourozměrných a trojrozměrných geografických informačních systémů pro řízení podniku;
zaznamenávání nehod a míst činu.

Výstavy a konference o pozemním laserovém skenování

Viz také

Lidar

Poznámky

↑ Seredovich A. V. "Metody pro vytváření digitálních modelů ropných a plynárenských zařízení pomocí pozemního laserového skenování" \\ Novosibirsk, 2007 165 s. RSL OD, 61:07-5/3352

Literatura

Seredovich V. A. , Komissarov A. V., Komissarov D. V., Shirokova T. A. "Pozemní laserové skenování" \\ Novosibirsk: SGGA , 2009. - 261 s.
Krutikov D., Barabanshchikova N. „Modely laserového skeneru“ \\ časopis TekhNADZOR , s. 70-71, č. 3 (40), březen 2010