Наземне Лазерне Сканування – це

Наземний Лазерний Сканер (НЛС)— це знімальна система, що вимірює з високою швидкістю (від кількох тисяч до мільйона точок за секунду) відстані від сканера до точок об'єкта та реєструюча відповідні напрямки (вертикальні та горизонтальні кути) з подальшим формуванням тривимірного зображення (скана) у вигляді хмари точок.

Зміст

Сутність наземного лазерного сканування та його переваги

Система наземного лазерного сканування складається з НЛЗ та польового персонального комп'ютера зі спеціалізованим програмним забезпеченням. НЛС складається з лазерного далекоміра, адаптованого до роботи з високою частотою, і блоку розгортки лазерного променя. Як блок розгортки в НЛС виступають сервопривід і полігональне дзеркало або призма. Сервопривід відхиляє промінь на задану величину горизонтальній площині, при цьому повертається вся верхня частина сканера, яка називається головкою. Розгортка у вертикальній площині здійснюється за рахунок обертання чи хитання дзеркала.

У процесі сканування фіксується напрямок поширення лазерного променя та відстань до точок об'єкта. Результатом роботи НЛС є растрове зображення - скан, значення пікселів якого є елементами вектора з наступними компонентами: виміряною відстанню, інтенсивністю відбитого сигналу і RGB-складової, що характеризує реальний колір точки. Більшість моделей НЛС характеристики реального кольору кожної точки виходить з допомогою неметричної цифрової камери.

Іншою формою представлення результатів наземного лазерного сканування є масив точок лазерних відбиття від об'єктів, що знаходяться в полі зору сканера, з п'ятьма характеристиками, а самепросторовими координатами(x,y,z), інтенсивністю та реальним кольором.

В основу роботи лазерних далекомірів, що використовуються в НЛЗ, покладено імпульсний і фазовий методи вимірювання відстаней, а також метод прямої кутової розгортки (тріангуляційний метод).

Принцип дії наземних лазерних сканерів

Імпульсний метод вимірювання відстаней

Імпульсний метод вимірювання відстаней заснований на вимірі часу проходження сигналу від приймально-передаючого пристрою до об'єкта та назад. Знаючи швидкість поширення електромагнітних хвильc, можна визначити відстань як:R = c * τ / 2

деτ- час, що вимірюється з моменту подачі імпульсу на лазерний діод до моменту прийому відбитого сигналу. Імпульсний метод вимірювання відстаней точно поступається фазовому методу. Це тому, що фактична точність кожного виміру залежить від низки параметрів, кожен із яких може вплинути на точність конкретного виміру. Такими параметрами є:

тривалість і форма (зокрема, крутість переднього фронту) зондуючого імпульсу
відбивні характеристики об'єкта
оптичні властивості атмосфери
текстура та орієнтація елементарної поверхні об'єкта, що викликала відображення зондуючого променя по відношенню до лінії візування

Фазовий метод вимірювання відстаней

Фазовий метод вимірювання відстаней заснований на визначенні різниці фаз посилаються і приймаються модульованих сигналів. У цьому випадку відстань обчислюється за формулою:R = φ2R * c / (4π * ƒ),

деφ2R- різниця фаз між опорним та робочим сигналом;ƒ- частота модуляції. Режим роботифазовимірювального пристрою залежить від його температури, із зміною якої незначно змінюється фаза сигналу. Внаслідок цього точне початок відліку фази визначити не можна. З цією метою фазові вимірювання повторюються на еталонному відрізку (калібрувальної лінії) усередині приладу. Головна перевага фазового методу виміру - більш висока точність, яка може досягати одиниць міліметрів.

Джерела та класифікація помилок у результатах наземного лазерного сканування

Усю сукупність помилок у величинах, що вимірюються НЛЗ, можна розділити на дві групи:

інструментальні, зумовлені якістю складання та юстування механічних, оптичних та електронних частин приладу (величини помилок відображаються в технічному паспорті сканера та спочатку визначаються на етапі складання та юстування приладу, а потім періодично – під час калібрування та метрологічної атестації НЛЗ);

методичні, джерелом яких є сам метод визначення величин за допомогою НЛЗ. Вони можуть бути викликані навколишнім середовищем (атмосферною рефракцією, згасанням електромагнітних хвиль, вібрацією приладу тощо) або зумовлені характеристиками об'єкта сканування (розміром, орієнтацією, кольором, текстурою тощо).

Переваги наземного лазерного сканування

Крім високого ступеня автоматизації, наземне лазерне сканування має також такі переваги по відношенню до інших способів отримання просторової інформації:

можливість визначення просторових координат точок об'єкта у польових умовах;
тривимірна візуалізація в режимі реального часу, що дозволяє на етапі провадження польових робіт визначити «мертві» зони;
неруйнівний метод отримання інформації;
відсутність необхідності забезпечення сканування точок об'єкта з двох центрів проектування (стояння), на відміну фотограмметричного способу;
висока точність вимірів;
принцип дистанційного отримання інформації забезпечує безпеку виконавця під час зйомки важкодоступних та небезпечних районів;
висока продуктивність НЛЗ скорочує час польових робіт під час створення цифрових моделей об'єктів, що робить цю технологію економічно вигіднішою проти іншими;
роботи можна виконувати за будь-яких умов освітлення, тобто вдень і вночі, оскільки сканери є активними знімальними системами;
високий рівень деталізації;
багатоцільове використання результатів лазерного сканування

В даний час розробкою приладів для тривимірного лазерного сканування займається безліч фірм: Leica Geosystems (Швейцарія), Trimble (США), Zoller+Frohlich (Німеччина), Faro Technologies (США), Riegl (Австрія) та інші.

Всі ці фірми випускають сканери для різних цілей. Завдання, які вирішуються конкретною моделлю НЛЗ, визначаються його технічними характеристиками. Основними характеристиками сучасних наземних лазерних сканерів є:

точність вимірювання відстані, горизонтального та вертикального кутів;
максимальна роздільна здатність сканування;
швидкість сканування;
дальність дії лазерного сканера;
розбіжність лазерного променя;
поле зору сканера;
використовувані засоби отримання інформації про реальний колір;
клас безпеки лазера;
портативність та особливості інтерфейсу.

Програмне забезпечення. Класифікація. Приклади

Програмніпродукти, що застосовуються в технології лазерного сканування, залежно від їхнього функціонального призначення можна розділити на наступні групи:

керівне ПЗ:

завдання роздільної здатності сканування, сектора сканування шляхом візуального вибору об'єктів, режиму сканування, режиму роботи цифрової камери; візуалізація сканів у режимі реального часу; контроль одержуваних результатів; калібрування та тестування сканера; виявлення можливих несправностей; облік помилок, пов'язаних із впливом зовнішніх умов довкілля; об'єднання сканів; зовнішнє орієнтування сканів; експорт результатів сканування.

ПЗ для створення єдиної точкової моделі:

об'єднання сканів; зовнішнє орієнтування сканів; сегментування та розрядження точкової моделі; візуалізація точкової моделі; експорт та друк.

ПЗ для побудови тривимірних моделей та двовимірних креслень за даними сканування:

створення з масиву точок нерегулярної тріангуляційної мережі (TIN) та NURBS-поверхні; створення моделі відсканованого об'єкта за допомогою геометричних примітивів;