Наземное лазерное сканирование
7.1. Основные принципы организации
системы наземного лазерного сканирования
Система для наземного лазерного сканирования состоит из наземного лазерного сканера (НЛС) и полевого персонального компьютера со специализированным программным обеспечением. НЛС состоит из лазерного дальномера, адаптированного для работы с высокой частотой, и блока развертки лазерного луча [12].
Суть технологии лазерного сканирования заключается в определении пространственных координат точек местности (поверхности объекта). Это реализуется посредством измерения расстояний до всех определяемых точек местности с помощью лазерного безотражательного дальномера. При каждом измерении луч дальномера отклоняется от своего предыдущего положения так, чтобы пройти через узел некоторой воображаемой сетки, называемой сканирующей матрицей. Количество строк и столбцов матрицы может регулироваться. При этом чем выше плотность точек матрицы, тем выше плотность точек на поверхности объекта и тем выше точность результатов измерений снимаемого объекта. Все измерения производятся с очень высокой скоростью – до нескольких десятков и сотен тысяч измерений в секунду [16].
Прибор, реализующий на практике приведенную технологию измерений, называют лазерным сканером (рис. 37). В конструкции сканера отсутствуют обязательные атрибуты традиционных геодезических приборов: зрительная труба, устройство наведения (визир, целик и т. д.), устройство центрирования, метка на корпусе для измерения высоты прибора, уровень.
| Результатом работы сканера является множество точек (пикселей) с вычисленными трехмерными координатами. Такие наборы точек принято называть облаками точек или сканами. Обычно количество точек в одном скане может варьироваться от нескольких сотен тысяч до нескольких миллионов. Вначале координаты точек каждого скана определяются в условной системе координат самого сканера. |  |
| Рис. 37. Лазерный сканер |
В большинстве конструкций сканеров используют импульсный лазерный безотражательный дальномер. На пути к снимаемому объекту импульсы лазерного излучения проходят через систему зеркал, которые осуществляют пошаговое отклонение лазерного луча. Чаще всего конструкция лазера состоит из двух подвижных зеркал, приводимых в движение прецизионными сервомоторами, обеспечивающими точное наведение лазерного луча на тот или иной узел сканирующей матрицы. По известным углам разворота зеркал в момент наблюдения и измерения расстояния процессор вычисляет трехмерные координаты каждой точки.
Все управление работой прибора осуществляется посредством специального портативного компьютера с соответствующим программным обеспечением. Полученные трехмерные значения координат точек местности передаются на компьютер по интерфейсному кабелю и накапливаются в специальной базе данных. При этом объемы данных, получаемых со сканера, могут измеряться сотнями мегабайт, а порой и гигабайт.
Каждый сканер имеет определенную область обзора или поле зрения. Предварительное наведение сканера на исследуемые объекты осуществляется либо с помощью встроенной цифровой фотокамеры, либо по результатам предварительного сканирования. Работа по сканированию нередко происходит в несколько сеансов из-за ограниченного поля зрения и из-за специфической формы объекта. Для обеспечения процесса «сшивки» сканов, снятых с разных позиций сканера в пределах зон взаимного перекрытия, размещают специальные мишени, координаты которых обычно определяют с помощью безотражательного тахеометра.
 | Поскольку при сканировании координаты точек вычисляются в системе координат самого сканера (рис. 38), для перевода всего массива данных в нужную систему координат нужно определить координаты как минимум трех мишеней. |
| Рис. 38. Система координат лазерного сканера |
Наземные лазерные сканеры
В настоящее время разработкой приборов для трехмерного лазерного сканирования занимается множество фирм: широко известные Trimble (США) и Leica Geosystems (Швейцария), а также Riegl (Австрия), I-Site (Австралия), Zoller+Frohlich (Германия) и др. Все эти фирмы выпускают сканеры для различных целей. Задачи, решаемые конкретной моделью наземных лазерных сканеров (НЛС), определяются его техническими характеристиками.
В качестве примера могут быть приведены характеристики трех лазерных сканеров Leica (рис. 39).
Рис. 39. Характеристики лазерных сканеров
Основные характеристики современных лазерных сканеров:
точность измерения расстояния, горизонтального и вертикального угла;
максимальное разрешение сканирования;
дальность действия наземного лазерного сканера;
скорость сканирования точек в секунду;
расходимость лазерного луча;
класс безопасности используемого лазера;
портативность.
7.3. Использование лазерного сканирования
для создания трехмерных моделей местности
В настоящее время нет запатентованной технологии выполнения работ по наземной лазерной съемке с целью построения трехмерных моделей объектов и создания топографических планов и двумерных чертежей участков сканирования.
Рассмотрим сущность и особенности выполнения каждого этапа наземной лазерной съемки (рис. 40).
На этапе составления технического проекта регламентируются требуемая точность построения трехмерной модели объекта или цифрового плана, содержание и детализация их, необходимый формат (расширение) готовой продукции, используемое оборудование, стоимость проведения работ и обработки результатов. При необходимости уточняются вопросы о дополнительной семантической информации на каждый объект.
Затем проводится рекогносцировка местности. С учетом конкретных условий местности выбирается рациональный способ создания и сгущения съемочного обоснования. Выбор каждой точки съемочного обоснования зависит от того, как она будет использоваться в процессе съемки. Также во время рекогносцировки выбирают точки расположения сканера, места размещения специальных марок, уточняют сроки проведения работ и т. п. По завершении рекогносцировки составляют абрисы на снимаемую территорию. От полноты абрисов зависит надежность дальнейшего дешифрирования объектов съемки по точечной модели в камеральных условиях.
Рис. 40. Технология построения трехмерных моделей объектов и создания цифровых топографических планов по данным наземного лазерного сканирования
Далее создается планово-высотное обоснование сканерной съемки. Планово-высотное обоснование необходимо для создания трехмерных моделей и крупномасштабных планов местности в заданной системе координат и включает в себя следующие процессы:
составление проекта сети основного и рабочего планово-высотного обоснования;
закрепление точек основного планово-высотного обоснования;
полевые измерения по планово-высотной привязке точек основного обоснования;
камеральная обработка: уравнивание результатов полевых измерений и составление каталога координат точек основного планово-высотного обоснования;
оценка точности создания основного съемочного обоснования.
С учетом конкретных условий местности выбирается рациональный способ создания основного и рабочего съемочного обоснования. При наземной лазерной съемке объекта предлагается определять плановые координаты точек основной опорной сети с применением спутниковых геодезических технологий, проложением теодолитных или полигонометрических ходов, прямой или обратной засечкой, а отметки – при помощи тригонометрического или геометрического нивелирования.
Вычисление координат пунктов основного съемочного обоснования, а также оценка точности его создания осуществляются в зависимости от выбранного способа координатной привязки и программного обеспечения.
При использовании RTK-режимов (real time kinematic) спутниковой геодезии для определения координат точек основного планово-высотного обоснования процесс камеральной обработки измерений сводится к минимуму, что позволяет в процессе выполнения полевых работ получать пространственные координаты точек, которые записываются в контроллер приемника.
С пунктов основной опорной сети определяют координаты точек рабочего съемочного обоснования, которые проектируются на расстоянии от 2 до 250 м вокруг точек стояния сканера. На точки съемочной сети устанавливаются специальные марки, координаты которых рекомендуется определять электронным тахеометром в безотражательном режиме.
Оценка точности создания основного съемочного обоснования выполняется по невязкам. При применении GPS-технологий для определения координат точек основной опорной сети оценка точности осуществляется с использованием алгоритмов, заложенных в программном обеспечении, с помощью которого производилась обработка спутниковых геодезических измерений.
При трехмерном наземном лазерном сканировании порядок работы на сканерной станции состоит из следующих этапов.
1. Установка на запроектированной точке сканера на штатив, высота которого задается такой, чтобы обеспечить максимальный охват интересуемого объекта на одном скане.
2. Расстановка вокруг сканера специальных марок, которые являются точками рабочего съемочного обоснования; плоские марки обычно используются для ориентирования сканов относительно внешней системы координат, объемные марки – для взаимного ориентирования (подсоединения) сканов.
3. Определение координат центров специальных марок с точек основной опорной сети; для этих целей наиболее эффективным является использование электронных тахеометров и безотражательного режима измерений. Контроль определения координат точек рабочего обоснования можно выполнить при помощи многократных измерений центров специальных марок или определением координат одних и тех же точек рабочего обоснования с различных пунктов основного съемочного обоснования (как и при оценке точности тахеометрической съемки).
4. Сканирование местности и объектов вокруг точки стояния сканера. Если сканер снабжен цифровой камерой, то выполняется также цифровая съемка.
5 Идентификация и определение приближенных координат центров специальных марок с дальнейшею целью быстрого определения области их положения на скане. В зависимости от модели сканера эти операции выполняются либо по полученному скану, либо по цифровому снимку (если сканер оснащен цифровой камерой).
6. Сканирование специальных марок с максимальным разрешением, что позволяет с предельно возможной точностью для данной модели сканера определять их координаты в системе координат скана.
7. Перемещение сканера на следующую точку сканирования и повторение этапов 1–6.
Количество и расположение сканерных станций проектируется исходя из требований обеспечения необходимой точности создаваемой продукции, производительности и экономичности работ.
Выбор сканерных станций должен обеспечивать отображение на одном скане максимальной площади снимаемой территории. При создании рабочего съемочного обоснования сканерной съемки специальные марки следует располагать по схеме, показанной на рис. 41.
Специальные марки рекомендуется располагать парами через 90° в горизонтальной плоскости. Как показал практический опыт, использование такой геометрии размещения и количества специальных марок позволяет сократить затраты времени на расстановку марок, подготовку планово-высотного обоснования сканерной съемки и непосредственно сканирование.
Рис. 41. Схема расположения марок
Если наземный лазерный сканер снабжен устройствами центрирования и горизонтирования, необходимость создания рабочего съемочного обоснования сканерной съемки отпадает. При этом точки основного съемочного обоснования будут одновременно являться сканерными станциями и проектируются так, как и при тахеометрической съемке.
Отстояние сканерных станций друг от друга при съемке объектов с целью создания трехмерных моделей, как правило, составляет 20–30 м, а в некоторых случаях и меньше, в зависимости от сложности объекта.
Угловое разрешение при наземной лазерной съемке с целью создания крупномасштабных планов задается одинаковым на каждой станции и определяется следующими факторами:
техническими характеристиками сканера;
сложностью объектов;
детальностью окончательной продукции, которая должна удовлетворять заданным требованиям;
производительностью (т. е. снимаемой площадью за рабочий день) и оперативностью (т. е. временем работы на одной станции) работ.
Из практического опыта выполнения работ по наземной лазерной съемке с целью создания крупномасштабных топографических планов рекомендуется выбирать следующие параметры при сканировании:
для инженерных сооружений сканерные станции следует располагать на расстоянии 50–60 м друг от друга; если съемка выполняется путем проложения сканерного хода, то станции следует располагать на расстоянии примерно 30 м; разрешение сканирования следует задавать 0,1°±0,02° по горизонтали и вертикали;
для открытой местности (без сооружений и коммуникаций) сканерные станции предпочтительнее устанавливать на расстоянии 150–200 м, если дальность действия сканера позволяет выполнять измерения на расстояния 200 м и более.
Разрешение при сканировании открытых территорий следует задавать 0,08–0,09°. по горизонтали и вертикали. Если у сканера реализован непрерывный режим сканирования, то разрешение сканирования по вертикали можно увеличить до 0,06–0,07°. При этом сканер надо устанавливать не ниже 2 м от поверхности земли. Данные параметры сканирования рекомендуется задавать и при съемке с целью создании цифровой модели рельефа.