Приборное обеспечение технологии

Лазерного сканирования

Основой любой технологии производства геодезических съемок является ее приборное обеспечение. В настоящее время на рынке представлено несколько моделей лазерных сканеров, различающихся как по области их применения, так и по основным техническим характеристикам. Лазерные сканеры наземного сканирования по сфере их применения условно можно разделить на две большие группы:

1. Для работы в помещениях, внутри зданий, подземных выработок, для съемок резервуаров и насыпных объектов и еще целого ряда работ, где требуется высокая точность измерений, широкий диапазон сканирования и небольшая дальность измерений.

2. Для работы вне помещений, топографической съемки площадок, зданий, фасадов, дорог, мониторинга состояния сложных строительных объектов, создания 3D-моделей сложных технологических производств, где требуется большая дальность измерений.

Ниже будут рассмотрены две наиболее популярные системы лазерного сканирования, хорошо зарекомендовавшие себя при решении различных задач, с том числе в горной промышленности, в строительстве и эксплуатации инженерных сооружений.

 

Лазерная сканирующая система "Callidus" (Германия)

 

Лазерная сканирующая система "Callidus" (рис. 5.13.) обладает рядом уникальных особенностей, позволивших ей занять лидирующее положение в нише сканеров для архитектуры, съемки зданий, промышленных цехов и небольших объектов.

Главная техническая особенность лазерного сканера "Callidus" – большой угол обзора: 360º в горизонтальной плоскости и 180º – в вертикальной. Такое широкое поле зрения позволяет сканеру при съемке замкнутого пространства сделать всего один скан, где другим моделям сканера необходимо сделать не менее 40-50 сканов. Высокая точность измерений до 5 мм – еще одна особенность сканера "Callidus", и лишь немногие сканирующие системы способны достичь такой точности в линейных измерениях. Специальная технология определения объемов, реализованная в данном сканере, позволяет определять объемы резервуаров и насыпных объектов с погрешностью 0,07 %. Эти особенности и определяют место сканера "Callidus" как идеального прибора для съемки небольших объектов, внутренних поверхностей, подземного строительства, съемки резервуаров и насыпных объектов.

 

Рис. 5.13. Лазерная сканирующая система "Callidus"

 

"Callidus" широко используется в горной промышленности, в частности, в тоннелестроении, где требуется высокая точность и максимально полная информация об объекте. При отрытом способе разработки месторождений полезных ископаемых сканер успешно используется для детального структурно-геологического картирования бортов карьеров, мониторинга состояния бортов карьеров, определения объемов рудных складов, съемок технологического оборудования обогатительных фабрик, подкрановых путей и проч. Благодаря расширенному температурному диапазону работы (от -10 до +40 °С), сканер можно использовать зимой, а учитывая, что конструкция корпуса имеет повышенную пыле- и влагозащищенность, – и в сложных погодных условиях или в местах с высокой запыленностью (производственные цеха, подземные выработки, обогатительные фабрики). Просто реализован механизм сшивки сканов в единое облако, поддерживаемый на аппаратном уровне.

Прибор во время сканирования распознаёт стандартные геодезические отражатели и сохраняет в файле данных не только «облако» точек и цифровое растровое изображение, но и направление на область с высокой отражающей способностью. По известным координатам призмы и сканера, используя специализированное программное обеспечение, за считанные минуты можно не только сшить несколько сканов в единое облако, но и трансформировать координаты в любую систему. Сшивку сканов можно осуществить и вручную, по характерным точкам, находящимся в областях перекрытия, в том случае, если во время выполнения полевых работ не было возможности вычислить координаты.

Важной особенностью Callidus является встроенная в корпус цифровая видеокамера, получающая одновременно с процессом сканирования панорамные изображения объекта в формате RGB. Параметры камеры (18-кратное увеличение, изменяемое фокусное расстояние, возможность работы при освещённости в 1 люкс) позволяют в дальнейшем наложить на пространственную модель объекта высококачественную текстуру либо просто раскрасить все точки в реальные цвета, что позволяет использовать данную модель при геологическом картировании.

Основные технические характеристики лазерного сканера Callidus приведены ниже.

 

Общие характеристики

Метод измерения расстояний: измерение времени распространения лазерного луча.

Диапазон сканирования: горизонтальный 360º; вертикальный 180º.

Дискретность измерений (угловое разрешение): по - горизонтали от 0,01º до 1º; по - вертикали от 0,25º до 1º

Дальность измерения: до 150 м.

Скорость измерения: до 1750 точек/c.

Погрешность измерения расстояний: от 5 до 50 мм (зависит от дальности).

Особенности: вертикальное сканирование при помощи вращающейся призмы. Возможность многократного измерения координат одной точки. Лазер, безопасный для глаз. Встроенная цифровая камера с увеличением 18^х. Встроенный компас. Работа от сети и аккумуляторов

Физические характеристики

Размеры: сканер 460 (высота) х 300 мм. Компьютер 450х310х200 мм.

Вес системы: полный комплект – 42 кг, в т. ч. сканер – 13 кг, компьютер 13 кг.

Температура: рабочая от -10º до +40º. Хранения от -20º до +70º.

 

Лазерная сканирующая система "Mensi GS200"

(Франция – США)

 

Лазерный сканер GS200 (рис. 5.14) французской фирмы "Mensi", вошедшей в состав компании "Trimble", предназначен в первую очередь для проведения работ на крупных объектах. Сканер может измерять расстояния до 350 м со скоростью до 5000 точек в секунду. При этом в зависимости от дальности сохраняется уникальная точность измерений от 1,4 до 6,5 мм. Разрешающая способность сканера (0,0018°) наряду с малым угловым размером лазерного пятна (0,0036°) позволяет построить подробную 3D-модель объекта, находясь на значительном удалении от него.

Одним из главных достоинств GS200 является возможность фокусировки лазерного луча на объекте двумя способами – автоматическим и ручным. Первый способ позволяет сэкономить время, второй способ позволяет добиться минимального размера лазерного пятна. Для сканеров такого класса это крайне высокий показатель. Действительно, "Mensi GS200" способна различать довольно мелкие предметы на значительных расстояниях.

 

Рис 5.14. Лазерная сканирующая система "Mensi GS200"

 

Для повышения точности измерений дальности предусмотрен режим многократных измерений, когда значение дальности до объекта рассчитывается как среднее из набора. Повышение точности позволяет уменьшить рыхлость облака точек, что упрощает и ускоряет обработку точечного массива, открывая дополнительные возможности при обработке.

Сканер имеет встроенную видеокамеру, получающую RGB-информацию об объекте, что позволяет впоследствии раскрасить полученные точки в реальные цвета либо наложить текстуру на сетевую модель. Выбор сектора сканирования осуществляется при помощи камеры: необходимо выделить курсором на изображении объекта ту часть, которую нужно отсканировать, задать параметры, и сканер уже приступает к работе. "Mensi GS200" управляется программным обеспечением, устанавливаемым на обычный портативный компьютер, связь управляющей программы со сканером осуществляется либо по кабелю, либо по радиолинии. В последнем случае оператор во время работы может находиться за десятки и сотни метров от сканера. Поле зрения сканера ограничено только по - вертикали – 60°. По - горизонтали же сканер во время работы вращается вокруг собственной оси, делая полный оборот на 360°.

Лазерная сканирующая система "Mensi GS200" поддерживает несколько методов сшивки сканов в единое облако точек и привязки к системе координат. В первом способе используются стандартные отражатели в виде сфер диаметром 76 мм. Вокруг объекта расставляется, либо крепится на объект несколько сфер. Установка выполняется таким образом, чтобы сферы попали в сектора видимости с других точек установки прибора. В дальнейшем программное обеспечение позволяет автоматически распознать сферы, а затем вычислить координаты их центров и сшить сканы. Во втором способе используются пленочные отражатели. На объект наклеивается несколько марок-отражателей, координаты которых вычисляются с помощью тахеометра. При обработке задаются координаты каждой марки и с помощью программного обеспечения облака сшиваются в единый скан. Третий способ не требует ни сфер, ни отражателей, а при обработке данных сканы сшиваются вручную, по характерным точкам, попавшим в область перекрытия.

Основная область практического применения сканера "Mensi" – топографическая съемка достаточно крупных объектов, как площадных, так и со сложной застройкой, профилирование дорог и съемка мостов. Широко система используется при реконструкции, строительстве и обмере зданий, мониторинге технического состояния таких объектов как плотины и дамбы. В горной промышленности сканер используется для создания и мониторинга цифровых моделей карьеров и подземных выработок, причем для небольших карьеров возможна съемка рабочего борта с одной или двух точек, расположенных на нерабочем борту карьера. Использование системы лазерного сканирования для определения объемов горных выработок, рудных складов и отвалов позволяет не только в разы увеличить оперативность получения информации, но и производить работы с высокой степенью точности, а использование при замерах цифровых технологий, позволяет контролировать развитие горных работ в 3D-динамике.

Основные технические характеристики лазерного сканера "Mensi GS200" приведены ниже.

 

Общие характеристики

Метод измерения расстояний: измерение времени распространения лазерного луча.

Диапазон сканирования: горизонтальный 360º; вертикальный 60º.

Максимальное угловое разрешение: 0,0018º.

Дальность измерения: до 350 м.

Скорость измерения: до 5000 точек/c.

Погрешность измерения расстояний: от 1,4 до 3,5 мм (дальность до 150 м); от 6,5 мм (дальность свыше 200 м).

Особенности: вертикальное сканирование при помощи поворотного зеркала.

Возможность многократного измерения координат одной точки.

Имеется автофокус. Встроенная цифровая камера с увеличением 5х, разрешение 768х576. Координатная привязка к системе координат по отражателям. Работа от сети и аккумуляторов.

 

Физические характеристики

Размеры: сканер 420 (высота) х 300 мм. Блок питания 100 х 200 х 65 мм

Вес системы: полный комплект – 18 кг, в т.ч. сканер – 13,5 кг, блок питания 1,5 кг, дополнительное питание – 12-18 кг.

Температура: рабочая от -10º до +40º; хранения от -20º до +50º.