Принцип съёмки объектов наземным лазерным сканером

В последние годы трёхмерное лазерное сканирование находит всё большее применение при сборе цифровой информации о различных объектах. Лазерный сканер используется как при аэрофотосъёмке, так и при наземной фотосъёмке. В английской литературе используется название LIDAR (лидар) - Light Identification, Detection and Ranging. Трёхмерное лазерное сканирование позволяет получать не только цифровую информацию о его форме, размерах и пространственном положении в заданной системе координат практически в режиме реального времени, но изображение поверхности объекта. Сочетание лазерного сканирования с фотосъёмкой цифровой фотокамерой облегчает дешифрирование отдельных элементов объекта, повышает качество создаваемых цифровых моделей, фотопланов и планов.

Наземное лазерное сканирование используют для получения детальных численных характеристик строений, инженерных объектов (мостов, эстакад, трубопроводов, линий электропередач, карьеров, тоннелей и т.д.) и их трехмерных цифровых моделей. Например, проведение лазерной сканирующей съёмки в карьерах до и после проведения земляных работ позволяет оперативно определять объём извлечённой земляной массы. Лазерное сканирование применяют не только для съёмки объектов снаружи, но и внутри. В результате получают цифровые модели, полностью характеризующие внешнее и внутреннее строение объекта. Т.к. положения точек объекта сразу же фиксируются в единой системе координат, их взаимные положения обеспечиваются с точностью, которая определяется точностью лазерного сканера и его расстоянием от объекта.

М

YM

Рис. 27

X

S

Z

n

τ

Y

XM

ZM

DM

Принцип действия лазерного сканера (рис. 27) похож на принцип действия лазерного дальномера. Лазер излучает световые импульсы с большой частотой (десятки тысяч импульсов в секунду). Импульсы, дойдя до поверхности объекта, отражаются и возвращаются обратно. Они улавливаются высокочувствительным приёмником. В результате измеряется расстояние от сканера до объекта: , где v - скорость распространения светового импульса, t - время прохода импульса прямо и обратно.

Одновременно с помощью сервомоторов оптический луч перемещается в вертикальной и горизонтальной плоскостях, как бы "прощупывая" поверхность объекта. Положение луча в системе координат сканера фиксируется углами τ (в горизонтальной плоскости) и n (в вертикальной плоскости). Координаты текущей точки вычисляются по формулам

.

Если нужно получить координаты в другой системе координат, то используют формулы

,

где X_S, Y_S, Z_S - координаты начала системы координат сканера в системе координат, например, геодезической или системе координат объекта. Часто привязку положения сканера выполняют с использованием GPS-приемников и электронных тахеометров.

Современные сканеры имеют возможность работать аналогично тахеометру. Благодаря встроенному двухосевому компенсатору положение главной точки инструмента работа сканера на одной позиции контролируется в течение всего периода. Помимо этого, в сканер устанавливаются программы из стандартного набора тахеометра: привязка к точке с известными координатами (определение высоты прибора, измерение дирекционного угла), различные виды прямых и обратных засечек и вынос точек в натуру.

Кроме координат в сканере регистрируется интенсивность отражённого сигнала, которая зависит от свойств отражающей поверхности, угла между нею и лазерным лучом, а также от расстояния до объекта. Фактически получаемый параметр интенсивности есть ничто иное, как мощность возвращаемого сигнала. Встроенная цифровая фотокамера обеспечивает получение цветного изображения. Изображения, полученные с помощью сканера, фиксируются в заданных направлениях, при которых они получены, и тем самым создаётся "сферическое" изображение, состоящее из множества снимков. Подобное изображение может быть использовано для "расцвечивания" измеренных точек в цвета более привычные для человеческого глаза.

По окончании сеанса сканирования получается набор трёхмерных измерений, описывающих поверхность объекта (её называют "облаком" точек). Каждая точка имеет три координаты и цвет, характеризующий уровень интенсивности принятого сигнала. С увеличением расстояния от сканера до объекта интенсивность оптического луча уменьшается за счёт его рассеивания, а также увеличивается расходимость луча. Соответственно, падает точность измерений и разрешающая способность получаемого изображения. Например, при дальности 50 м точность определения положения точки равна примерно 6 мм, а точность измерения расстояния около 4 мм.