Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Лазерное сканирование 2014 / Литература Лекции / Середович В.А., Комиссаров А.В., Комиссаров Д.В., Широкова Т.А. Наземное лазерное сканирование. 2009

.pdf
Скачиваний:
648
Добавлен:
26.04.2015
Размер:
8.89 Mб
Скачать

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОУ ВПО «СИБИРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ГЕОДЕЗИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ»

Середович В.А.

НАЗЕМНОЕ ЛАЗЕРНОЕ СКАНИРОВАНИЕ

Новосибирск

СГГА

2009

УДК 528.721.221.6:528.8.042 Н19

Авторский коллектив:

В.А. Середович, А.В. Комиссаров, Д.В. Комиссаров, Т.А. Широкова

Рецензенты:

профессор, доктор сельскохозяйственных наук

И.М. Данилин

профессор, доктор технических наук

В.П. Пяткин

Середович В.А.

Н19 Наземное лазерное сканирование: монография / В.А. Середович, А.В. Комиссаров, Д.В. Комиссаров, Т.А. Широкова. – Новосибирск: СГГА, 2009. –

261 с.

ISBN 978-5-87693-336-2

В книге рассмотрены устройство, принцип действия и классификация наземных лазерных сканеров. Приведены источники погрешностей в результате наземного лазерного сканирования и даны практические рекомендации по их исключению. Изложены методы и выполнен анализ внешнего ориентирования сканов. Разработана методика прокладки сканерных ходов. Большое внимание уделено технологии наземного лазерного сканирования и методикам создания топографических планов и построения цифровых моделей объектов и рельефа местности с использованием различных программ для обработки данных наземного лазерного сканирования.

Монография предназначена для инженерно-технических работников, аспирантов, магистрантов и студентов, изучающих теорию и технологию наземного лазерного сканирования.

Печатается по решению редакционно-издательского совета СГГА

УДК 528.721.221.6:528.8.042

ISBN 978-5-87693-336-2

© ГОУ ВПО «Сибирская государственная

 

геодезическая академия» (СГГА), 2009

СОДЕРЖАНИЕ

 

Определения, обозначения и сокращения ........................................................

5

Введение...............................................................................................................

6

1. Сущность наземного лазерного сканирования .........................................

9

1.1. Принцип действия наземных лазерных сканеров ..............................

9

1.2.Принцип работы дальномерного блока наземных лазерных

сканеров................................................................................................

11

1.3.Способы измерения угловых величин, реализованные в наземных

лазерных сканерах...............................................................................

16

1.4. Обзор и классификация наземных лазерных сканеров ...................

18

1.5.Источники ошибок в результатах наземного лазерного

сканирования .......................................................................................

26

1.5.1.Классификация ошибок в данных наземного лазерного

сканирования .................................................................................

26

1.5.2. Инструментальные ошибки наземных лазерных сканеров ......

27

1.5.3.Влияние атмосферы на точность измерения углов и расстояний

наземными сканерами ..................................................................

34

1.5.4.Влияние метрологических свойств объектов на точность

наземной лазерной съемки...........................................................

37

1.5.5.Влияние параметров сканирования и характеристик сканеров

 

на точность получения данных....................................................

41

2. Технология и точность наземного лазерного сканирования .................

43

2.1. Технологические схемы наземного лазерного сканирования.........

43

2.2.

Сущность внешнего ориентирования сканов ...................................

56

2.3.

Методы внешнего ориентирования сканов.......................................

57

2.4.Методы прямого определения линейных элементов внешнего

ориентирования сканов ......................................................................

59

2.5.Методы прямого определения угловых элементов внешнего

 

ориентирования сканов ......................................................................

63

2.6.

Анализ точности внешнего ориентирования сканов .......................

72

2.7.

Методика проложения сканерных ходов...........................................

79

2.8.Априорная оценка точности результатов наземного лазерного

сканирования .......................................................................................

81

3.Программное обеспечение для обработки данных наземного лазерного

сканирования .............................................................................................

86

3.1.Обзор функциональных возможностей программного обеспечения

...............................................................................................................

86

3.2. Управляющее программное обеспечение .........................................

87

3.3.Программные продукты Cyclone и RealWorks Survey для создания топографических планов и чертежей по данным лазерного

сканирования .......................................................................................

89

3.4.Построение ЦМР по данным лазерного сканирования в

программном продукте RealWorks Survey........................................

98

3.5.Трехмерное моделирование технологических объектов в

программном продукте Cyclone ......................................................

100

3.6.Трехмерное моделирование объектов сложной геометрической

формы в программном продукте RapidForm..................................

113

3.7.Функциональные возможности программного продукта PolyWorks

............................................................................................................. 122 4. Области применения данных наземного лазерного сканирования .... 132

4.1.Применение технологии наземного лазерного сканирования для

создания крупномасштабных топографических планов...............

132

4.2.Применение наземных лазерных сканеров в архитектуре,

строительстве и при проектировании сооружений .......................

132

4.3. Применение наземных лазерных сканеров в археологии .............

136

4.4.Применение наземных лазерных сканеров в нефтегазовой отрасли

............................................................................................................. 139

4.5.Использование технологии наземного лазерного сканирования для

медицинских целей ...........................................................................

145

4.6.Прогнозирование и ликвидация чрезвычайных ситуаций с

применением технологии наземного лазерного сканирования .... 145

4.7.Методика калибровки цифровых камер с использованием

наземных лазерных сканеров...........................................................

147

4.8. Развитие и внедрение трехмерных ГИС .........................................

152

Заключение.......................................................................................................

 

157

Библиографический список ...........................................................................

159

Приложение 1.

Технические характеристики наземных сканеров ............

171

Приложение 2.

Основные функции, реализованные в по для обработки

 

данных лазерного сканирования............................................................

176

ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

В настоящей монографии применены следующие термины с соответствующими определениями:

лазерное отражение для точки – информация о точке объекта,

содержащая пять характеристик, а именно: сферические пространственные координаты точки ( , , R), интенсивность отраженного сигнала (I) и реальный цвет точки (IRGB);

массив точек (точечная модель) – множество лазерных отражений от объектов, формируемое из совокупности сканов;

мертвая зона – зона, которая не попадает в поле зрения сканера с одной станции;

скан – изображение, получаемое наземным лазерным сканером за один цикл его работы, элементами (пикселями) которого являются лазерные отражения точек объекта;

сканерная станция – точка стояния сканера; трехмерная векторная модель – трехмерная модель поверхности

объекта, представляемая с помощью набора математических функций (геометрических примитивов, сплайн-функций, нерегулярных триангуляционных сетей и т. п.).

Сокращения:

МНК – метод наименьших квадратов; НЛС – наземный лазерный сканер; НТД – нормативно-технический документ; ПЗС – прибор с зарядовой связью; ПО – программное обеспечение;

ПП– программный продукт;

СКО – средняя квадратическая ошибка; ЦММ – цифровая модель местности.

ВВЕДЕНИЕ

Тенденции автоматизации всех сфер производственной деятельности человека обусловлены, прежде всего, бурным развитием микропроцессорной техники и цифровых технологий. Разработка компьютерных систем принятия решений позволила в значительной степени сократить влияние человеческого фактора на объемы и качество выпускаемой продукции. В данной ситуации микропроцессорная техника сыграла роль интегрирующего звена между отдельными этапами и технологиями производственных процессов.

В частности, интеграция цифровой техники сбора данных, геодезических и фотограмметрических технологий привела к появлению принципиально новых приборов для сбора пространственной информации о местности – систем наземной лазерной локации (наземных лазерных сканеров).

Сущность наземного лазерного сканирования заключается в измерении с высокой скоростью расстояний от сканера до точек объекта и регистрации соответствующих направлений (вертикальных и горизонтальных углов), следовательно, измеряемые величины при наземном лазерном сканировании являются аналогичными, как и при работе с электронными тахеометрами. Однако принцип тотальной съемки объекта, а не его отдельных точек, характеризует НЛС как съемочную систему, результатом работы которой является трехмерное изображение, так называемый скан.

Изображения, получаемые НЛС, обычно несут чрезвычайно большой объем информации, являющийся в ряде случаев избыточным. Во-первых, такая информация обладает статистической избыточностью, заключающейся в том, что соседние элементы изображения друг друга повторяют. Если применить теорему Котельникова – Шинона [7], согласно которой «произвольный сигнал, спектр которого не содержит частот выше fВ, может быть полностью восстановлен, если известны отсчетные значения этого сигнала, взятые через равные промежутки времени 1/(2fB)», то следует, что наземное лазерное сканирование является непрерывным способом получения информации об объекте съемки, так как обычно пространственное разрешение сканирования выше, а угловой шаг сканирования меньше ошибки определения координат отдельных точек наземным сканером. Во-вторых, изображения обладают психовизуальной избыточностью, т. е. часть информации на получаемых сканах может быть исключена без последствий для восприятия их человеком. Другой тип избыточности сканов определяется их «семантической» природой, позволяющей при обработке изображения учитывать особенности организации реального мира.

Именно свойства избыточности позволяют говорить о полной автоматизации процесса сбора информации об объекте. Помимо высокой степени автоматизации, наземное лазерное сканирование обладает также следующими достоинствами по отношению к другим способам получения пространственной информации:

а) возможность определения пространственных координат точек объекта в полевых условиях (в момент сканирования измеряются дальность,

вертикальный θ и горизонтальный φ углы, по которым вычисляются координаты X, Y, Z точек);

б) трехмерная визуализация в режиме реального времени, позволяющая на этапе производства полевых работ определить «мертвые» зоны;

в) неразрушающий метод получения информации; г) отсутствие необходимости обеспечения сканирования точек объекта с

двух центров проектирования (стояния), в отличие от фотограмметрического способа;

д) высокая точность измерений; е) принцип дистанционного получения информации обеспечивает

безопасность исполнителя при съемке труднодоступных и опасных районов; ж) высокая производительность. Наиболее важным достоинством

применения НЛС является сокращение полевых работ при создании цифровых моделей объектов, следовательно, данная технология более экономически выгодна по сравнению с другими;

з) работы можно выполнять при любых условиях освещения, т. е. днем и ночью, так как сканеры являются активными съемочными системами;

и) высокая степень детализации; к) многоцелевое использование результатов лазерного сканирования.

Благодаря своим преимуществам, наземное лазерное сканирование находит широкое применение во многих областях науки, техники и отраслях народного хозяйства, а именно:

а) строительство и эксплуатация инженерных сооружений: контроль строительства; корректировка проекта в процессе строительства;

исполнительная съемка в процессе строительства и после его окончания;

оптимальное планирование и контроль перемещения и установки сооружений и оборудования;

мониторинг объектов при эксплуатации; б) горная промышленность:

определение объемов выработок и складов сыпучих материалов; создание цифровых моделей открытых карьеров и подземных

выработок с целью их мониторинга (данные об интенсивности отраженного сигнала и реальном цвете позволяют создавать геологические модели) [75];

маркшейдерское сопровождение буровых и взрывных работ; в) нефтегазовая промышленность:

создание цифровых моделей промысловых и сложных технологических объектов и оборудования с целью их реконструкции и мониторинга;

г) архитектура:

реставрация памятников и сооружений, имеющих историческое и культурное значение;

создание архитектурных чертежей фасадов зданий;

д) разработка мероприятий по предотвращению и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций;

е) медицина:

создание модели туловища человека с целью производства корсетов индивидуальной формы;

производство протезов зубов; ж) выполнение топографической съемки территорий, имеющих высокую

степень застроенности; з) судостроение;

и) моделирование спортивных тренажеров.

Практически во всех перечисленных областях авторами с успехом применялась технология наземного лазерного сканирования.

Разработке алгоритмов и программных продуктов обработки данных наземного лазерного сканирования посвящено большое количество публикаций. Существенный вклад в развитие технологии наземного лазерного сканирования внесли зарубежные ученые: д-р, инженер W. Boehler, д-р, инженер L. Gruending,

д-р, инженер H. Ingensand, д-р, инженер D. Lichti, д-р, инженер I. Milev, д-р,

инженер J. Norton, д-р, инженер J. Riegl, д-р, инженер A. Ullrich; отечественные ученые: д-р техн. наук И.Г. Журкин, канд. техн. наук Е.М. Медведев, канд. техн. наук А.П. Михайлов, канд. техн. наук А.И. Науменко, а также авторы данного издания. Кроме этого, следует отметить специалистов в области наземного лазерного сканирования: Г.Г. Божченко, А.Г. Грунина, М.Ю. Дружинина, С.Р. Мельникова, А.В. Фролова, Д.М. Шкарупа.

Авторы выражают благодарность М.Ю. Дружинину (Нева Технолоджи), Г.Г. Божченко и Е.В. Ходоковской (ООО НПП «Йена Инструмент»), М.Н. Аникушкину и С.Н. Котельникову (ЗАО НПП «Навгеоком») за предоставление информации и высказанные ценные замечания. Особую благодарность авторы

выражают директору Регионального

центра лазерного

сканирования

А.В. Середовичу и сотрудникам О.А.

Дементьевой, А.В.

Иванову и

С.А. Прокопьевой за помощь в подготовке данной рукописи. Авторы искренне признательны ректору Сибирской государственной геодезической академии А.П. Карпику за постоянную поддержку и всестороннюю помощь в издании данной работы.

1. СУЩНОСТЬ НАЗЕМНОГО ЛАЗЕРНОГО СКАНИРОВАНИЯ

1.1. Принцип действия наземных лазерных сканеров

Система

 

для

 

наземного

 

лазерного

2

 

сканирования состоит из НЛС и полевого

4

 

персонального

 

 

 

компьютера

 

 

 

со

 

 

специализированным

 

программным

 

3

обеспечением [85]. НЛС состоит из

 

 

лазерного дальномера, адаптированного для

 

 

работы с высокой частотой,

 

и

блока

1

 

развертки лазерного луча (рис. 1).

 

 

 

 

 

 

В

 

 

основу

 

 

работы

 

лазерных

 

 

дальномеров, используемых в НЛС,

 

 

положены

 

импульсный

и

 

 

фазовый

 

 

безотражательные

 

 

методы

 

измерения

 

6

расстояний, а также метод прямой угловой

 

 

засечки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

В качестве блока развертки в НЛС

 

 

7

выступают

сервопривод

и полигональное

 

зеркало

 

или

 

призма.

Сервопривод

 

 

отклоняет

луч

на

заданную

величину

в

 

Рис. 1. Состав и

горизонтальной

плоскости,

 

при

этом

 

 

принципиальная схема

поворачивается

вся

верхняя

часть

сканера,

наземной сканирующей

которая

называется

 

головкой.

Развертка

в

 

системы: 1 – лазерный

вертикальной

плоскости осуществляется за

дальномер; 2 – приемо-

счет вращения или качания зеркала.

 

 

 

 

 

 

передающий тракт дальномера;

В процессе сканирования фиксируются

3 – сканирующее зеркало

направление

распространения

 

лазерного

 

(призма); 4 – сканирующая

луча

и

расстояние

до

точек

объекта.

головка сканера; 5 – кабель,

Результатом

 

работы

НЛС

 

 

является

 

 

 

соединяющий лазерный сканер

растровое

изображение

– скан

 

(рис.

2),

 

с полевым компьютером; 6 –

значения пикселей которого представляют

 

полевой компьютер

собой

элементы

вектора

со

следующими

 

(промышленный ноутбук) со

компонентами:

измеренным

расстоянием,

специализированным

интенсивностью

отраженного

сигнала

и

программным обеспечением; 7

RGB-составляющей,

 

 

характеризующей

 

 

– носитель информации

реальный цвет точки. Положение (строка и

 

 

столбец) каждого элемента (пикселя)

 

 

полученного растра отражает значения измеренных вертикального и

горизонтального углов. Для большинства моделей НЛС характеристика

реального цвета для каждой точки получается с помощью неметрической

цифровой камеры.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2. Результат лазерного сканирования – растровое изображение

Другой формой представления результатов наземного лазерного сканирования является массив точек (рис. 3) лазерных отражений от объектов, находящихся в поле зрения сканера, с пятью характеристиками, а именно

пространственными

координатами (X, Y,

Z),

 

 

Z

интенсивностью и реальным цветом.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X

 

 

 

 

 

 

R

 

 

 

 

 

-Y

 

 

 

Y

 

-X

 

 

 

 

 

Рис. 3. Результат наземной лазерной съемки – массив

 

 

 

 

точек

 

 

Рис. 4. Система

 

 

 

 

Пространственные координаты точек объекта в

 

координат НЛС

системе координат

НЛС (рис. 4) вычисляются

по

 

 

 

формулам [126–128]:

X

R cos

sin

 

 

Y

R sin

sin

,

(1)

Z R cos

где R – измеренная дальность от точки стояния сканера до объекта (см. рис.

4);

φ – горизонтальный угол измеренного направления лазерного луча R (см.

рис. 4);

θ – вертикальный угол направления R , отсчитываемый от оси Z до вектора R (зенитное расстояние направления лазерного луча) (см. рис. 4).