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

Рис.129. Компании, использующие программное обеспечение PolyWorks

ООО НПК «Йена Инструмент» является официальным представителем компании InnovMetric Software Inc по программному продукту PolyWorks.

Более подробную информацию можно получить на сайте компании

ООО НПК «Йена Инструмент» http://www.Jena.ru

или связавшись с сотрудниками компании по телефонам в Москве:

8 (495) 354-0203, 354-0204

4.ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ДАННЫХ НАЗЕМНОГО ЛАЗЕРНОГО СКАНИРОВАНИЯ

4.1.Применение технологии наземного лазерного сканирования для создания крупномасштабных топографических планов

Картографирование местности в двумерном пространстве во все времена являлось одним из основных направлений топографо-геодезического производства. Поэтому первой областью, где начали применяться наземные лазерные сканеры, стала топография. Основным преимуществом лазерного сканирования по сравнению с традиционными методами тахеометрической и даже спутниковой съемок является очень высокая производительность. Опыт показывает, что НЛС можно использовать как для целей картографирования малозастроенной местности, так и для территорий с высокой степенью загруженности объектами. Бесспорным преимуществом является то, что основная нагрузка при крупномасштабном картографировании местности по данным наземного лазерного сканирования переносится на камеральную работу. При этом процесс полевых измерений сокращается в несколько раз. Однако технология наземного лазерного сканирования для картографирования территорий с высоким травяным покровом (свыше 40 см) является практически непригодной. Для таких территорий остаются незаменимыми методы тахеометрической и спутниковой съемок.

На основании опыта производственных работ установлено, что использование наземных лазерных сканеров для создания крупномасштабных топографических планов позволяет более гибко подходить к выбору технологии съемки местности в конкретных условиях и значительно повысить экономическую эффективность работ. Так, две бригады из трех человек за три месяца работы могут выполнить съемку с целью создания топопланов масштаба 1 : 500 на территорию третьей степени сложности площадью более 500 га, на малозастроенную – площадью более 1 000 га. Оценка точности созданных топографических планов проводилась по контрольным пикетам и промерам между жесткозакрепленными контурами. Она показала, что полученные ЦТП удовлетворяют нормативным требованиям точности, предъявляемым к данному виду продукции, а также полнота и детальность нанесенной информации целиком соответствуют результатам натурного обследования территорий. Все полученные картографические материалы были переданы заказчикам в полном объеме.

4.2.Применение наземных лазерных сканеров в архитектуре, строительстве и при проектировании сооружений

До недавнего времени для получения метрической информации об архитектурных объектах применялись либо методы наземной фотограмметрии, либо натурные обмеры. Оба этих способа являются очень трудоемкими и в полной мере не позволяют создать детальную трехмерную модель объекта. Памятники архитектуры являются одной из первых областей применения технологии наземного лазерного сканирования. В большинстве случаев таким

объектам свойственно наличие сложных элементов (например, резные фасады), которые невозможно описать набором простых геометрических примитивов (с помощью цилиндров, сфер, плоскостей и т. д.) [78].

Появление на рынке топографо-геодезического оборудования наземных лазерных сканеров позволило сократить трудозатраты на проведение измерений, а также качественно изменить вид выходной продукции. На рис. 130 показаны созданные по данным наземного лазерного сканирования трехмерные модели реальных памятников архитектуры г. Новосибирска.

С помощью созданных трехмерных моделей памятников архитектуры можно проводить их реставрацию, имея в наличии все геометрические параметры объекта. Во многих случаях такой вид информации бесценен.

Рис. 130. Трехмерные модели памятников архитектуры

Трехмерные модели объектов зданий и сооружений стали широко применяться в градостроительстве, в котором первостепенное значение имеет «силуэт города», под которым понимается не только общая городская панорама, но и совокупность ее отдельных картин, видимых с разных точек зрения, с различных уровней и при разных условиях освещения. Из единичных построек формируется общий силуэт города, причем ни одна из них не исчезает в этом силуэте бесследно. Город без выразительного силуэта лишается самых крупных

исамых лучших своих перспектив [82]. Поэтому при точечной застройке для того, чтобы не нарушить общий вид города, при проектировании новых зданий

исооружений используют трехмерные модели городских территорий с наложенными на них реальными текстурами и цветом (рис. 131). Такие модели эффективнее создавать при помощи технологии наземного лазерного сканирования.

Для проектирования точечной застройки можно применять технологию, которая основана на комплексном использовании данных, полученных по топографическим планам масштабов 1 : 500 или 1 : 1 000 и в результате наземного лазерного сканирования.

Рис. 131. Трехмерная модель проекта здания, вписанная в существующий ландшафт

В этом случае для определения планового положения объектов применяется цифровой план, а данные о их высоте получаются из наземной лазерной съемки. Данная технология моделирования зданий и сооружений включает следующие этапы [42]:

наземное лазерное сканирование; фотосъемка цифровой камерой объектов для получения текстур;

векторизация растрового изображения цифрового топографического плана и классификация его по тематическим слоям;

определение высоты зданий и сооружений по данным наземного лазерного сканирования;

преобразование двумерных полилиний в трехмерные модели объектов с использованием данных о высоте;

текстурирование моделей зданий и сооружений.

Представленная технология наземного лазерного сканирования аналогична, как и при создании топографических планов. Но при этом планововысотное обоснование не создается, поскольку данные лазерного сканирования используются только для определения высоты зданий, что исключает необходимость внешнего ориентирования сканов, а следовательно и создания геодезического обоснования лазерной съемки. Параллельно с наземным лазерным сканированием выполняется цифровое фотографирование объектов для того, чтобы создать модель, приближенную к реальной [42].

Векторизация цифрового растрового топографического плана осуществляется в виде полилиний, которые затем преобразуются в трехмерные модели объектов путем «выдавливания» (аналог команды «extrude» в системах проектирования) с использованием данных наземного лазерного сканирования, по которым определяются высоты объектов, как разности отметок точек, взятых, например, у основания здания и на его крыше [42].

Технология наземного лазерного сканирования также эффективно применяется при определении объемов котлованов, отвалов, складов сыпучих материалов и т. д. Процессы выполнения работ в данном случае аналогичны, как при создании цифровых моделей рельефа [40].

Трехмерные метрические модели, созданные по данным наземного лазерного сканирования, используются в системах мониторинга деформаций сложных инженерных сооружений, таких как шлюзы, плотины, мосты, атомные электростанции и др. Основу этой системы составляет сеть датчиков (щелемеров), которые устанавливаются на стыках отдельных элементов сооружения и могут фиксировать относительные смещения элементов сооружения по осям координат X, Y и Z с точностью до 0,1 мм. Данные с этих датчиков непрерывно поступают на сервер приема информации, где оператор их анализирует и принимает необходимые решения (рис. 134).

Рис. 134. Принципиальная схема системы непрерывного мониторинга деформаций гидросооружений с использованием сети щелемеров

Качественно новым решением в технологии мониторинга деформаций инженерных сооружений является совмещение данных, полученных с датчиков, с метрической трехмерной моделью этих сооружений, созданных с помощью технологии наземного лазерного сканирования.

Основной целью совмещения сети датчиков с трехмерной метрической моделью для мониторинга деформаций сооружений является автоматизация процесса диагностики их состояния и принятия решений (например, можно определить, не только в какой точке, но и вдоль какого стыка или шва обнаружена критическая напряженность материала). Опыт применения систем мониторинга деформаций, основанных на совместном использовании сети щелемеров и трехмерной векторной модели, описан в работах [34, 80, 79].

В печатных изданиях приведено большое количество публикаций, посвященных использованию данных наземного лазерного сканирования для следующих целей: реставрация памятников архитектуры [33, 54, 94], контроль качества строительства [3, 40, 44, 125], мониторинг деформаций сооружений [34, 111], создание трехмерных моделей городов [42, 157] и др.

4.3. Применение наземных лазерных сканеров в археологии

Археология представляет собой отдел исторической науки, изучающий развитие человеческого общества и закономерности этого развития преимущественно по вещественным историческим источникам. Выявление и

изучение исторических источников, расположенных в поле, а также их использование для исторических построений составляют предмет полевой археологии. Ее прикладная сторона проявляется в практической деятельности археолога – в производстве раскопок [1].

Наиболее часто встречающимися археологическими источниками являются находки (древние вещи, артефакты: черепки сосудов, орудия труда, украшения

ипр.). Изучаются также жилые строения и оборонительные сооружения, курганы, погребения, мегалитические сооружения, археологические комплексы. Найденные объекты подвергаются тщательному рассмотрению, их ценность в том, что они выступают в качестве материала для исторических исследований, т. е. в качестве исторического источника.

Обнаруженный разведками археологический памятник подвергают раскопкам. При раскопках важно не только найти сооружение или вещь, но и знать их точное положение, ориентацию и размер, выяснить состав культурного слоя во всех частях раскопа, соотношение слоев и сооружений, т. е. хорошо изучить археологическую стратиграфию (лат. «стратум» – слой, греч. «графо» – пишу) данного памятника [63].

Поскольку процесс археологических раскопок в большинстве случаев представляет собой неминуемое уничтожение первоисточника, встает задача наиболее полно описать обстоятельства раскопок, охарактеризовать находки (их местоположение, метрические характеристики, физические свойства, состояние

исохранность объектов) и их взаимосвязи с окружающей обстановкой [63, 95]. Максимальное количество собранной информации позволит археологам впоследствии сделать наиболее достоверные исторические выводы.

Цифровая трехмерная модель является эффективным средством для представления археологических и пространственных данных с раскопок. Атрибутивную информацию об этих объектах можно хранить в виде текста, звука, видеозаписей или другим способом. Моделирование устанавливает тесное взаимоотношение между пространственными и качественными данными, что делает эти данные простыми в понимании, использовании и хранении [153]. Наглядная, метрически точная и фотореалистичная модель археологического источника позволяет осуществлять изучение памятника во всей совокупности его свойств и характеристик [62].

Многообразие моделей лазерных сканеров, представленных сегодня на рынке, дает возможность производить съемку археологических объектов и по этим данным создавать трехмерные модели практически любых по величине, конфигурации, месторасположению объектов, будь то извлеченные во время раскопок небольшие остатки орудий труда и быта, либо масштабные комплексы оборонительных укреплений, древних поселений, мегалитов, захоронений [62].

Для съемки разных типов археологических памятников целесообразно применять различные типы лазерных сканеров. Так, сканирование района раскопок и окружающей обстановки, расположенных на обширных площадях, целесообразнее производить импульсными или фазовыми лазерными сканерами, позволяющими получать информацию о цвете точек объекта [63].

Триангуляционные лазерные сканеры могут быть с успехом использованы для съемки и реконструкции мельчайших элементов небольших находок (например, фрагментов керамики, элементов украшений, костных останков).

В археологии восстановление остатков материальной культуры древнего человека, а также его облика является первостепенным для совершения научного открытия. Функции археологии как науки заключаются не только в логическом объяснении, но и в творческой интерпретации имеющейся информации [138]. С использованием виртуальных трехмерных моделей становится возможным реставрировать или восстанавливать объекты культурного наследия [161].

Во многих случаях при археологических исследованиях для более глубокого понимания исторической значимости памятника необходима комплексная трехмерная модель, включающая элементы окружающей среды, в которой находится тот или иной памятник, так как размещение многих из них подчинено определенной топографической закономерности. Для памятников, занимающих большую территорию, важно знать топографические особенности отдельных ее частей, расположение оврагов, обрывов, ручьев, колодцев, бродов и т. п. [1]. Современные программные средства позволяют по такой модели спрогнозировать и оценить возможное воздействие на состояние памятника разрушающих факторов (например, землетрясения и других природных бедствий, войны и вандализма) и при необходимости разработать меры для его сохранности.

Отдельное новейшее направление в научных полевых археологических исследованиях представляет археоастрономия (палеоастрономия, астроархеология). Многие древние сооружения ориентированы по сторонам света, одним из их назначений было наблюдение небесных светил. Известно довольно много каменных сооружений такого типа, называемых мегалитами (от греч. «мегас» – большой, «литос» – камень), в Европе, Азии, Америке, Африке: британский Стоунхендж, поселение Аркаим на юге Челябинской области, Великие Пирамиды в Египте [63].

При проведении исследований на мегалитах приходится выполнять большое количество астрономо-геодезических работ по изучению планировки и ориентации сооружения и его отдельных структур. Такие работы очень трудоемки. Однако, имея качественную трехмерную модель мегалитического сооружения, с помощью программного продукта, например 3D Studio Max, можно смоделировать прохождение светил с учетом вековой разницы во времени.

Все археологические памятники, являющиеся частью культурного наследия того государства, в котором они расположены, помогают в изучении истории края, его населения. Каждое государство стремится к сохранению своего наследия, принимая меры по охране памятников, что невозможно без подробного учета их количества и местонахождения. Богатые возможности трехмерного моделирования позволяют не только создавать электронные картотеки археологических памятников с традиционной структурой баз данных (содержащих информацию о наименовании памятника, его расположении,

истории), но и использовать трехмерные модели в качестве электронного архива, включающего демонстрационный материал археологических исследований [63].

Немаловажной задачей археологии также является восстановление достоверного облика ландшафта и изменений условий его формирования в течение длительного исторического времени. Для этого целесообразно использовать детальные трехмерные модели археологических объектов, которые значительно проще создаются с использованием технологии наземного лазерного сканирования [95].

4.4. Применение наземных лазерных сканеров в нефтегазовой отрасли

Нефтегазовой отрасли присущи объекты, состоящие из большого количества трубопроводов, кабельных эстакад, производственных зданий, резервуаров и др. Применение традиционных методов съемки для крупномасштабного картографирования и тем более трехмерного моделирования объектов нефтегазодобычи, занимающих хотя и относительно небольшие участки территории, требует большого количества времени. Для решения этих задач более эффективной является технология наземного лазерного сканирования [39].

Основные процессы технологии наземной лазерной съемки для создания трехмерных векторных моделей и крупномасштабных планов нефтегазовых объектов приведены в разделе 2.1.

Теоретические исследования и практический опыт выполнения сканерной съемки объектов нефтегазовой отрасли позволили сформулировать требования к наземным лазерным сканерам с целью построения крупномасштабных топографических планов и трехмерных векторных моделей, представленные в табл. 8.

Практический опыт показал, что использование технологии наземного лазерного сканирования с целью крупномасштабного картографирования нефтегазоносных районов позволяет сократить время выполнения полевых работ в 4–4,5 раза. Однако по двумерным топографическим планам можно получить намного меньше исходной информации для целей перепроектирования технологических объектов нефтегазодобычи по сравнению с трехмерными моделями.

Таблица 8. Требования к техническим характеристикам НЛС для создания цифровых топографических планов и трехмерных моделей объектов нефтегазопромыслов

На объектах нефтегазодобывающего комплекса эксплуатируется большое количество сварных вертикальных цилиндрических резервуаров (РВС), используемых для хранения и учета нефтепродуктов. Данные резервуары имеют вместимость от 100 до 50 000 м3 и требуют проведения периодического технического диагностирования и поверок [18, 66], а именно вертикальности и деформации стенки, объема РВС и т. д. С этой целью по существующей методике выполняются измерения различных параметров для отдельных точек резервуара, а промежуточные значения получают интерполированием.

Для решения многих задач при технической диагностике РВС с успехом могут применяться данные наземного лазерного сканирования.

Вертикальность оси резервуара с использованием НЛС можно определить как для всего РВС, так и на разных его уровнях. Для этого целесообразнее использовать функцию вписывания модели цилиндра в массив точек, полученных при лазерном сканировании. Сначала точечная модель резервуара разбивается по вертикали на несколько частей, затем в каждую отдельную часть вписывается оптимальная модель цилиндра. Положение центров тяжести цилиндров будет соответствовать положению оси резервуара на данных уровнях. При традиционной технологии обследования РВС вертикальность резервуара определяется только по отклонениям боковой поверхности от вертикали. Использование технологии лазерного сканирования позволяет рассматривать исследуемый объект в комплексе, что повышает достоверность результатов диагностики РВС. Кроме того, по сканерным данным можно строить практически в автоматическом режиме традиционные графики отклонения образующей от вертикали, используя любое большое количество точек на стенке резервуара.

Определение деформации стенки резервуара. Для исследования степени деформации стенки РВС с использованием технологии наземного лазерного сканирования трехмерное представление данных преобразуется в двумерное. Для этого необходимо развернуть боковую поверхность резервуара на плоскость, т. е. преобразовать координаты точек, принадлежащих поверхности