Лазерное сканирование: методы, точность и результат для заказчика

Наземное лазерное сканирование позволяет зафиксировать фактическую геометрию объекта не отдельными измерениями, а плотным массивом пространственных точек. Для карьера, промплощадки или инженерного сооружения такие данные можно использовать для измерений, построения сечений, сравнения фактического состояния с проектом и создания 3D-моделей.

Для заказчика при этом важны не только характеристики сканера. Результат зависит от выбранной технологии съемки, требований к точности, геодезической привязки и того, что должно быть передано после обработки: облако точек, планы, разрезы, цифровая модель или готовая 3D-модель.

Лазерный сканер измеряет расстояние до поверхности и направление на каждую зарегистрированную точку. В результате формируется облако точек лазерных отражений — массив координат, описывающий видимую геометрию объекта. При использовании встроенной или внешней камеры точки могут дополнительно получать цвет.

Облако точек уже можно использовать как измерительный материал: определять расстояния и отметки, строить сечения, анализировать взаимное положение конструкций. Но это еще не готовая 3D-модель.

Если результат нужен для проектирования, реконструкции, BIM или анализа коллизий, облако очищают, объединяют в единой системе координат и используют как основу для последующего моделирования.

В широком смысле применяют наземное и воздушное лазерное сканирование. Для детальной фиксации сооружений, оборудования, горных выработок и отдельных участков промышленной площадки чаще используют наземные системы.

По способу выполнения съемки наземное лазерное сканирование можно разделить на стационарное, переносное и мобильное. Выбор зависит от геометрии объекта, условий доступа, площади работ, требуемой детализации и конечного продукта.

Сканер последовательно устанавливают на нескольких позициях. С каждой станции получают отдельное облако точек, после чего результаты объединяют и уравнивают.

Такой метод подходит для производственных помещений, эстакад, инженерных конструкций, тоннелей и участков со сложной геометрией. Стационарная съемка позволяет получать детальные данные, но требует грамотно выбирать положение сканера.

Конструкции, оборудование, уступы и другие препятствия создают теневые зоны. Поэтому станции располагают так, чтобы соседние сканы перекрывались и объект был зафиксирован с необходимых направлений.

Схематическое сравнение лазерного сканирования с одной и нескольких позиций: перекрытие сканов позволяет уменьшить теневые зоны.

При переносном сканировании оператор перемещает систему по объекту непосредственно во время съемки. Для определения положения сканера могут использоваться инерциальная система и спутниковое позиционирование либо технология SLAM.

SLAM особенно удобен внутри производственных помещений, в тоннелях, подземных сооружениях и других местах, где спутниковый сигнал отсутствует или нестабилен. Система определяет траекторию движения по данным датчиков и характерным элементам окружающего пространства.

Если результат должен быть получен в заданной системе координат с установленной точностью, дополнительно предусматривают геодезическую привязку и контроль.

При мобильной съемке сканирующий комплекс размещается на движущейся платформе. Технология подходит для дорог, больших промышленных площадок и других протяженных объектов, где стационарная перестановка прибора была бы слишком трудоемкой.

Положение системы во время движения определяется по навигационным и инерциальным данным, а итоговый результат контролируют по принятой геодезической основе.

Для локального объекта со сложной геометрией чаще оправдано стационарное сканирование. Переносные системы удобны для быстрого сбора данных внутри помещений и подземных объектов, а мобильные — при работе с протяженными территориями и инфраструктурой.

Точность лазерного сканирования нельзя свести к одному значению в миллиметрах. У оборудования есть собственные метрологические характеристики, но точность готовых пространственных данных зависит от всей технологии работ.

На результат влияют:

• дальность от сканера до поверхности;
• линейная и угловая погрешность прибора;
• плотность облака точек;
• расположение скан-позиций;
• качество объединения соседних сканов;
• геодезическая привязка;
• характеристики поверхности объекта;
• камеральная обработка и контроль.

Для переносных и мобильных систем дополнительно имеет значение точность определения траектории.

Требования к точности определяют исходя из того, для каких задач будут использоваться полученные данные. Для одного проекта достаточно облака точек для визуального анализа и предварительных измерений, для другого данные должны использоваться при проектировании или контроле существующих конструкций.

Работы начинаются не с установки сканера на объекте, а с определения того, какой материал нужен заказчику после обработки. От конечного результата зависят схема съемки, плотность точек, геодезическая основа и объем камеральных работ.

Типовая технология наземного лазерного сканирования включает несколько этапов:

• определение границ работ, системы координат, требований к точности и составу выдачи;
• проектирование скан-позиций или маршрута, при необходимости — опорных и контрольных точек;
• выполнение полевой съемки с контролем полноты покрытия;
• объединение и уравнивание сканов, геодезическую привязку;
• очистку облака от шумов, при необходимости — классификацию и прореживание данных;
• контроль результата и подготовку требуемых материалов.

Поэтому конечный состав данных лучше определить еще при подготовке технического задания. Если после съемки выясняется, что заказчику нужна более детальная модель или другой уровень точности, исходных данных может оказаться недостаточно.

Переход от полевой съемки к 3D-модели можно представить как последовательность:

объект → лазерное сканирование → облако точек → обработка → моделирование → рабочая 3D-модель.

После съемки отдельные сканы объединяют, очищают от посторонних отражений и приводят к единой системе координат. Полученное облако используют как измерительную основу для построения геометрии.

Облако точек само по себе не является готовой BIM- или CAD-моделью. В ходе отдельной камеральной работы по нему создают нужные поверхности, конструкции и элементы.

Состав модели зависит от задачи. Для реконструкции технологической линии может потребоваться геометрия оборудования, трубопроводов и несущих конструкций. Для горного объекта — поверхность участка, борта, уступы или элементы инфраструктуры.

Чем выше требования к детализации модели и количеству распознаваемых элементов, тем больше объем последующей обработки.

По результатам сканирования можно создавать 3D-модели зданий и сооружений, технологических эстакад, трубопроводов, конвейерных линий, оборудования, горных выработок, тоннелей, бортов, уступов и других элементов инфраструктуры.

При этом не для каждой задачи требуется полноценная трехмерная модель. Проектировщику в одном случае достаточно зарегистрированного облака точек и нескольких сечений, в другом необходима структурированная CAD- или BIM-модель.

Для анализа рельефа или горных объектов результатом могут быть цифровая модель поверхности, цифровая модель рельефа или другие производные материалы.

Предположим, на действующей промышленной площадке планируется реконструкция участка технологической линии. Исходные чертежи есть, но часть конструкций и оборудования за годы эксплуатации была изменена, поэтому проектировать только по архивной документации рискованно.

Объект сканируют с нескольких позиций, чтобы зафиксировать оборудование, несущие конструкции, проходы и коммуникации без значительных теневых зон. Затем сканы объединяют, привязывают к системе координат и проверяют.

По готовому облаку можно выполнять измерения, определять отметки, строить сечения и анализировать взаимное положение элементов. Если проектировщикам нужна трехмерная среда, на следующем этапе создают модель необходимых конструкций.

Такой пример лазерного сканирования показывает отличие технологии от обычной точечной съемки: в распоряжении специалистов остается плотная пространственная фиксация фактического состояния объекта, к которой можно возвращаться при последующей работе.

Итоговый комплект зависит от задачи и должен быть определен до начала работ. В него могут входить:

• зарегистрированное и очищенное облако точек;
• данные о точности и контроле;
• планы, сечения и разрезы;
• цифровая модель поверхности или рельефа;
• CAD- или BIM-модель;
• другие производные пространственные материалы.

Заказчику поэтому нужно заранее определить не только, каким способом будет выполнено сканирование, но и какой продукт потребуется для дальнейшей работы. Разница между «получить облако точек» и «получить готовую 3D-модель» существенна и по составу работ, и по объему камеральной обработки.