В геодезии используют множество разных методов для получения данных о рельефе местности, объектах и их взаимном расположении. Одним из наиболее современных и эффективных инструментов является лазерное сканирование. Лазерное сканирование в геодезии — это технология, которая с большой скоростью позволяет получать высокоточные пространственные данные об объектах. В статье мы рассмотрим основные виды лазерного сканирования, применяемые в геодезии, различные способы и подходы к использованию этой технологии.
Лазерное сканирование. Что это?
Лазерное сканирование (ЛС) – это эффективный способ сбора данных и создания высокоточных трехмерных моделей объектов и территорий. В геодезии этот метод используется для топографической съемки, создания ЦМР (цифровых моделей рельефа), обследования зданий и сооружений с помощью сканера. В зависимости от принципа работы Сканеры делятся на Лидары и классические 3D-лазерные сканеры. Для измерения расстояний до объектов Лидары используют световые импульсы. В приборах могут быть использованы любые импульсные излучатели, в том числе и лазерные. Классические 3D-лазерные сканеры – приборы, работающие с использованием лазерного луча.
Метод основан на использовании лазерного луча (импульса света). Сканер отправляет короткие импульсы света и замеряет время, которое требуется лучу, чтобы отразиться от объекта и вернуться обратно. На основе этих данных прибор вычисляет расстояние до каждой точки на поверхности объекта.
Этот процесс повторяется миллионы раз в секунду. Сканер собирает огромное количество точек данных – «облако точек». Каждая из точек содержит информацию о своем положении в пространстве, координаты X, Y и Z и показатель степени интенсивности отраженного сигнала. «Облако точек» окрашивается в различные цвета, в зависимости от степени этой интенсивности.
После завершения сканирования собранные данные обрабатываются специальными программами, которые преобразуют их в 3D-модель объекта. Эти модели применимы для картографии, проектирования, мониторинга деформаций, изменений ландшафта и др.
Процесс ЛС можно разделить на несколько этапов:
-
Излучение лазерного импульса: Сканер отправляет короткий импульс света в нужном направлении.
-
Отражение от объекта: Этот свет отражается от объекта и возвращается назад к сканеру.
-
Фиксация времени возврата: Прибор регистрирует время, которое потребовалось свету, чтобы вернуться после отражения.
-
Расчет расстояния: Зная скорость света и время пути луча до объекта и обратно, можно вычислить точное расстояние до точки отражения.
-
Построение модели: Все полученные измерения объединяются в единую цифровую модель, которая отображает структуру и форму объекта исследования.
Лазерное сканирование широко применяется в самых разных областях геодезической деятельности:
-
Топографическая съемка: Лазерные сканеры необходимы для быстрого и точного создания географических информационных систем (ГИС), планов и карт местности. Результаты сканирования могут быть использованы для проектирования инженерных коммуникаций, дорог и других инфраструктурных проектов.
-
Мониторинг природных процессов: Лазерное сканирование позволяет создать цифровые модели рельефа (ЦМР), которые можно использовать для анализа изменений ландшафта, таких как оползни, эрозия почвы и просадки грунта.
-
Обследование зданий и сооружений: Этот метод применяется для создания детализированных 3D-моделей существующих зданий и конструкций, что необходимо при модернизации и ремонте объектов.
-
Мониторинг деформаций: Лазерные сканеры фиксируют изменения конфигурации и расположения объектов во времени, что важно для контроля состояния крупных инженерных сооружений – туннелей, мостов, плотин и др.
-
Архитектурные исследования: Технология позволяет создавать трехмерные изображения и модели, которые необходимы для оценки состояния объектов архитектуры и исторических памятников.
Виды лазерного сканирования
Существует несколько видов лазерного сканирования, которые используются в геодезии. Они различаются по способу сбора и анализа данных.
Наземное сканирование
Наземное лазерное сканирование (НЛС) – наиболее распространенный вид, при котором сканер устанавливается на земле. Прибор направляет лазерный луч на заданные объекты. Сканер располагается так, чтобы охватить все детали объекта. Для сложных объектов сканирование выполняется из нескольких точек (станций), чтобы минимизировать «теневые» зоны. Метод широко применяется для съемки мостов, путепроводов, эстакад. Технология дает возможность оперативно получать данные о ходе земляных работ, рассчитывать объемы вынутой породы, осуществлять геодезический контроль хода строительства, следить за устойчивостью бортов карьера и мониторить оползневые процессы. Этот самый детализированный способ сканирования дает возможность вести съемку не только снаружи, но и внутри сложных инженерных объектов. Этот метод незаменим для обследования и документирования памятников архитектуры.
Наземное лазерное сканирование местности бесконтактный процесс и дает возможность геодезисту не находиться на труднодоступных и опасных объектах. Это имеет серьезное значение при съемке участков, подверженных оползням и камнепадам, карьеров, горной местности в целом, а также объектов, на которых интенсивно используется тяжелая техника.
Воздушное сканирование
Воздушное лазерное сканирование (ВЛС) – вид сканирования, при котором прибор устанавливается на самолете, вертолете или беспилотном летательном аппарате, который пролетает над исследуемой территорией и излучает короткие импульсы света и измеряет время их возвращения. После сбора данные обрабатываются с использованием специализированного программного обеспечения. Программа корректирует результаты, учитывая такие факторы, как угол наклона летательного аппарата, скорость и погодные условия полета. Затем данные объединяются в единую цифровую модель, которая может быть использована для различных целей, таких как картография, инженерные проекты. В отличие от наземного сканирования, где используются 3D-сканеры, технология воздушного лазерного сканирования базируется на системе Лидар. При использовании системы Лидар уровень детализации ниже, чем при лазерном 3D сканировании.
Основным плюсом метода является возможность охватывать большие территории, при этом труднодоступность участков не является препятствием, поскольку съемка производится с воздуха. ВЛС быстро и качественно получает данные о горизонтальных и наклонных поверхностях.
Мобильное сканирование
Мобильное лазерное сканирование (МЛС) – в этом случае прибор устанавливается на движущемся, не более 70 км/ч, транспортном средстве – автомобиле, поезде, катере. Метод позволяет выполнять значительно больший объём работы по сравнению с традиционным наземным лазерным сканированием. МЛС эффективно для съёмки линейных объектов, таких как автомобильные дороги, железнодорожные пути, мосты, трубопроводы, линии электропередачи, городские районы и лесные массивы. Чем быстрее движется транспортное средство, тем меньше становится детализация данных. При мобильном лазерном сканировании часто требуется проезжать исследуемый участок два или три раза из-за помех, вызванных движением транспорта и других препятствий.
Важно учитывать цели выполнения ЛС, так как каждый из видов сканирования имеет свою специфику применения. Наземный способ подходит для детальной съемки в том числе и внутри зданий. Воздушный вид сканирования применяется для крупномасштабных проектов таких как создание цифровых моделей рельефа или создание топографических карт. Мобильный вид сканирования предпочтителен для съемки протяженных объектов.
Типы и особенности лазерных сканеров
Каждый сканер имеет лазерный источник, сканирующую головку, источник питания, электронный блок управления, и калибровочное оборудование. Эти элементы работают вместе, чтобы обеспечить точное и эффективное сканирование различных объектов.
Основными характеристиками лазерных сканеров, применяемых в геодезии, являются такие параметры:
-
точность измерений;
-
дальность действия;
-
скорость обработки данных;
-
угол обзора.
Тип прибора подбирают с учетом необходимой дальности, точности и скорости измерений. Существуют три основных типа лазерных сканеров, каждый из которых имеет свои параметры и области применения.
-
Сканеры среднего радиуса действия
Эти устройства обладают дальностью сканирования до 100 метров. Допустимая погрешность измерений составляет всего несколько миллиметров, что делает сканеры подходящими для высокоточных работ. -
Сканеры дальнего действия
Данный тип сканеров способен работать на значительно больших расстояниях — вплоть до сотен метров. Однако с увеличением дистанции возрастает возможная погрешность, которая варьируется от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров. Это оптимальное решение для задач, где на большом расстоянии требуется получить максимально точный результат. -
Маркшейдерские сканеры
Такие сканеры предназначены для работы на дистанциях свыше одного километра. Погрешность здесь достигает до 10 сантиметров, что достаточно точно для большинства геодезических задач. Чаще используются для горно-геологических исследований для точного измерения геометрии горных выработок, карьеров.
Преимущества и недостатки лазерного сканирования
Технология лазерного сканирования свои имеет преимущества и недостатки, что в свою очередь влияет на его использование в разных областях геодезии.
Преимущества:
-
Высокая скорость сбора данных. Результаты могут быть получены практически мгновенно после завершения процесса.
-
Создание точных и детализированных моделей объектов. Эта функция является критически важной для множества отраслей, где требуется высокая степень детализации.
-
Возможность работы в условиях плохой видимости, таких как темнота или туман. Это делает метод особенно полезным для работы в труднодоступных зонах.
-
Автоматизация процессов обработки данных. Современные системы лазерного сканирования включают программное обеспечение, которое автоматизирует многие этапы обработки данных. Это уменьшает вероятность человеческих ошибок.
-
Высокий уровень безопасности. Лазерные сканеры минимизируют необходимость присутствия людей в опасных зонах во время сканирования. Это повышает безопасность рабочих процессов.
Недостатки:
-
Сканеры и сопутствующее программное обеспечение и обслуживание стоят дорого, что отражается на конечной стоимости процесса. Это может стать препятствием для небольших компаний или организаций с ограниченными бюджетами.
-
Потребность в квалифицированном персонале для проведения работ и анализа информации. Процедура сканирования не полностью автоматизированный процесс. Необходимо правильно выбрать точки съемки, распланировать сеансы, настроить оборудование.
-
Невозможность проводить исследования в сложных погодных условиях. Снегопад, сильный ветер, дождь, низкие температуры создают помехи и ухудшают качество съемки.
Результаты применения лазерного сканирования
Результаты лазерного сканирования, используются во многих сферах. Вот основные направления использования технологии ЛС:
-
Цифровые модели, созданные с помощью ЛС, могут быть преобразованы в топографические карты и детальные планы местности. Эти цифровые данные впоследствии применяются в различных областях, таких как градостроительство, инженерия, экология и другие сферы деятельности, где необходимы точные пространственные данные.
-
Технология применяется для сбора детальной информации о местности перед началом строительных работ или реконструкции существующих объектов.
-
Результаты используются для проектирования трубопроводов, линий электропередач, автомагистралей и других линейных объектов. Они также играют важную роль в процессе модернизации объектов, позволяя точно определить необходимые изменения и улучшения.
-
Технологию применяют для регулярного мониторинга деформаций зданий, дорог и других конструкций. Это включает выявление повреждений, дефектов и определение областей, требующих ремонта. Такой подход позволяет своевременно устранять проблемы и продлевать срок службы сооружений.
-
В горнодобывающей отрасли ЛС помогает контролировать объёмы добычи, отслеживать изменение рельефа карьеров и оценивать стабильность грунта. Это способствует повышению безопасности и эффективности работы.
-
Лазерное сканирование дает возможность создавать высокоточные цифровые модели различных объектов. ЛС позволяет измерять размеры, формы и другие параметры объектов и их компонентов, что важно для точного создания проектов и выполнения строительных и ремонтных работ.
-
Метод применим для проведения кадастровых работ, определения границ земельных участков и установления охранных зон вокруг важных объектов, таких как памятники архитектуры, заповедники и зоны особого природоохранного значения.
-
Эта технология обеспечивает детализированную съёмку сложных технических сооружений, таких как мосты, тоннели, гидротехнические сооружения, железнодорожная инфраструктура и линии электропередачи. Полученные данные помогают в планировании модернизации и эксплуатации этих объектов.
Можно уверенно утверждать, что лазерное сканирование в геодезии это одно из наиболее востребованных и современных направлений. Технология обладает возможностями, которые позволяют за короткий период времени охватывать и детально изучать значительные площади. Благодаря своей высокой скорости, точности и эффективности, лазерное сканирование приобретает всё большую популярность среди специалистов, работающих в сфере картографии, строительства и ряда смежных отраслей.
С учётом текущих тенденций развития этой технологии, можно предположить, что в ближайшем будущем метод полностью заменит традиционные методы сбора пространственных данных.