Облако точек: что это, какие бывают форматы и где применяется

После лазерного сканирования или фотограмметрической съёмки заказчик может получить не привычный чертёж или готовую 3D-модель, а файл с миллионами точек и их пространственными координатами. Такой массив и называется облаком точек.

Для производственного объекта важно заранее понимать, что передадут на выходе: в какой системе координат находятся данные, есть ли цвет и интенсивность отражения, какой формат сможет открыть проектная или производственная служба. Один и тот же объект можно передать в LAS, E57, PLY, XYZ или другом формате. Они различаются структурой данных, набором поддерживаемых атрибутов и совместимостью с программным обеспечением.

Облако точек — цифровой набор точек, описывающих поверхность местности, здания, оборудования или другого объекта в трёхмерном пространстве. Базовая запись содержит координаты X, Y и Z. В зависимости от способа съёмки и формата к точке могут добавляться цвет RGB, интенсивность отражённого сигнала, класс объекта, номер отражения и другие атрибуты.

Трёхмерное облако точек само по себе не является полигональной или BIM-моделью. Между точками нет обязательных поверхностей и связей: геометрия объекта читается по их взаимному положению. На следующих этапах эти данные могут использоваться для построения поверхностей, профилей, цифровых моделей и других материалов.

ГОСТ Р 71863-2024 для результатов лазерного сканирования указывает LAS или аналогичные форматы, например E57 и PLY. В файле при наличии соответствующих данных могут храниться координаты, интенсивность отражения, RGB-цвет, номер и количество отражений.

Пример визуализации облака точек

При лазерном сканировании прибор измеряет расстояние до большого количества точек поверхности и определяет их пространственное положение. После объединения отдельных сканов формируется единый массив данных по объекту.

Другой способ получения данных — фотограмметрия. Программное обеспечение сопоставляет общие элементы на перекрывающихся снимках и рассчитывает их пространственное положение. В материалах по фотограмметрии также встречается термин «плотное облако точек» — так называют массив с высокой плотностью пространственных точек.

При лазерном сканировании координаты получают по измерениям сканера, при фотограмметрии — рассчитывают по изображениям. Поэтому требования к исходным данным, контролю качества и пригодности результата определяют с учетом технологии съёмки и дальнейшей задачи.

Плотность показывает, насколько часто точки расположены на поверхности объекта. Её можно описывать количеством точек на единицу площади, расстоянием между соседними точками или параметрами, принятыми в конкретном ПО и техническом задании.

Высокая плотность помогает детальнее описать поверхность, но не означает автоматически высокую точность. На качество влияют исходная съёмка, привязка, геометрия наблюдений, шумы, калибровка оборудования и последующая подготовка данных.

Для рельефа и для сложного технологического оборудования требования к детализации различаются. Поэтому плотность задают исходя из того, что затем нужно измерять, распознавать или моделировать.

Пример сравнения облаков точек одного участка с разной детализацией

Универсального лучшего формата нет. Выбор зависит от источника данных, объёма массива, программного обеспечения получателя и того, какие атрибуты требуется сохранить.

LAS — открытый формат ASPRS для обмена данными лазерного сканирования и LiDAR. Он хранит координаты и может включать классификацию, интенсивность, сведения об отражениях, цвет и геопривязку. LAZ — сжатое без потерь представление данных LAS, которое уменьшает объём файлов и удобно для хранения и передачи больших массивов.

E57 — стандартизированный ASTM формат обмена данными 3D-измерений. Он может хранить трёхмерные точки, цвет, интенсивность и изображения. Его используют для передачи результатов сканирования между разными программными продуктами.

PLY применяется для хранения трёхмерной геометрии и может содержать координаты точек, цвет и дополнительные свойства. ГОСТ Р 71863-2024 приводит PLY как один из форматов, аналогичных LAS, для облаков лазерных отражений.

XYZ, TXT и PTS относятся к простым способам передачи точек в текстовом виде. Как правило, в строках указываются координаты X, Y, Z, при необходимости — цвет, интенсивность и другие значения. Единой структуры для всех таких файлов нет, поэтому состав и порядок полей нужно согласовывать заранее. PTX также применяется при передаче данных 3D-сканирования и поддерживается рядом специализированных программ.

RCP/RCS используются в экосистеме Autodesk. RCS содержит индексированные данные сканирования, а RCP — проектный файл со ссылками на связанные RCS и настройками проекта. Поэтому одного RCP без связанных файлов недостаточно для передачи полного комплекта данных.

Формат лучше определять до передачи результата. Заказчику нужно знать, в какой программе данные будут открываться и какие свойства понадобятся дальше.
При выборе проверяют:

• поддерживает ли формат ПО получателя;
• нужна ли географическая или местная система координат;
• требуется ли сохранить RGB-цвет и интенсивность;
• нужна ли классификация и информация об отражениях;
• важна ли структура отдельных сканов;
• допустимо ли сжатие;
• какой объём данных сможет обрабатывать рабочая станция.

Фраза «передать облако точек» без указания формата и состава данных оставляет слишком много вариантов. Формат выдачи лучше закрепить в техническом задании или согласовать до начала обработки.

Для предприятий-недропользователей и промышленных объектов облака точек полезны там, где требуется сохранить фактическую пространственную картину объекта.
На их основе можно:

• фиксировать рельеф карьера, отвала, склада или промышленной площадки;
• получать исходные данные для цифровых моделей поверхности;
• строить профили и сечения;
• сравнивать съёмки разных периодов;
• использовать данные при расчётах объёмов;
• фиксировать геометрию зданий, сооружений и технологического оборудования;
• передавать пространственные данные проектировщикам и другим специалистам.

Облако точек обычно служит исходным пространственным массивом. Оно не заменяет готовый план, модель, чертёж или расчёт: конечный материал формируют под конкретную задачу заказчика.

Передача файла — не единственный критерий готовности результата. Для дальнейшей работы нужно проверить, что данные открываются в согласованном ПО и содержат всё, что было предусмотрено заданием.

Обычно уточняют:

• систему координат и высот;
• единицы измерения;
• формат и версию файла;
• полноту покрытия объекта;
• наличие пропусков, шумов и лишних данных;
• сохранность нужных атрибутов;
• наличие цвета или интенсивности, если они требовались;
• структуру классификации, если она выполнялась.

Если данные лазерного сканирования подготавливаются для задач, подпадающих под ГОСТ Р 71863-2024, требования к результату должны учитывать систему координат, формат выдачи и установленный состав материалов.