Наземное лазерное сканирование в прикладной геодезии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ГЕОСИСТЕМ И ТЕХНОЛОГИЙ» (СГУГиТ)

Институт геодезии и менеджмента

Кафедра инженерной геодезии и маркшейдерского дела

Наземное лазерное сканирование в прикладной геодезии

Хаиров Р.С.,

группа: 5ПГ

Новосибирск - 2023

1. Области применения и достоинства метода лазерного сканирования

Достоинства метода лазерного сканирования:

- Высокая точность, скорость и надежность.

- Полноценный детализированный анализ полученных данных.

- Возможность получения и редактирования цифровой модели сложных изделий с минимальными временными затратами.

- Сокращение производственного цикла и снижение затрат.

- Гибкость, удобство и простота в эксплуатации.

- Минимизация человеческого фактора.

- Возможность автоматизации.

Области применения

Строительство и эксплуатация инженерных сооружений:

- контроль за соответствием геометрических параметров вновь построенных объектов и проектной документации на эти объекты;

- корректировка проекта в процессе строительства;

- исполнительная съёмка в процессе строительства и после его окончания;

- оптимальное планирование и контроль перемещения и установки сооружений, и оборудования;

- мониторинг изменения геометрических параметров эксплуатируемых сооружений и промышленных установок;

- обновление генплана и воссоздание утраченной строительной документации действующего объекта.

Горная промышленность:

- определение объёмов выработок и складов сыпучих материалов;

- создание цифровых моделей открытых карьеров и подземных выработок с целью их мониторинга (данные об интенсивности отражённого сигнала и реальном цвете позволяют создавать геологические модели);

- маркшейдерское сопровождение буровых и взрывных работ.

Нефтегазовая промышленность:

- создание цифровых моделей промышленных и сложных технологических объектов, и оборудования с целью их реконструкции, и мониторинга;

- калибровка нефтеналивных наземных резервуаров и танков наливных судов.

Архитектура:

- реставрация памятников и сооружений, имеющих историческое и культурное значение создание архитектурных чертежей фасадов зданий;

- реставрация, ремонт, отделка, переоснащение внутренних помещений или отдельных элементов декора.

Разработка мероприятий по предотвращению и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций.

Выполнение топографической съёмки территорий, имеющих высокую степень застройки.

Судостроение.

Моделирование различного вида тренажёров.

Создание двумерных и трёхмерных геоинформационных систем управления предприятием.

Фиксация ДТП и мест преступлений.

2. Сущность лазерного сканирования

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.

3. Устройство наземных лазерных сканеров

С технической точки зрения трехмерный лазерный сканер состоит из двух основных частей: безотражательного дальномера с высокой скоростью действия и поворотного зеркала, которое автоматически изменяет направление лазерного луча. Дальномер способен обработать до 50 тысяч точек в минуту. Расстояние до сканируемой точки может достигать 50 метров и определяется с точностью 4 миллиметра, при этом точность вычисления координат (X, Y, Z) составляет 6 миллиметров. Можно задать расстояние между точками сканируемой поверхности от 0.25 миллиметров до 1 метра.

4. Методы измерения расстояний в лазерных сканерах

Импульсный метод.

Фазовый метод.

5. Режимы работы развертки

Принцип работы лазерного сканера аналогичен принципу работы безотражательного электронного тахеометра и заключается в измерении времени прохождения лазерного луча от излучателя до отражающей поверхности и обратно до приемника. Путем деления этого времени на скорость распространения лазерного луча определяется расстояние до объекта. Сканер состоит из лазерного дальномера, адаптированного для работы с высокой частотой и блока развертки лазерного луча. В качестве блока развёртки в сканере выступают сервопривод и полигональное зеркало или призма. Сервопривод отклоняет луч на заданную величину в горизонтальной плоскости, при этом поворачивается вся верхняя часть сканера. Развёртка в вертикальной плоскости осуществляется за счёт вращения или качания зеркала.

В основу метода работы современных лазерных дальномеров, используемых в сканерах, положены импульсный и фазовый безотражательные методы измерения расстояний. В процессе сканирования фиксируется направление распространения лазерного луча и расстояние до точек объекта. Результатом работы сканера является массив (облако) точек лазерных отражений от объектов, находящихся в поле зрения сканера, с пятью характеристиками, а именно пространственными координатами (x, y, z), интенсивностью и реальным цветом. Обычно, характеристики реального цвета для каждой точки получается с помощью цифровой камеры.

6. Технические характеристики лазерных сканеров

Задачи, решаемые конкретной моделью НЛС, определяются его

техническими характеристиками. Основными характеристиками современных лазерных сканеров являются:

- точность измерения расстояния, горизонтального и вертикального углов;

- максимальное разрешение сканирования;

- скорость сканирования;

- дальность действия лазерного сканера;

- расходимость лазерного луча;

- поле зрения сканера;

- используемые средства получения информации о реальном цвете;

- класс безопасности используемого лазера;

- портативность и особенности интерфейса.

7. Степень защищенности оборудования

Как правило, инструменты имеют защиту от воздействия окружающей среды. А вот на сколько хороша эта защита, показывает система классификаций IP (IngressProtectionRating - степень защиты оболочки). Обозначение IP дополняется двумя цифрами. Первая цифра означает степень защиты от попадания пыли внутрь, а вторая - степень защиты от попадания влаги. Чем больше число, тем выше защита инструмента.

8. Классы безопасности лазера

Лазеры класса I

Лазерами класса II

Лазеры класса IIIa

Лазеры класса IIIb

9. Источники ошибок в результатах наземного лазерного сканирования

Всю совокупность ошибок в величинах, измеряемых НЛС, можно разделить на две группы:

- инструментальные;

- методические.

10. Технологическая схема выполнения НЛС и создания моделей местности

лазерный сканер развертка геодезия

11. Виды марок при создании рабочего планово-высотного обоснования и схемы их размещения

При создании рабочего съемочного обоснования сканерной съемки специальные марки следует располагать по схеме. Специальные марки рекомендуется размещать парами по окружности через 90°. Как показал практический опыт, использование такой геометрии расположения и количества марок позволяет сократить затраты времени на их расстановку, подготовку рабочего планово-высотного обоснования сканерной съемки и непосредственно сканирование.

12. Схемы регистрации сканов

лазерный сканер развертка геодезия

Регистрация (registration) - объединение разных сканов в одно облако точек в единой системе координат; иногда называется уравниванием; следует различать с импортом.

Классификация (classification) - назначение точкам облака атрибутивной информации в соответствии с типом объектов, которые они представляют; является формой представления результата распознавания…. Для регистрации используется геопространственная привязка, позволяющая объединить данные лазерного сканирования с интернет-картойи панорамными фотоизображениями. Чтобы привязать облако, необходимо при импорте выбрать правильную систему координат из библиотеки.

13. Технология выполнения сканерной съемки

Использование технологий лазерного сканирования в архитектуре стало уже повседневным делом. Ведь в большинстве случаев только используя лазерный 3D сканер, можно наиболее полно, точно, быстро и качественно выполнить следующие работы: фасадная съемка; архитектурные обмеры; создание и восстановление исполнительной документации… При выполнении работ по архитектурным обмерам применяются следующие методы и их комбинации: натурный (традиционный) обмер; методы инженерной геодезии с использованием линейной и угловой засечки, перпендикуляров, створов и т.д.; нивелирование; наземное лазерное сканирование; методы координатной геодезии.

14. Методика построения трехмерных векторных моделей местности

Построение трёхмерных моделей - процесс относительно новый, если сравнивать его с картами и планами в аналоговом и цифровом видах. Однако, с начала появления их прошло более двух десятков лет. 3Dмодели представляютсобой трёхмерные пространственные модели реальных объектов или территории. Подпространственной моделью местности понимается трехмерное изображение местности, сформированное с использованием средств компьютерной графики на основе цифровой картографической информации, материалов аэрокосмических съемок или рельефных карт на экране системы отображения в соответствии с заданными условиями наблюдения (обзора).

15. Методика построения цифровой модели рельефа

1. Удаление из данных наземного лазерного сканирования в интерактивном режиме точек, принадлежащих деревьям и высотным конструкциям, таким как опоры ЛЭП, здания, трубы, цистерны и т.д. Это необходимо с целью «облегчения» точечной модели для дальнейшей обработки ее при помощи автоматических фильтров.

2. Удаление точек, не принадлежащих поверхности земли, с помощью топографического фильтра. Для достижения удовлетворительного результата необходимо несколько раз воспользоваться данным фильтром, при этом каждый раз увеличивая размер анализируемого участка.

3. Построение регулярной сетки высот методом Krigingв ПО Surferдля разрежения точечной модели и создания регулярной матрицы высот;

4. Построение ЦМР в виде TIN-поверхности (поверхности, представленной нерегулярной сетью треугольников).

16. Оценка точности построения трехмерной векторной модели

Для оценки точности построения цифровой модели рельефа (ЦМР) по данным наземного лазерного сканирования в работе предложена методика, основанная на сравнении построенной поверхности рельефа с точечной моделью ландшафта. Для применения такой методики необходимо исследовать насколько адекватно точечная модель описывает поверхность рельефа.

17. Методика построение цифровых топографических планов и чертежей

В технологии создания топографических карт различают «чистое создание» и обновление. Образно говоря, топографическая карта устаревает уже в момент ее издания, так как ситуация на местности изменяется постоянно, а потому при накоплении определенного процента изменений карта подлежит обновлению и переизданию…. При издании цифровой карты на территории, где топографическая карта нужного масштаба отсутствует, и при обновлении цифровых карт применяется принципиально новая технология, в которой можно выделить следующие крупные процессы: создание геодезической основы (съемочного обоснования), получение аэроснимков местности.

18. Классификация программных продуктов, применяемых при наземном лазерном сканировании

Программные продукты, применяемые в технологии лазерного сканирования, в зависимости от их функционального назначения можно разделить на следующие группы: управляющее ПО, ПО для создания единой точечной модели, ПО для построения трехмерных моделей и двумерных чертежей по данным сканирования и комплексное ПО.

19. Понятие мобильного лазерного сканирования. Состав системы мобильного лазерного сканирования

Мобильное лазерное сканирование объединяет в себе плюсы лазерной технологии и возможность съемки в движении. Для мобильного сканирования используются 2D-сканеры. За счет перемещения плоскости сканирования 2D сканера по траектории движения сканирующей системы, итоговый результат представляется в 3D (трехмерном виде). Траектория движения формируется за счет отслеживания положения сканирующей системы спутниковым оборудованием, размещённым на пунктах высокоточной опорной геодезической сети (ОГС) и на самой комплексе лазерного сканирования.

20. Технология мобильного лазерного сканирования. Достоинства мобильного лазерного сканирования

Технологии лазерного сканирования. Лазерное сканирование основано на использовании оптически направленных лазерных лучей для сбора информации об объекте в прямых трехмерных измерениях. Это позволяет надежно и точно создавать траекторию системы (то есть положение и ориентацию)…. Данные бортового лазерного сканера используются для разных проектов, и они нужны в различных масштабах. Мы видели мобильные лазерные сканеры, установленные на автомобилях, поездах, вездеходах, лодках и тракторах в прошлом, и в будущем, без сомнения, появятся новые приложения, использующие съемку с движущихся платформ.

Преимущества технологии МЛС:

Мобильная сканирующая система равномерно покрывает измерениями (облаком точек) всё, что попадает в поле зрения.

Работы могут производиться в любое время суток, при этом, не мешая транспортному потоку.

Средняя скорость движения съемочного комплекса довольно велика и составляет 60-70 км/час.

Применение МЛС позволяет экономить время и трудозатраты при съемке протяженных объектов и городских кварталов.

Технология позволяет производить первые измерения по облаку точек уже спустя несколько часов после съемки.

21. Понятие, особенности и принцип воздушного лазерного сканирования

Лазерное сканирование представляет собой новую технологию, обладающую множеством преимуществ перед другими методами измерений, таких как значительное сокращение сроков выполнения полевых работ, высокое качество и детальность съемки. Главным преимуществом использования лазерного сканирования является то, что конечный продукт представляет собой трёхмерную модель, которая в свою очередь является более технологичной, чем двумерная. В трехмерной модели инженерные задачи можно решать с большей эффективностью, так как видна реальная ситуация местности, а не отдельные точки как в случае с тахеометрической съёмкой.

Преимущества воздушного лазерного сканирования:

- получение трехмерных моделей рельефа и всех наземных объектов;

- детальность изображения трехмерных сцен путем выбора соответствующих режимов полета и съемки (высоты и скорости полета, а также ширины полосы захвата);

- исключение из технологического цикла наземных геодезических работ, мобильность аэросъемочного комплекса и средств наземной постобработки;

- истинный рельеф (поверхность земли) без существенной потери точности при наличии травяного покрова крон деревьев;

- результаты топографических съемок в безориентирной местности (полностью заснеженные территории, тундра, пустыни, песчаные пляжи).

К основным достоинствам лазерной технологии, несомненно, можно отнести высокую скорость и оперативность съемки, недостижимую любыми другими методами измерений. В области обследования линий электропередач воздушная лазерная съемка сегодня является практически мировым стандартом. При этом нельзя забывать о правовых вопросах. Например, для проведения любой аэросъемки требуется пройти долгий путь получения соответствующих разрешений, связанных как с вопросами секретности, так и с вопросами использования воздушного пространства. Это может занимать весьма значительное время, что отрицательно влияет на оперативность. Основным результатом лазерного сканирования - будь то наземное, воздушное или мобильное - является облако трехмерных точек, с той или иной точностью описывающих геометрические параметры объекта съемки. Количество лазерных отражений, полученных при съемке объекта обследования, часто составляет сотни миллионов и даже миллиарды. Обработка таких массивов данных и формирование на их основе конечных продуктов для пользователей в различных отраслях деятельности сегодня является наиболее трудоемкой составляющей лазерной технологии.

22. Этапы выполнения лазерно-локационной съемки

1. Подготовительный этап, который включает такие процедуры, как: метрологическое обеспечение; калибровка; развитие опорной геодезической сети.

2. Этап выполнения собственно аэросъемочных работ. Этап предкамеральной (полевой) обработки, который включает следующие процедуры: восстановление траектории, т.е. получение законченного навигационного решения по линейным и угловым параметрам движения носителя в процессе съемки; производство (расчет) первичных лазерно-локационных и сопутствующих данных; экспресс-анализ первичных данных по таким понятиям, как полнота покрытия, точность, качество пилотирования.

3. Этап общетопографической обработки, включающий: геокодирование лазерных точек; выделение поверхностей истинной земли, растительности; создание ортофотомозаики цифровых аэрофотоснимков.

4. Этап семантической обработки, включающий: создание семантических трехмерных моделей географических объектов; дешифрирование, выделение контуров.

Размещено на Allbest.ru