Наземные системы лазерного сканирования. Опыт работ

М.Н. Аникушкин (НПП «Навгеоком»)

http://www.geoprofi.ru/technology/Article_1745_10.htm

Вернуться в библиотеку Вернуться в библиотеку

      Использование традиционных геодезических и фотограмметрических методов не всегда позволяет построить по результатам измерений точные трехмерные цифровые модели объектов сложной конфигурации. Появление безотражательных электронных тахеометров позволило увеличить производительность измерений и количество измеряемых точек в несколько раз. Однако, максимальная скорость и плотность измерения точек стала возможной только благодаря наземным лазерным сканирующим системам, которые за секунды измеряют координаты от 1 до 5 тыс. точек с точностью в несколько миллиметров.
     Компания «Навгеоком» в 2002 г. одна из первых в России приступила к освоению наземных лазерных сканирующих систем. В настоящее время специалистами компании накоплен определенный опыт по их использованию для топографической съемки, обмера архитектурных элементов фасадов зданий при их реставрации, подземных и горных работ, а также создания моделей технологического оборудования.
     Особенность лазерных измерений, как и любых геодезических и фотограмметрических, состоит в том, что для получения трехмерной модели протяженного объекта, снимаемого с нескольких станций, требуется объединение отдельных измерений, выполненных на разных станциях, в единую систему координат. При лазерном сканировании данные, получаемые на одной станции, называют «сканом» или «облаком точек», а процесс объединения отдельных сканов в один — «сшивкой». Для этих целей соседние «сканы» должны иметь зоны перекрытия, в которых выбираются контрольные точки. В качестве контрольных точек используют специальные марки или характерные точки измеряемого объекта. Если координаты нескольких контрольных точек известны, то можно выполнить геодезическую привязку результатов измерений в существующую систему координат. Программное обеспечение, используемое для обработки результатов наземного лазерного сканирования, по координатам контрольных точек на соседних «сканах» позволяет «сшивать» их в одно «облако точек» с последующей обработкой. Результат обработки можно экспортировать в САПР или ГИС.
     Таким образом, процесс построения цифровой трехмерной модели любого объекта включает:
     — полевые работы по маркировке контрольных точек и сканированию объекта;
     — «сшивку» отдельных «сканов» в одно «облако точек»;
     — преобразование «облака точек» в цифровую модель в заданной программной среде для ее последующей обработки. В зависимости от снимаемого объекта и требуемого конечного результата определяется технология проведения полевых и камеральных работ. Рассмотрим на примере трех проектов, выполненных специалистами компании «Навгеоком» в 2004 г., особенности использования наземных лазерных сканеров.
     Целью первого проекта являлось выполнение крупномасштабной топографической съемки участка местности — поля для игры в гольф. Поле представляло собой протяженный участок местности длиной около 500 м с разнообразным рельефом и объектами, которые по замыслу дизайнеров должны являться помехой для игроков: озера, ручьи, песчаные бункеры, растительность и т. п. Необходимо было выполнить съемку нескольких полей гольфклуба Moscow Country Club в масштабе 1:500.
     Полевые измерения проводились с помощью лазерного сканера MENSI GS200 компании Trimble Navigation (США), обладающего максимальной дальностью измерения расстояния до 350 м, точностью измерения — от 1,5 мм, производительность — до 5000 точек в секунду. На каждой станции выбиралось 4–5 контрольных точек, на которые устанавливались марки. Координаты контрольных точек измерялись с помощью приемника GPS. Для удобства перемещения по полю и увеличения дальности действия сканер был установлен на электрический автокар (рис. 1). Это позволило в течение одного рабочего дня выполнить съемку территории, площадью 6 га.

Использование электрического автокара в качестве мобильной платформы

Рисунок 1 – Использование электрического автокара в качестве мобильной платформы

     Камеральная обработка, которая включала объединение «сканов», трансформирование в исходную систему координат, дешифрирование и рисовку объектов, построение горизонталей (рис. 2), была выполнена в программе RealWorks Survey за день. Полученные данные были экспортированы в AutoCAD, где была проведена окончательная компоновка и подготовка плана к печати.

Топографический план поля для игры в гольф в масштабе 1:500

Рисунок 2 – Топографический план поля для игры в гольф в масштабе 1:500

     ПО RealWorks Survey, представляющее собой универсальный, простой и интуитивно понятный инструмент, используется как для «сшивки» «сканов», так и для последующей их обработки. Возможность экспорта результата в различные САПР на любом этапе обработки обеспечивает гибкость в выборе и модификации технологической цепи.
     Второй проект был выполнен совместно со специалистами ООО «РСкан» (СанктПетербург). Задание предусматривало не только обмер фасада здания, построение поэтажных планов и вертикальных разрезов, но и создание трехмерной модели здания для последующего получения данных о толщине стен, перекрытий и перегородок.
     После осмотра объекта была принята следующая схема работ. Обмер лицевого и дворового фасадов здания было решено выполнять с помощью лазерного сканера MENSI GS200, так как дальность его действия и точность измерений в пределах этого расстояния были достаточны; измерение геометрических размеров интерьеров — с помощью лазерной рулетки Leica Disto Lite, а внутреннюю съемку в особо сложных местах — лазерным сканером Callidus CP3200 компании Callidus GmbH (Германия) с полем зрения 360x280. Определение простран ственных координат контрольных точек проводилось с помощью безотражательного электронного тахеометра Trimble 3305 DR.
     На полевые измерения было затрачено два дня.
     Наиболее трудоемкой оказалась работа по передаче координат локальной системы координат во внутренний дворик здания. Она осуществлялась через окна, поэтому тахеометр устанавливался на улице, на третьем этаже здания и во дворе. Дополнительно, кроме центров марок, установленных на контрольных точках, были определены координаты нескольких точек, которые в последующем использовались для проверки и оценки точности результатов сканирования.
     Особых сложностей по сканированию фасадов не возникло. На каждый фасад было сделано несколько «сканов» при общем числе станций — четыре.
     В результате полевых работ было получено три «облака точек»: два — на фасады здания и один — на внутренние комнаты со сводами и арками.
     Камеральные работы заняли около пяти дней. Они включали «сшивку облаков» точек, построение разрезов, дешифрирование и рисовку фасадов, нанесение размеров, подготовку чертежей к печати. Для этих целей использова лись программы: RealWorks Survey — для обработки данных, полу ченных с помощью MENSI GS200, 3DExtractor — для обработки данных Callidus и AutoCAD — для подготовки чертежей.
     Третий проект демонстрирует возможности лазерных сканирующих систем для мониторинга деформаций, возникающих в сложных строительных конструкциях и сооружениях в процессе их строительства и эксплуатации. На одном из объектов в Москве для измерения деформаций параллельно с электронным тахеометром был использован лазерный сканер Callidus.
     За рабочий день было сделано 9 сканов (около 3,5 млн точек). Для «сшивки» «сканов» в одно «облако точек» при сканировании на контрольных точках были установлены традиционные призменные отражатели. После «сшивки» снятых «сканов» в одно «облако точек», проводилась его обработка в программе RealWorks Survey.
     Таким образом, максимальное отклонение главного фасада здания от вертикальной плоскости составило 15 см. Правый верхний угол здания завален вглубь, а в центре фасада имеется область, выпирающая наружу.
     Конечно, данные задачи можно было бы решить и с помощью традиционных геодезических методов. Однако, использование лазерных сканеров позволило значительно сократить время на выполнение полевых работ и одновременно увеличить полноту информации, получаемой в результате измерений, что, несомненно, отразилось на качестве конечного результата.
     Более подробную информацию об этих и других проектах можно получить на www.agp.ru.

      RESUME
     Advantages and capabilities of the ground laser scanning are introduced as an alternative to the classical geodetic and photogrammetric measurements. The Company's experience in applying the ground laser scanners in combination with the electronic tachometers and laser distance meters for large scale survey of sites intended for golf as well as for architectural measurements and monitoring of buildings and constructions is presented.