Что необходимо сделать для построения точной трехмерной модели здания или чертежа цеха? Безусловно, сначала провести измерения и получить координаты всех объектов (пространственные x,y,z или x,y на плоскости), а затем уже представить их в нужном графическом виде. Именно измерения координат объекта, иначе говоря, съёмка, составляют наиболее трудоемкую и затратную часть всей работы. Как правило, геодезисты или другие специалисты, проводящие измерения, используют современное оборудование, в первую очередь электронные тахеометры, которые позволяют получать координаты точек с точностью нескольких миллиметров.
Принцип работы электронного тахеометра основан на отражении узконаправленного лазерного пучка от отражающей цели и измерении расстояния до нее. Отражателем в общем случае служит специальная призма, которая крепится на поверхности объекта. Измерение двух углов (вертикального и горизонтального) и расстояния дает возможность вычислить трехмерные пространственные координаты точки отражения. Скорость измерения тахеометра невысока (не более 2 измерений в секунду). Такой метод эффективен при съемке разреженной, малозагруженной объектами площади, однако даже и в этом случае сложность, с которой приходится сталкиваться при креплении отражающих призм (на большой высоте, в труднодоступном месте), зачастую оказывается непреодолимой.
Относительно недавнее появление безотражательных электронных тахеометров, которые работают без специальных отражателей, произвело «бархатную» революцию в геодезии - теперь стало можно проводить измерения без долгих и утомительных поисков лестниц для подъема отражателя под крышу дома, всевозможных подставок для установки призмы над полом в помещении с высокими потолками и других подобных сложностей - достаточно лишь навестись на необходимую точку, ведь луч может отражаться от любой ровной поверхности.
При использовании метода традиционных тахеометрических измерений, сколько времени, например, потребуется для детальной съемки фасада здания высотой 20 м или цеха металлургического завода площадью 2 га? Недели, месяцы? Применение безотражательного тахеометра может значительно сократить сроки, но, тем не менее, даже в данном случае специалист проведет за прибором долгие часы и дни. А с какой же плотностью он сможет выполнить съемку фасада - одна точка на квадратный метр? Навряд ли этого будет достаточно для построения высококачественного подробного чертежа со всеми необходимыми элементами. А теперь представьте, что у вас есть безотражательный тахеометр, который ведет съемку автоматически, без участия оператора, со скоростью 5 тысяч измерений в секунду! Еще совсем недавно такое предложение представлялось не менее фантастичным, чем полет на Луну сто лет назад. Сегодня это стало так же реально, как и следы американских астронавтов или русского «Лунохода» на поверхности нашего небесного соседа. Название этого чуда - лазерное сканирование - метод, позволяющий создать цифровую модель всего окружающего пространства, представив его набором точек с пространственными координатами.
Отличия лазерного сканера от электронного тахеометра
Основные отличия лазерного сканера от любых традиционных тахеометров - гораздо большая скорость измерений, полностью автоматизированный сервопривод, поворачивающий измерительную головку в обеих (как горизонтальной, так и вертикальной) плоскостях и, самое главное, - скорость (до 5000 измерений в секунду, или в среднем - два-три полных рабочих дня измерений обычным тахеометром) и плотность (до десятков точек на 1 квадратный сантиметр поверхности)! Полученная после измерений 3D модель объекта представляет собой гигантский набор точек (от сотен тысяч до нескольких миллионов), имеющих координаты с высочайшей, миллиметровой точностью. Не нужно больше смотреть в окуляр тахеометра, выискивая необходимую цель, не нужно нажимать на кнопку для запуска дальномера и записи полученных данных в память, и, наконец, не нужно бесконечно переставлять прибор для поиска наиболее выгодной для съемки позиции. Теперь это можно делать всего с одной точки стояния без участия оператора и в сотни раз быстрее, сохраняя при этом требуемую точность.
Разумеется, сканирование - не чудесный талисман, позволяющий решить все проблемы простым нажатием кнопки. Законы физики, теория электромагнитного излучения не позволяют нам выполнять измерения сквозь стены, трубы, любые непрозрачные объекты, вынуждая производить несколько сканов с различных точек для получения актуальной, полной и цельной картины, но, несмотря на эти обстоятельства, - гораздо более быстрый, а, главное, в сотни раз более информативный метод получения данных об объекте.
Как работает лазерный сканер?
Принцип работы 3D лазерного сканера тот же, что и обыкновенного тахеометра - измерение расстояния до объекта и двух углов, что, в конечном итоге, дает возможность вычислить координаты. Лазерный пучок исходит из излучателя, отражается от поверхности объекта и возвращается в приемник. Вращающаяся призма (или зеркало) распределяет пучок по вертикали с заранее заданным шагом (например, в 0,1°). Таким образом, в отдельно взятом вертикальном скане будут измерены все точки с дискретностью в 0,1° (так, при максимальном вертикальном угле 3D сканирования в 140° их будет, соответственно, 1400). Затем сервопривод автоматически поворачивает блок измерительной головки на угол, равный шагу измерения (при той же дискретности в 0,1° полный оборот сканера состоит из 3600 отдельных вертикальных плоскостей). В итоге полная цифровая картина окружающего пространства будет представлена в виде набора из 5040000 точек. Пять миллионов точек с высокой точностью за 30 минут работы! Более полную цифровую картину не может предоставить никакой другой из известных способов. Как правило, весь процесс съемки полностью автоматизирован. Данные измерений в реальном времени записываются на внешний или внутренний носитель.
Схематично любой лазерный сканер можно разделить на несколько основных блоков:
Измерительная головка (как правило, в ней расположен лазерный излучатель и приемник);
- вращающаяся призма, обеспечивающая распределение пучка в вертикальной плоскости;
- сервопривод горизонтального круга, вращающий измерительную головку в горизонтальной плоскости;
- компьютер (внешний, внутренний), предназначенный для управления съемкой и записи данных на носитель.
Как обрабатываются данные в лазерном сканировании?
После того, как произведены все измерения, начинается процесс обработки полученных данных. Изначально «сырые измерения» представляют собой набор («облако») точек, который необходимо представить в виде чертежей или схем в формате CAD. Разумеется, никакое существующее программное обеспечение не может в настоящее время успешно разрешить проблему распознавания образов ни в автоматическом, ни в полуавтоматическом режиме с той степенью достоверности, которая необходима пользователю. Именно по этой причине весь процесс обработки данных требует участия человека - без кропотливого ручного труда в ближайшем будущем не обойтись. Процесс обработки зависит от желаемого конечного результата, от того, что конкретно нужно получить: это может быть непосредственно и само облако точек, триангуляционная поверхность (TIN), набор сечений, план, сложная трехмерная модель, либо просто набор измерений (длины, периметры, диаметры, площади, объемы).
В целом, обработка данных в лазерном сканировании состоит из нескольких основных этапов, которые перечислены ниже.
Сшивка сканов.
Как правило, во время съемки сканирование производится последовательно с нескольких точек для полного покрытия всей поверхности объекта. При обработке полученных данных для создания единой точечной 3D модели необходимо произвести объединение (сшивку) отдельных сканов в один. Существует множество методов сшивки сканов с разной степенью автоматизации. Часто используется метод совмещения сканов по опорным точкам, которые отображаются на смежных сканах. В качестве таких точек могут использоваться специальные призмы, светоотражающие пластины или наклейки, имеющие более высокий коэффициент отражения, и поэтому вполне однозначно определяемые. Если лазерный сканер имеет компенсатор наклона (как, например, реализовано в сканере Trimble GX), то требуется всего одна исходная опорная точка.
Трансформирование координат.
Для точного представления будущего чертежа или схемы необходимо задание определенной единой координатной системы. Начало системы координат каждого отдельного скана находится в центре измерительной головки сканера. При перемещении этого центра изменяется и положение начала системы координат скана. Для связи всех координат объекта, полученных из разных сканов, необходимо выбрать единую систему координат, определить в ней центр 3D сканирования для каждого случая (например, с помощью электронного тахеометра) и затем трансформировать все полученные координаты в единую систему.
Создание поверхностей.
Наиболее сложный и основной процесс обработки - представление «облаков» точек математически описываемыми поверхностями. Как правило, математический аппарат прикладного программного обеспечения позволяет создавать простейшие правильные математические поверхности (плоскость, сфера, цилиндр и прочие), либо аппроксимировать поверхность триангуляционным методом (TIN-поверхность). Созданные подобным образом поверхности вполне могут быть представлены в стандартных форматах файлов DXF, IGES, VRML, SAT, STL, DGN и, соответственно, могут быть экспортированы в любые CAD и 3D-приложения. Если лазерное сканирование сопровождается цифровой видео- или фотосъемкой, то в процессе обработки полученных данных можно совместить сканированное изображение объекта с его видеоизображением, придав скану реальные цвета.
Где применяется лазерное сканирование?
Как многие технические новшества и технологии, недавно вышедшие из лабораторий ученых, лазерное сканирование находится только в начале пути освоения разнообразных приложений. Но уже сейчас можно перечислить несколько технологических сфер, где сканеры применяются все более активно:
- съемка промышленных объектов (заводы, нефтеперерабатывающие заводы, сложное производство);
- съемка мостов;
- съемка и профилирование тоннелей;
- промышленные измерения (определение объемов резервуаров);
- горная промышленность;
- реставрация и строительство;
- архитектура и археология.
Конечно, у технологии лазерного сканирования большое будущее, и список будет дополняться новыми, может быть, на первый взгляд, невозможными приложениями. Однако совершенно очевидно уже сегодня: лазерное сканирование быстрее, точнее и информативнее, чем большинство существующих методов измерений.
Лазерное сканирование представляет собой передовую бесконтактную технологию трёхмерного измерения объектов и поверхностей. По сравнению с традиционными оптическим и спутниковым геодезическими методами технология лазерного сканирования характеризуется феноменальной детальностью, невероятной скоростью, высокой точностью измерений. Данная технология является поистине революционной в сфере инженерных изысканий, поскольку именно его появление предопределило мощный качественный рывок всей отрасли. Сегодня лазерное сканирование широко применяется в архитектуре, промышленности и энергетике, геодезии и маркшейдерии, на объектах транспортной инфраструктуры, в гражданском и промышленном строительстве, добывающей отрасли, археологии, востребована она также и во многих других отраслях производства и народного хозяйства.
Что такое трёхмерное лазерное сканирование?
Что необходимо сделать для построения точной трёхмерной модели здания или чертежа цеха? Безусловно, сначала провести измерения и получить координаты всех объектов (пространственные x,y,z или x,y на плоскости), а затем уже представить их в нужном графическом виде. Именно измерения координат объекта, иначе говоря, съёмка, составляют наиболее трудоёмкую и затратную часть всей работы. Как правило, геодезисты или другие специалисты, проводящие измерения, используют современное оборудование, в первую очередь электронные тахеометры, которые позволяют получать координаты точек с высокой точностью (до нескольких миллиметров).
Принцип работы электронного тахеометра основан на отражении узконаправленного лазерного пучка от отражающей цели и измерении расстояния до неё. Отражателем в общем случае служит специальная призма, которая крепится на поверхности объекта. Определение двух углов (вертикального и горизонтального) и расстояния даёт возможность вычислить трёхмерные пространственные координаты точки отражения. Скорость измерения тахеометра невысока (не более 2 измерений в секунду). Данный метод эффективен при съёмке разреженной, малозагруженной объектами площади, однако даже и в этом случае сложности, с которыми приходится сталкиваться при креплении отражающих призм (на большой высоте или в труднодоступном месте), зачастую оказываются непреодолимыми.
Относительно недавнее появление безотражательных электронных тахеометров, которые работают без специальных отражателей, произвело «бархатную» революцию в геодезии - теперь стало можно проводить измерения без долгих и утомительных поисков лестниц для подъёма отражателя под крышу дома, всевозможных подставок для установки призмы над полом в помещении с высокими потолками и других подобных сложностей - достаточно лишь навестись на необходимую точку, ведь луч может отражаться от любой ровной поверхности.
При использовании метода традиционных тахеометрических измерений, сколько времени, например, потребуется для детальной съёмки фасада здания высотой 20 м или цеха металлургического завода площадью 2 га? Недели, месяцы? Применение безотражательного тахеометра может значительно сократить сроки, но, тем не менее, даже в данном случае специалист проведет за прибором долгие часы и дни. А с какой же плотностью он сможет выполнить съёмку фасада - одна точка на квадратный метр? Навряд ли этого будет достаточно для построения высококачественного подробного чертежа со всеми необходимыми элементами. А теперь представьте, что у вас есть безотражательный тахеометр, который ведёт съёмку автоматически, без участия оператора, со скоростью 5 тысяч измерений в секунду! Ещё совсем недавно такое предложение представлялось не менее фантастичным, чем полет на Луну сто лет назад. Сегодня это стало так же реально, как и следы американских астронавтов или русского «Лунохода» на поверхности нашего небесного соседа. Название этого чуда - лазерное сканирование . Это метод, который позволяет создавать цифровые модели всего окружающего пространства, представляя его набором (облаком) точек с пространственными координатами.
Съёмка со скоростью 5 тысяч точек в секунду была чудом, когда технология лазерного сканирования только начинала завоёвывать мир геодезических изысканий. Сейчас же современные лазерные сканеры позволяют выполнять съёмку с поистине невероятной скоростью - более миллиона точек в секунду ! Это действительно в значительной степени сокращает трудозатраты на полевой этап работ, при этом давая возможность оперативно получать сверхподробные данные результатов измерений с высокой точностью.
Где применяется лазерное сканирование?
Как многие технические новшества и технологии, недавно вышедшие из лабораторий ученых, лазерное сканирование находится только в начале пути освоения разнообразных приложений. Но уже сейчас можно перечислить несколько технологических сфер, в которых 3D лазерные сканеры применяются все более активно и уже достаточно давно стали практически незаменимыми:
- съемка промышленных объектов (заводы, нефтеперерабатывающие заводы, сложное производство);
- съемка объектов энергетики (атомные, гидро- и тепловые электростанции);
- съемка мостов;
- съемка и профилирование тоннелей;
- промышленные измерения (определение объемов резервуаров, жидких и сыпучих материалов);
- горная промышленность;
- реставрация и строительство;
- архитектура и археология.
Лазерный сканер – устройство, проводящее замеры с помощью специального излучения. Пространственные координаты формируются в результате измерений расстояния до точек и углов отражений.
Частота сканирования при этом должна быть большой и достигать 100 тыс. замеров в секунду.
Таким образом, накапливается большой объем данных о координатах, которые затем будут обработаны с помощью компьютеров и в итоге будет построена готовая цифровая модель поверхности или любого другого объекта.
Различают сканеры наземного и воздушного базирования. О последних и пойдет речь в нашей статье.
Как проходит воздушное лазерное сканирование
Производится оно с помощью нескольких взаимодействующих компонентов: лазерного сканера, приборов спутникового позиционирования и инерциальной системы. Расстояние до точки измеряется путем замера промежутка времени между отправкой сигнала и его приемом.
Одновременно с этим с помощью GPS измеряются углы путем регистрации положения воздушного судна в пространстве. Измерительная навигационная система необходима для постоянного измерения параметров положения судна в пространстве, например наклона или крена.
В итоге конечное вычисление координат точек происходит путем совместной обработки данных воздушного судна, локационного измерения расстояний и ориентации самого лазерного сканера.
Зачастую в составе этого комплекса так же задействуют цифровую аэрофотокамеру, которая производит синхронную съемку местности.
Преимущества метода
Данный метод является одним из наиболее быстрых и точных методов получения пространственной модели поверхности с точностью до 5-15 сантиметров. Проводится он на высоте от 500 до 1000 метров при помощи самолетов или вертолетов.
Качество напрямую зависит от высоты съемки: чем выше высота полета, тем хуже итоговая модель. В результате получается качественная модель даже самых сложных рельефов с густой растительностью и с учетом самых мелких деталей.
К основным преимуществам относят следующее:
- Расстояние до объекта измеряется максимально точно вне зависимости от характеристик и типа поверхности: будь это темная поверхность (постройки, грунт, асфальт) или светлая (снег или песок)
- Трехмерные данные получаются с большой плотности и высокой точностью
- Возможность одновременного измерения до земли и верхушек деревьев
- Возможность получения картографических данных крупного масштаба с производительностью 1000 кв.м за 12 часов при проведении аэросъемочных работ, а так же 24 часа для получения уже готовой трехмерной модели рельефа
- Результат в цифровом виде
Материал для статьи предоставлен компанией "АртГео" -
В настоящее время при проведении геодезических работ все чаще применяются современные лазерные технологии. В основе лазерного сканирования лежит способность луча лазера отражаться от наземных объектов или поверхности земли. Лазерное сканирование позволяет фиксировать абсолютно все особенности рельефа, максимально быстро получать трехмерную визуализацию даже труднодоступных объектов.
Всего в геодезии используются два вида работ: наземное и воздушное лазерное сканирование.
Наземное лазерное сканирование позволяет получать планы высокого уровня детализации, а также создавать трехмерные модели объектов.
При воздушном лазерном сканировании лазерный сканер размещают на воздушном судне, этот способ применяют в различных отраслях - от нефтегазовой промышленности до дорожного хозяйства.
Лазерное трехмерное сканирование делает возможной сплошную съемку объекта с большой скоростью и позволяет за малое время осуществлять большой объем работ с различными объектами, среди которых:
здания и строения;
предприятия со сложной структурой, в том числе химические предприятия, нефтегазоперерабатывающие комплексы и т.д.;
автомобильные и железные дороги и дорожные объекты, в том числе мосты, путепроводы, прилегающие зоны;
открытые и закрытые горные разработки;
ситуация и рельеф.
Трехмерное лазерное сканирование представляет собой новейшую технологию, обладающую такими преимуществами, как значительное сокращение сроков выполнения полевых работ, высокое качество и детальность съемки. При этом стоимость геодезических работ, проводимых в соответствии с данной технологией, вплотную приближается к цене традиционных методов. Первым результатом сканирования является облако точек, которое и несет максимум информации об исследуемом объекте, будь то здание, инженерное сооружение, памятник архитектуры и т.п. По облаку точек в дальнейшем, возможно, решать различные задачи:
получение трехмерной модели объекта;
получение чертежей, в том числе, чертежей сечений;
выявление дефектов и различных конструкций посредством сравнения с проектной моделью;
определение и оценка значений деформации посредствам сравнения с ранее произведенными измерениями;
получение цифровых топографических планов методом одновременной аэрофотосъемки и воздушного лазерного сканирования.
При топографической съемке сложных промышленных объектов традиционными методами, исполнители часто сталкиваются с тем, что во время полевых работ бывают пропущены отдельные необходимые измерения. Обилие контуров, большое количество отдельных объектов и мелких деталей приводят к неизбежным ошибкам. Материалы, получаемые при лазерном сканировании, несут наиболее полную информацию о метрических данных объекта съемки, исключающую субъективные ошибки геодезиста .
Съемкой называется процесс геодезических измерений на местности, выполняемых для составления карт и планов. При горизонтальной съемке определяется взаимное плановое положение контуров и объектов - ситуации местности. Если кроме ситуации снимается рельеф местности, то съемка называется топографической. Наибольшее применение в качестве геодезической подосновы для архитектурно-строительного проектирования имеют топографические съемки крупных масштабов: 1: 500, 1: 1000,
1: 2000, 1: 5000 .
Один из видов наземной топографической съемки, осуществляемой с помощью теодолитов или тахеометров - это тахеометрическая съемка.
Тахеометрическую съемку применяют для создания планов или цифровой модели местности участков в крупном масштабе для ведения государственного кадастра недвижимости, для планировки сельских населенных пунктов, проектирования отводов земель, мелиоративных и противоэрозионных мероприятий, трассирования линейных сооружений и др. .
Перед тахеометрической съемкой на основе существующей геодезической сети строят съемочную сеть до густоты пунктов, обеспечивающей положение на территории съемки тахеометрических ходов с соблюдением технических требований, приведенных в таблице 2.1. Поэтому в съемочное обоснование тахеометрической съемки входит построение сетей триангуляции, трилатерации, полигонометрии, теодолитных ходов, обеспечивающей территорию съемки геодезическими пунктами нужной густоты .
Таблица 2.1 - Технические требования при проложении тахеометрических ходов
Электронную тахеометрическую съемку эффективно применять на открытой равнинной местности, когда с исходной съемочной точки открывается видимость на расстояния 1…2 км. Вследствие значительной дальности действия тахеометра сокращаются затраты труда на развитие съемочного обоснования.
Экономическая эффективность электронных тахеометрических съемок еще и во многом определяется связями технологического процесса. Первый вариант отвечает классической схеме наземных топографических съемок, при которой основные технологические процессы последовательно сменяют друг друга. Численность топографической бригады составляет два человека. Служебную и метрико-семантическую информацию записывают на технический носитель. Обрабатывают результаты измерений и составляют топографические планы электронной тахеометрической съемки в основном в условиях стационарного камерального производства.
Второй вариант электронной тахеометрической съемки отличается от первого тем, что обработку материалов съемки ведут на базе полевой бригады, когда разрыв между полевыми и камеральными работами не превышает нескольких суток.
Третий вариант отвечает принципиально новой схеме организации работ, при которой основные процессы съемки (полевые и камеральные) ведут одновременно. Численность топографической бригады при этом увеличивается на одного человека за счет организации в ближайшем к объекту населенном пункте выездного командно-диспетчерского камерального поста с передачей ему функций регистрации информации на технический носитель, за счет обработки ее по мере поступления и отображения на составляемых тут же топографических планах .
Одновременности выполнения полевых и камеральных работ достигают за счет организации радиосвязи между всеми участниками съемки и ее камеральной обработки. Связь осуществляют с помощью мобильных радиостанций. При этом оператор тахеометра управляет перемещением рабочего с отражателем по объекту съемки, принимает семантическую информацию с места установки отражателя и передает ее вместе с метрической информацией на командно-диспетчерский камеральный пост. Оператор командно-диспетчерского камерального поста, находясь в ближайшем от объекта населенном пункте (или кузове специального автомобиля), не только принимает и обрабатывает метрико-семантическую информацию, но и активно управляет плотностью набора пикетов, закрывая «белые пятна» в съемке, а в необходимых случаях требует от оператора тахеометра набора контрольных пикетов и т.п. Одновременность набора и отображения съемочных пикетов на составляемых топографических планах позволяет исключить недостатки, свойственные обычной тахеометрической съемке. При этом за счет большой дальности действия тахеометра значительно увеличивается площадь съемки, выполняемая с одной установки прибора и, как следствие, уменьшается потребность в числе пунктов съемочного обоснования.
Технология электронной тахеометрической съемки дает возможность представить топографические планы как в традиционной графической форме, так и в виде цифровых моделей местности и рельефа, то есть в форме, удобной для исполнения в системах автоматического проектирования .
При изысканиях, проектировании, строительстве и эксплуатации инженерных сооружений необходимо еще знать и рельеф местности.
Без знания рельефа местности невозможно проектирование железных и шоссейных дорог, водоотводных (осушительных и оросительных) каналов, гидротехнических сооружений, аэродромов, строительных площадок, населенных пунктов, плотин, полей севооборотов и других объектов.
Знание рельефа выражается прежде всего в знании отметок всех характерных точек местности.
Определение высот точек местности и превышений между ними и есть цель нивелирования.
Нивелирование - вид геодезических работ, в результате которых определяют разности высот (превышения) точек земной поверхности, а также высоты точек над принятой отсчетной поверхностью.
В зависимости от применяемых инструментов и методов различают следующие виды нивелирования: стереофотограмметрическое, барометрическое, гидростатическое, автоматическое, геометрическое и тригонометрическое.
Геометрическое нивелирование основано на применении нивелира, который обеспечивает горизонтальное положение линии визирования. Геометрическое нивелирование может быть выполнено также с помощью тахеометра.
При необходимости передачи высот на большие расстояния прокладываются нивелирные ходы, состоящие из нескольких связанных между собой станций. Путем проложения нивелирных ходов первого - четвертого классов точности создается единая государственная нивелирная сеть, являющаяся высотной основой всех геодезических работ на территории страны. Пункты государственной нивелирной сети закрепляются на местности постоянными знаками - реперами и марками, их отметки публикуются в специальных каталогах.
В развитие государственной нивелирной сети для производства топографо-геодезических работ прокладываются ходы технического нивелирования.
Ходы технического нивелирования прокладывают способом геометрического нивелирования «из середины». Для этого используют технические и точные нивелиры.
Техническое нивелирование выполняют в одном направлении. Максимальная длина хода технического нивелирования зависит от высоты сечения рельефа h и составляет 1 км при h = 0,25 м; 4 км при h = 0,5 м.
При съемке участка под строительство, а также при обмерах объектов архитектуры высотным обоснованием служит, как правило, нивелирный ход, проложенный по точкам теодолитного хода - теодолитно-нивелирный ход.
В рядах случаев техническое нивелирование выполняют при определении высот вершин квадратов, построенных на местности .
Рассмотрим состав работ при проложении нивелирного хода.
Общие точки для смежных станций хода называют связующими. В тех случаях, когда перепад высот между точками не позволяет выполнить измерение с одной станции, выбирают дополнительную связующую точку - x точку и соответственно дополнительную станцию. Если в створе между связующими точками имеются характерные точки перегиба рельефа, их нивелируют. Такие точки называют промежуточными или плюсовыми.
Порядок работы на станции при нивелировании следующий:
визирование на заднюю по ходу точку и отсчет по черной стороне рейки;
визирование на переднюю точку и отсчет по черной стороне рейки;
отсчет по красной стороне рейки при визировании на переднюю точку;
отсчет по красной стороне рейки при визировании на заднюю точку;
визирование на промежуточную точку и отсчет по черной стороне рейки.
Таким образом устанавливается симметрия во времени при наблюдении на заднюю и переднюю точки, что позволяет ослабить влияние атмосферной рефракции на отсчет по рейке.
Значение превышения на станции вычисляют дважды: по черным и красным сторонам рейки. Допустимое расхождение значений превышений - не более 5 мм, в противном случае измерения на станции следует повторить. При работе с электронными тахеометрами и нивелирами с встроенным процессором значения превышений и горизонтальных проложений считывают с экрана дисплея и заносят в электронный журнал.
Тригонометрическое нивелирование производят путем измерения угла наклона визирной линии к горизонту и расстояния между нивелируемыми точками.
Тригонометрическое нивелирование широко распространено при топографической съемке местности, а также при производстве инженерно-геодезических работ. В настоящее время в связи с внедрением тахеометров сфера применения тригонометрического нивелирования значительно увеличилась. Основным преимуществом данного вида нивелирования является возможность определения высот точек без ограничения углов наклона скатов к горизонту, а также дальности расстояний до точек наблюдений .
Высоты (отметки) точек и рельеф местности отображаются на картах и планах и служат основой для архитектурно-строительного проектирования, в том числе для составления проектов вертикальной планировки территории, проектов транспортных сетей, инженерных коммуникаций и др. Без нивелирования нельзя осуществить вынос проекта сооружения в натуру, выполнить обмеры архитектурных комплексов.
При наружных обмерах объектов недвижимости, как правило, используют 20…30-метровые стальные рулетки, а также так называемые «лазерные рулетки». Для измерения расстояний в корпус рулетки помещают лазерный электромагнитный дальномер. При измерениях лазерный пучок наводят на отражающую поверхность объекта, до которого измеряют расстояние. Наведение осуществляют визуально, т.е. по «лазерному пятну» или используют для этого закрепленный на корпусе рулетки специальный оптический визир.
При внутренних обмерах эффективнее применять лазерные дальномеры, например, для оценки объекта недвижимости и составления генерального и поэтажного планов, когда внешние условия не влияют на результаты измерений.
Совместив внутреннюю съёмку с внешней и построив по облаку точек нерегулярную сеть, можно получить полноценную трёхмерную модель здания с информацией о толщине стен, отклонениях от плоскости, вертикали и горизонтали. По полученной модели, можно проводить различные измерения, строить сечения, рассчитывать количество строительных материалов для реставрации и реконструкции .
Быстро и качественно получить трехмерную модель местности, а также зданий, сооружений и т.п. можно с помощью лазерного сканера.
Лазерное сканирование с успехом применяется в самых различных областях деятельности:
в промышленном, гражданском и транспортном строительстве;
в нефтегазовой отрасли;
в подземном строительстве, прежде всего в тоннелестроении, там, где требуется высокая точность и максимально полная информация об объекте. Затраты на проведение измерений в этом случае сокращаются в десятки раз, а получаемая точность соответствует принятым нормам;
в машиностроении;
в архитектуре, археологии и музейном деле (сканирование необходимых для отрисовки фасадных чертежей тонких архитектурных элементов зданий, размер деталей которых составляет миллиметры или первые сантиметры). При съёмках зданий, представляющих историческую и культурную ценность, такая задача возникает довольно часто.
Лазерное сканирование позволяет быстро получить трехмерную модель местности, а также зданий, строений, сооружений и т.д. Движущийся лазерный луч сканирует объект за несколько секунд. По сравнению с векторной трехмерной моделью растровая модель имеет ряд преимуществ, так как готова сразу после сканирования, занимает большее пространство и стоит дешевле. По сравнению с фотограмметрическими способами съемки лазерное сканирование позволяет получить пространственные координаты с одной точки стояния без последующей камеральной обработки, причем имеется возможность провести контрольные измерения непосредственно в полевых условиях. При этом достигается более высокая точность работ. Лазерное сканирование может выполняться как с воздуха (с борта самолета, вертолета), так и с поверхности Земли.
Рассмотрим воздушное лазерное сканирование .
Принцип функционирования воздушных лазерных систем представлен на рисунке 2.1. В качестве излучателя используется полупроводниковый лазер, как правило, ближнего инфракрасного диапазона, работающий в импульсном режиме. В каждом акте сканирования регистрируются наклонная дальность до точки отражения и значение угла, определяющего направление распространения зондирующего луча в системе координат локатора. В зависимости от типа сканирующей системы могут фиксироваться более одного (до пяти) отражений для каждой линии визирования. Такая возможность способствует получению более информативных лазерно-локационных изображений, так как в одном акте сканирования могут быть получены отклики сразу от нескольких компонентов сцены: первые отклики будут получены за счет отражений от листвы растительности, проводов и опор линий электропередач, кромок зданий, а последний отклик, как правило, соответствует поверхности земли или другой твердой поверхности, например, крыше здания. Траектория движения носителя регистрируется бортовым приемником GPS (ГЛОНАСС). В сочетании с замеренными значениями наклонной дальности и угла сканирования это позволяет непосредственно получить абсолютные геодезические координаты элементов сцены, вызвавших отражение зондирующего луча. С некоторыми упрощениями современный лазерный сканер можно определить как «сканирующий лазерный дальномер с навигационным обеспечением». Все основные структурные компоненты, составляющие лазерный сканер, такие как дальномерный блок, GPS, инерциальная система всесторонне изучены и уже много лет активно эксплуатируются.
Рис. 2.1
Целесообразность использования новой технологии в различных приложениях основывается на ее уникальных возможностях. Среди отличительных особенностей воздушного лазерного сканирования можно выделить три основных.
Во-первых, производительность воздушного лазерного сканирования чрезвычайно высока. На практике достигнута производительность съемки линейных объектов в 500-600 км за один аэросъемочный день. Здесь следует отметить, что камеральная обработка результатов съемки, как правило, по продолжительности сравнима со временем выполнения авиационных работ, что позволяет выполнять такую обработку оперативно на месте проведения работ. Это, в свою очередь, позволяет эффективно контролировать качество съемки и при необходимости выполнять повторную съемку.
Во-вторых, воздушное сканирование не требует выполнения наземных геодезических работ по планово-высотному обоснованию результатов аэросъемки. Необходимость выполнения таких работ может составить серьезную проблему при реализации традиционных методов съемки, особенно для удаленных и труднодоступных районов.
В-третьих, непосредственное получение трехмерных моделей рельефа и всех наземных объектов, а также возможность выполнения по ним геометрических измерений.
Использование воздушных лазерных систем для решения данных задач городского кадастра предполагает получение геопространственных данных двух основных видов: данных для аналоговых и цифровых аэрофотоснимков и собственно результатов лазерно-локационной съемки. Цифровые аэрофотоснимки по своему информационному содержанию и методике использования мало отличаются от традиционных аэрофотоснимков, получаемых с помощью традиционных пленочных камер. Конечно, использование цифровой аэрофотосъемочной техники позволяет добиться значительно более высокого фотографического и фотограмметрического качества, а также существенно сократить длительность технологического цикла производства топографических материалов.
Получение данных для аналоговых и цифровых аэрофотоснимков заключается в определении их элементов внешнего ориентирования аэрофотоснимков и измерение наклонной дальности съемки на борту летательного аппарата.
Определение элементов внешнего ориентирования аэрофотоснимков на борту летательного аппарата состоит в следующем: угловые элементы внешнего ориентирования определяют с помощью инерциальных систем навигации, а координаты центров проекций находят по показаниям GPS-приемников. На практике эта задача сегодня решается почти исключительно с использованием интегральных навигационных GPS/IMU (аббревиатура IMU есть InertialMeasurementUnit, или в переводе инерциальное измерительное устройство) комплексов. Такие комплексы получили название системы прямого геопозиционирования, т. е. обеспечивают возможность полного решения задачи геопозиционирования без привлечения других источников данных.
Идеология использования GPS/IMU систем при съемке с любых летательных аппаратов предполагает их полностью автономное функционирование от съемочного оборудования. Это чрезвычайно важное обстоятельство позволяет использовать такие системы в паре с практически любыми аэросъемочными средствами - аналоговыми и цифровыми аэрофотоаппаратами, воздушными лазерными сканерами, радиолокаторами, инфракрасными и спектрозональными приборами и др. В процессе аэросъемки эти приборы могут работать совершенно независимо на аппаратном уровне. Необходимо обеспечить только их синхронность или более точно временную определенность событий, чего в нынешних условиях нетрудно добиться благодаря использованию GPS/GLONASS технологий. Применительно к аэрофотоаппарату последнее требование означает, что время совершения каждого аэрофотоснимка должно быть определено во временной шкале, единой с POS/AV комплексе. На практике это достигается регистрацией импульса срабатывания затвора аэрофотоаппарата через один из специальных EVENT входов комплекса. Аналогично выполняется синхронизация с авиационным импульсным лазерным дальномером.
Точность определения текущих координат центра съемки, элементов внешнего ориентирования и наклонной дальности (от центра съемки до точки) с помощью перечисленной бортовой аппаратуры приведена в таблице 2.2 .
В сочетании с измеренными значениями наклонной дальности и угла сканирования, точность определения позволяет непосредственно получить абсолютные геодезические координаты точек пространства, вызвавших отражение зондирующею луча.
Другим методом крупномасштабного топографического картографирования городских территорий является комплексная обработка лазерно-локационных данных, получаемых с помощью лазерного сканера, и результатов цифрового фотографирования.
Таблица 2.2 - Точность определения текущих координат центра съемки, элементов внешнего ориентирования и наклонной дальности
Роль лазерно-локационных данных в рассматриваемом методе создания и обновления топографических карт и планов городских территорий существенно отличается от традиционной. При реализации метода аэросъемочные работы могут проводиться различными подходами: параллельный и последовательный сбор геопространственных данных. Данные подходы изображены на рисунке 2.2 .
Как именно осуществляется сбор данных, параллельно или последовательно, не имеет принципиального значения.
Лазерные сканеры, установленные на борту летательного аппарата, осуществляют сканирование местности вдоль маршрута. Ширина полосы съемки может меняться в широких пределах oт единиц метров до размера, равного 93% высоты съемки. Обычно высот полета при съемке выбирается и пределах от 200 м до 3000 м. Точность определения высоты сканером составляет 5-15 см. Построчное сканирование пучком лазерного излучения осуществляют перпендикулярно маршруту со скоростью несколько тысяч точек в секунду.
Траектория движения носителя регистрируется бортовым приемником GPS для определения текущих координат центра съемки, а для определения элементов ориентирования используется инерциальная система IMU комплекса GPS/IMU.
Рис. 2.2
а - соответствует случаю, когда все необходимые технологические компоненты (аэросъемочные средства) размещаются на борту одного носителя; б - демонстрирует случай, когда сбор геопространственных данных осуществляется последовательно: сначала выполняется съемка объекта с помощью лазерного локатора, а затем - с помощью аэрофотоаппарата.
Лазерное сканирование – это метод высокоточного картографирования местности или её оцифровывание. Однако, в отличие от технологий позволяющих вести последовательную съемку отдельных точек, сканирование позволяет быстро получать детальные измерительные данные обо всем объекте в целом. Как будто камера делает панорамную фотографию на 360 градусов, но при этом получает точные трехмерные координаты каждого пикселя.
Где применяются наземные лазерные сканеры?
Получение качественной исполнительной съемки или измерительной информации о текущем состоянии объекта, это очень важно для строительства и реконструкции, такая съемка снижает риски и стоимость работ.
Топографическая съемка, получаемая посредством лазерного сканера, настолько полная и детальная, что вы всегда можете обращаясь к массиву данных словно бы вернуться в поле, найти необходимы данные или дополнить проект. Также все работы производятся значительно быстрее.
Быстрый подсчет объёмов складов, жидкостей или сыпучих материалов с получением более точного результата, даже при измерении геометрически более сложных объектов. Это востребовано там, где невозможно сделать измерения тахеометром или GNSS приемником. Данную задачу приходится решать в различных сферах:
- химические предприятия (производство удобрений);
- добыча полезных ископаемых (уголь, руда, песок, щебень);
- агропромышленные предприятия (учет сельскохозяйственной продукции);
- производство стройматериалов (цемент);
- нефтепереработка и хранение.
Съемка дорог на расстоянии. Выполнить съемку оживленного шоссе или развязки очень затруднительно, т.к. постоянный трафик не позволит быстро пройтись по дороге с RTK ровером. Используя лазерный сканер, мы можем произвести съемку, находясь на безопасном расстоянии.
Криминалистика – вы можете в любой момент открыть цифровую модель места происшествия на своем компьютере, чтобы произвести дополнительные измерения и анализ, возможно, это позволит заметить некоторые детали, которые ускользнули от взора при первичном осмотре места преступления.
Так как данные, полученные посредством лазерного сканера – это измерительная информация, вы можете использовать их в программах для различного рода задач. Например, по виртуальным данным можно анализировать реальное расположение конструкций относительно проектного.
Как работает лазерный сканер?
Весь процесс выполнения любого вида работ лазерным сканером можно разбить на две составляющих:- первая – это полевой этап, на котором сканер производит физическую съемку объектов;
- вторая – это камеральная обработка, где полевые данные преобразуются в те результаты, которые и используются в дальнейшей работе.
Ставим сканер в оптимальное для съемки выбранного объекта положение, нажимаем кнопку и просто ждем, пока прибор сделает свою работу. На полевом этапе, если необходимо, можно получить панорамные снимки и сделать исходные данные еще более реалистичными. Перед началом работы нужно правильно выбрать место установки инструмента, это позволит сократить количество станций и сэкономить время.
Как получить 3D модель всего объекта?
Для этого необходимо выполнить сканирование с нескольких точек, что позволит получить облака точек одного и того же объекта с разных ракурсов, которые потом сшиваем и привязываем к системе координат. Сканы могут быть точно привязаны к нужной системе координат, как при стандартной топографической съемке.
Программное обеспечение для обработки позволяет создавать бесконечное количество конечных проектов и выделять только ту информацию, которая необходима: двухмерные планы и высотные отметки, понятные и удобные панорамные изображения с возможностью получение измерений для каждого пикселя, сечения и профили, объем, направление выстрелов для анализа траектории полета пули и создания картин преступлений.
Кроме того технология сканирования позволяет получить дополнительные результаты, например, детальные топографические планы, триангуляционные поверхности, полностью текстурированные модели, обзорные видео, интеллектуальные 3D модели промышленных объектов, а также BIM (информационные модели зданий).
Обучение работе на лазерном сканере
Наши специалисты обучат вас работать со сканером и программным обеспечением для получения нужного результата. Они эксперты во всех профильных вопросах, начиная от решения самых простых задач, и заканчивая наиболее сложными. Иными словами мы поможем вам реализовать все возможности технологии лазерного сканирования, независимо от того, где и как вы собираетесь её применять:- проектирование;
- строительство;
- управление производством;
- эксплуатация и обслуживание зданий и сооружений;
- криминалистика;
- моделирование;
- в образовательной сфере;
- съёмка промышленных объектов;
- создание информационных моделей зданий;
- в археологии и сохранении памятников.
ООО «А-ГЕО» - ваш главный партнёр по профессиональному внедрению и использованию технологий лазерного сканирования.
