1.4 Методика лазерного сканирования

Исследование морфологических особенностей абразионных берегов в районе г. Светлогорск проводилось способом наземного лазерного сканирования с использованием 2-х сканеров марки GLS-1500. Основные характеристики прибора приведены в таблице 1.1.

Время сканирования одной точки, а, следовательно, и объекта в целом может сильно меняться в зависимости от плотности сканирования области, при этом для линейных объектов целесообразно проводить способом закладки угла между сканируемыми точками. В процессе сканирования ряд технических характеристик может претерпевать отклонения преимущественно в зависимости от погодных условий и состояния атмосферы, состояния до сканируемого объекта, типа марки и ее отражательной способности.

Таблица 1.1 – Основные технические характеристики прибора [4]

Параметр	Характеристика параметра
Вес	16кг (без аккумуляторов и трегера)
Высота инструмента	410 мм (от основания трегера до оси вращения зеркала)
Рабочая температура	от 0°C до +40°C
Защита от пыли и влаги	IP52 (Согласно стандарту IEC60529) Влагозащита: класс 2
Дальность измерений	До 330 м
Точность одного измерения:
Расстояния	4 мм (σ) (на расстоянии от 1 до 150 м)
Угла (вертикального)	6"
Угла (горизонтального)	6"
Частота сканирования	3000 Гц (точек в секунду) (максимальное значение)
Максимальная плотность сканирования	1 мм на 100 м (максимальное значение; выбирается)
Поле зрения (на скан):
По вертикали	±35° (максимальное значение) Большие углы сканируются с наклоном базы
По горизонтали:	360° (максимальное значение)
Класс лазера	Класс 1 (IEC EN60825-1)
Длина волны	1535 нм (невидимый луч)
Длительность импульса	3.6 нс (максимальное значение)
Частота импульса	3400 Гц (максимальное значение)
Точность определения марки	3"[σ] на 50 м

Наземное лазерное сканирование (НЛС) используется для получения 3D координат сканируемого объекта. Перед началом сканирования в обязательном порядке выделяется область сканирования при помощи установления углов сканирования по схеме: верхний левый угол – нижний правый угол.

В связи с перекрытием сканов (облаков точек) на переходных точках стояния прибора целесообразно работать сегментами, что позволит сократить время сканирования. Аналогичный подход был использован для установки плотности сканирования для заданной области, как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскости. В зависимости от степени перекрытия сканов устанавливается плотность сканирования для заданной области, как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскости. На участках сканирования (Куршская коса, г. Светлогорск) область сканирования варьировала: от 25º до 360º плотность сканирования – 2×3×10, 10×10×10, 15×15×10.

Для увязывания отдельных сканов применятся светоотражающая марка. При производстве лазерного сканирования марки используются для перехода от локальных систем координат точек стояния к общей (местной или глобальной) системе координат проекта. Марки могут использоваться для регистрации модели по ТС/ТО или регистрации модели по узловым точкам. Каждая марка имеет высоту, координаты и является узловой точкой. Марки выставляются таким образом, чтобы они входили в сканируемую область (находились в поле видимости сканера), их количество не должно быть менее 3 на 1 скан [4].

Сканирование береговой зоны в районе г. Светлогорск проводилось на участке протяженностью 500 м. В связи с тем, что на исследованном участке берега в г. Светлогорске высоты клифа превышают технически установленные для прибора, сканирование проводилось с наклоном базы. Наклон базы (сканера) осуществляется при помощи поворотного устройства, обеспечивающего возможности съемки при углах до 90º. Так как сканер в режиме наклона не может правильно определить направление счета высоты цели, т.к. не может определить величину наклона базы относительно общей системы координат, использовалось вторичное наведение прибора на марки в именном положении. Таким образом, сканирование высоких отметок предполагает «сшивание» как горизонтальных, так и вертикальных сканов (рисунок 1.21).

Под сканом понимают набор точек, полученных непосредственно в результате сканирования и находящиеся в локальной системе координат точки стояния, которые в дальнейшем при создании «облака точек» объединяются и хранятся в глобальной системе в рамках одного проекта.

Сканирование объектов выполнялось с определенного количества точек стояния сканера (14, в том числе с подъемом базы прибора – 7 точек стояния). Все результаты сканирования в процессе обработки были помещены в один проект. В зависимости от расстояния, требуемой точности и времени сканирования выбирается оптимальный режим сканирования (таблица 1.2). Эта возможность сканера GLS-1500 связана с его способностью изменять диаметр лазерного луча в зависимости от сканируемого объекта. Таким образом, выбирается один из режимов сканирования: высокоточное 3D или быстрое сканирование. Процесс сканирования предварялся фотографированием внутренней цифровой фотокамерой.

Рисунок 2.21 – Сканирование клифа с поднятой базой прибора в районе

г. Светлогорска

Процесс автоматический, снимки делались всей сканируемой области. Количество снимков зависит от размера сканируемой области. Стандартное качество изображения – 800×600 пикселей; высокое качество изображения – 1600×1200 пикселей. В процессе работы были использован 1 и 2 режимы сканирования. Результаты измерений сохраняются на SD карту в определенном порядке. Необходимо несколько раз выполнить съемку объекта в режиме 3D сканирования с различных точек, а результаты съемки должны храниться вместе в одном файле, как один проект.

Таблица 1.2 – Режимы сканирования

1	NORMAL (стандартный)	Используется одна система линз. Наименьшее время сканирования.
2	FINE (точный)	Используются две системы линз, что повышает точность измерений. Время сканирования примерно в 2 раза больше, чем в стандартном режиме.
3	SFINE (высокоточный)	Для выполнения измерений с максимально высокой точностью используются три системы линз. Время сканирования в 3 раза больше, чем в стандартном режиме.

Получение в результате НЛС «облако точек» проходит первичную обработку в специализированной программе – ScanMaster. Следует отметить, что данная программа обладает возможностью управления сканером непосредственно в полевых условиях.

Для проведения расчетных манипуляций проведено несколько последовательных действий:

1. Произведена очистка данных (фильтрация шума). При работе в береговой зоне этот этап крайне важен этап, т.к. в поле зрения сканера попадают отдыхающие, разнообразный габаритный растительный материал и т.д., что при построении профилей, определении запасов обломочного материала искажает реальные значения.

2. Для выравнивания плотности точек проведено их прореживание. Это позволит улучшить визуализацию «облака точек», облегчит построение триангуляционной модели и экспорт данных в другие программы. Повышенная и неравномерно распределенная плотность точек – результат наложения сканов и изменения плотности точек во время сканирования.

3. На основе «облака точек» построена триангуляционная модель объектов исследования. Этот этап обязателен, т.к. построение примитивов (плоскости, полилинии и т.д.) возможен только на основе этой модели.

4. Построение примитивов: полилиний, оформленных в геоморфологические профили, поверхностей для расчета обломочного материала и т.д.

При работе «облако точек» раскрашено в цвета фотографии, что облегчает визуализацию объекта в процессе работы.