5.7. Наземное лазерное сканирование

Наземное лазерное сканирование трехмерным лазерным сканером, измеряющим трехмерные координаты точек впередилежащей местности с помощью лазерного импульсного безотражательного дальномера, который поворачивается по вертикали и горизонтали с получением плотного массива точек. Это современный оперативный вид съемки местности, который вобрал в себя последние достижения компьютерных технологий. Применение лазерного сканирования местности в настоящее время оказывается особенно эффективным в связи с большими объемами полевых работ по сбору информации для разработки проектов реконструкции и капитального ремонта существующих автомобильных дорог.

Трехмерный сканер измеряет трехмерные координаты по выбранному фрагменту местности с помощью безотражательного дальномера, который поворачивается по вертикали и горизонтали с получением плотного массива точек, имеющим три координаты и информацию о цвете.

Как и во всякой современной технологии в основе наземного лазерного сканирования лежат две составляющие - аппаратная и программная.

Суть технологии лазерного сканирования заключается в определении пространственных координат точек местности (поверхности объекта). Это реализуется посредством измерения расстояний до всех определяемых точек местности с помощью лазерного безотражательного дальномера. При каждом измерении луч дальномера отклоняется от своего предыдущего положения так, чтобы пройти через узел некоторой воображаемой сетки, называемой сканирующей матрицей. Количество строк и столбцов матрицы может регулироваться. При этом, чем выше плотность точек матрицы, тем выше плотность точек на поверхности объекта и тем выше точность результатов измерений снимаемого объекта. Все измерения производятся с очень высокой скоростью - до нескольких даже десятков тысяч измерений в секунду.

Прибор, реализующий на практике приведенную выше технологию измерений, называют лазерным сканером (рис. 5.11). В конструкции сканера отсутствуют обязательные атрибуты традиционных геодезических приборов: зрительная труба, устройство наведения (визир, целик и т.д.), устройство центрирования, метка на корпусе для измерения высоты прибора, уровень.

Рис. 5.11. Лазерный сканер Leica HDS2500

Результатом работы сканера является множество точек (пикселей) с вычисленными трехмерными координатами. Такие наборы точек принято называть облаками точек или сканами. Обычно количество точек в одном скане может варьироваться от нескольких сотен тысяч до нескольких миллионов. В начале координаты точек каждого скана определяются в условной системе координат самого сканера.

В большинстве конструкций сканеров используют импульсный лазерный безотражательный дальномер. На пути к снимаемому объекту импульсы лазерного излучения проходят через систему зеркал, которые осуществляют пошаговое отклонение лазерного луча. Чаще всего конструкция лазера состоит из двух подвижных зеркал, приводимых в движение прецизионными сервомоторами, обеспечивающими точное наведения лазерного луча на тот или иной узел сканирующей матрицы. Зная углы разворота зеркал в момент наблюдения и измерения расстояния, процессор вычисляет трехмерные координаты каждой точки.

Все управление работой прибора осуществляется посредством специального портативного компьютера с соответствующим программным обеспечением. Полученные трехмерные значения координат точек местности передаются на компьютер по интерфейсному кабелю и накапливаются в специальной базе данных. При этом объемы данных, получаемых со сканера, могут измеряться сотнями мегабайт, а порою и гигабайт.

Каждый сканер имеет определенную область обзора или поле зрения. Предварительное наведение сканера на исследуемые объекты осуществляется либо с помощью встроенной цифровой фотокамеры, либо по результатам предварительного сканирования. Работа по сканированию нередко происходит в несколько сеансов из-за ограниченного поля зрения и из-за специфической формы объекта. Для обеспечения процесса «сшивки» сканов, снятых с разных позиций сканера, в пределах зон взаимного перекрытия размещают специальные мишени, координаты которых обычно определяют с помощью безотражательного тахеометра. Поскольку при сканировании координаты точек вычисляются в системе координат самого сканера (рис. 5.12), для перевода всего массива данных в нужную систему координат нужно определить координаты, как минимум, трех мишеней.

Рис. 5.12. Система координат лазерного сканера

Целесообразность использования этой новой технологии в инженерном деле основана на следующих уникальных ее возможностях:

в технологии полностью реализован принцип дистанционного зондирования, позволяющий собирать информацию об исследуемом объекте, находясь на расстоянии от него. При этом информацию о местности сразу получают в цифровом виде, что значительно расширяет возможности дальнейшей компьютерной обработки;

по полноте и подробности получаемой информации с лазерным сканированием не может сравниться ни один из известных геодезических методов съемки;

лазерное сканирование отличается непревзойденной скоростью работы. Информация об объекте в виде облака точек собирается за считанные минуты;

лазерное сканирование отличается высокой точностью измерений ± 6 мм;

обеспечивает получение готового материала непосредственно в полевых условиях;

оперативно обеспечивает определение «мертвых» зон и их устранение.

Благодаря своей универсальности и высокой степени автоматизации процессов измерений, лазерный сканер является не просто геодезическим прибором, а инструментом оперативного решения широкого круга прикладных инженерных задач:

съемка сложных инженерных объектов с большим количеством коммуникаций;

съемка автомобильных дорог и дорожных объектов (мостов, путепроводов, развязок движения и т.д.) для разработки проектов их реконструкции и капитального ремонта;

съемка железных дорог и сооружений на них;

съемка открытых и закрытых горных разработок;

топографическая съемка местности;

исполнительные съемки строящихся объектов.