Состояние, проблемы и перспективы применения технологии наземного лазерного сканирования

УДК 528.721.221.6

В.А. Середович, Д.В. Комиссаров

СГГ А, Новосибирск

СОСТОЯНИЕ, ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕХНОЛОГИИ НАЗЕМНОГО ЛАЗЕРНОГО СКАНИРОВАНИЯ

На протяжении нескольких последних лет в практику топографо-геодезического производства внедряется технология наземного лазерного сканирования.

В основу трехмерных лазерных сканеров (ТЛС) положен принцип безотражательного измерения расстояний. Принципиально схему ТЛС можно представить в виде двух блоков (рис. 1): лазерного дальномера и сканирующего модуля или блока развертки лазерного луча. Лазерный дальномер адаптирован для высокой частоты измерений и позволяет измерять расстояния до точек объекта импульсным, фазовым или триангуляционным методом. Сканирующий модуль представляет собой оптико-механическую систему, которая позволяет отклонять луч лазера в заданном направлении, а также измерять с высокой точностью значения горизонтальных и вертикальных углов приемо-передающего тракта дальномера.

Рис. 1. Принципиальная схема лазерного сканера

В простейшем случае принцип работы лазерного сканера состоит в следующем. Источник лазерного излучения генерирует импульс, который проходит через систему линз и зеркал и направляется в сторону объекта. Сигнал, отраженный от объекта, фиксируется приемником, с помощью микрокомпьютера вычисляется расстояние от сканера до объекта. Изменяя направление лазерного луча можно получить информацию о каждой точке объекта.

Результатом сканирования является совокупность точек с известными трехмерными координатами и величиной, которая характеризует коэффициент отражения точек объекта. В некоторых моделях сканеров существует возможность получения информации о реальном цвете каждой

точки. Скорость получения данных в зависимости от модели сканера составляет от нескольких тысяч до сотен тысяч точек в секунду. Лазерные сканеры, работающие по такому принципу, позволяют оперативно получать трехмерные модели статичных объектов неразрушающим бесконтактным методом.

Преимущества, которые дает технология лазерного сканирования, вполне очевидны (в плане получения и обработки информации и в отношении конечных результатов), но, как и с внедрением любой другой новой технологии, возникает ряд проблем технического и организационного характера.

Первоочередной проблемой использования новых измерительных средств в топографо-геодезическом производстве является их метрологическая аттестация. Точность наземных лазерных сканеров определяется привычными для геодезистов характеристиками: точностью измерения расстояний и

точностью измерения вертикальных и горизонтальных углов. Кроме того, на точность результатов лазерного сканирования огромное влияние оказывают такие факторы, как: максимальное угловое разрешение сканера (или шаг сканирования), расходимость лазерного луча, условия окружающей среды при сканировании, положение, геометрические характеристики и отражающая способность объекта сканирования, технология и алгоритмы обработки данных. Проблема состоит в том, что:

1. В документации большинства моделей сканеров отсутствует какая либо информация о рабочих поверках и методиках исследования точностных характеристик прибора. Большая часть производителей ограничивается предоставлением своих сертификатов и гарантий;

2. Для существующих моделей сканеров отсутствуют готовые единые методики исследования точности их работы.

Поэтому ряд независимых институтов ведут самостоятельные разработки по оценке точности работы наземных лазерных сканеров [1, 2, 3,

4].

Из-за отсутствия единого стандарта наземные лазерные сканеры, выпускаемые на сегодняшний момент, достаточно сильно отличаются по конструктивным особенностям реализации: методом измерения расстояний, способом защиты от внешних воздействий, формой, размером, весом, наличием устройств для внешнего ориентирования и компенсации углов наклона прибора, выходными данными и т.п. Все это влияет на важные характеристики ТЛС: точность получения пространственных координат точек объекта, угол поля зрения, дальность действия, угловое разрешение и скорость сканирования, класс безопасности, влаго- и пыленепроницаемость, температурный режим работы, транспортабельность, энергопотребление. Особо следует отметить различия в технологии сканирования: способ ориентирования сканера во внешней системе координат (с помощью специальных марок или ориентирного устройства), порядок работы на станции, отсутствие или наличие возможности многопроходного

сканирования и осреднения результата, различные методы фильтрации помех и др.

Другая проблема использования ТЛС заключается в отсутствии готовых методик и технологий для обработки данных сканирования. Существующие программные продукты, предназначенные для обработки трехмерной лазерной съемки (Cyclone (Leica Geosystems HDS), 3Dipsos и RealWorks Survey (MENSI), I-Site (I-SiTE), RapidForm (INUS), GeoMagic Studio (RainDrop GeoMagic) и др.), в большинстве своем адаптированы для решения узкоспециализированных задач, и перед потребителем стоит проблема выбора программного обеспечения, наиболее соответствующего достигаемым результатам. Проблема усугубляется тем, что алгоритмы, реализованные в существующих программах обработки данных наземного лазерного сканирования, не исследованы на предмет качества и точности построений и являются закрытыми.

Сложность внедрения технологии лазерного сканирования также обусловлена тем, что большинство геоинформационных систем (ГИС) не предназначено для обработки трехмерных моделей объектов. В лучшем случае параметр третьего измерения (высоты) учитывается как атрибут в базе данных, что значительно ограничивает спектр решаемых задач. Системы автоматизированного проектирования уже давно решают задачи в трехмерном пространстве, но их возможностей недостаточно для выполнения сложного пространственного анализа, присущего ГИС. Этот факт частично обуславливает то, что потребитель топографо-геодезической продукции не готов к использованию трехмерной информации. Наличие третьего измерения должно увеличить сложность и количество решаемых задач, по меньшей мере, на порядок, но обычно трехмерная модель объекта воспринимается пользователем как дополнительное средство визуализации и представления результата. Естественно, при таком подходе потребитель не согласен платить за трехмерную съемку

Другим важным фактором, сдерживающим использование лазерных сканеров, является отсутствие специалистов, как в области получения информации, так и ее обработки. В России два высших образовательных учреждения, занимающихся подготовкой инженеров-геодезистов, но ни в одном из них не ведется целевая подготовка специалистов в области трехмерной лазерной съемки, хотя и проводятся научно-исследовательские работы по ее применению для решения прикладных задач. Частично это вызвано недостаточным финансированием со стороны государства, инертностью образовательных программ и невостребованностью таких специалистов на производстве.

И последним моментом является отсутствие нормативной базы по трехмерной съемке объектов. Существующие ГОСТы, стандарты и правила устанавливают жесткие требования по типу и содержанию сдаваемой топографо-геодезической продукции, не регламентируя представление результата в трехмерном виде.

Таким образом, по существу вопроса можно сделать следующие выводы:

1. Технология наземного лазерного сканирования активно реализуется на рынке услуг. В большей степени она развивается геодезическими ВУЗами России, фирмами, продающими лазерные сканеры, рядом крупных компаний, отдельными подразделениями нефтегазодобывающей отрасли.

2. Рынок насыщен лазерными сканерами, имеющими различное устройство, точность, производительность. Однако сами приборы недостаточно испытаны пользователями, некоторые из них очень чувствительны к внешним условиям и температуре.

3. Остро стоит проблема определения реальной точности различных типов приборов и их метрологической аттестации. Об этом должны позаботиться как фирмы - производители и продавцы, так и органы Госстандарта. Возникла острая необходимость подготовки методических разработок в данной области.

4. Применение трехмерных сканеров сдерживается рядом причин: недостаточным количеством нормативных документов, предписывающими создание трехмерных моделей, психологической неготовностью к ним заказчиков.

5. Наиболее сложным процессом в технологии трехмерного лазерного сканирования является обработка измерений и построение трехмерных векторных моделей. Данный процесс является в настоящее время наиболее трудоемким и дорогостоящим. Необходимо в России в ближайшее время создать группы программистов, которые могут разрабатывать программы обработки для конечного пользователя.

6. Лазерные сканеры, как мощное средство измерений, могут эффективно применяться не только для построения трехмерных моделей, но и для получения традиционных материалов съемки. При этом можно существенно повысить точность, качество, производительность и достоверность результатов, а это очень важно, особенно для сложных производств, сложных условий и т.п.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Ingensand H., Ryf A., Schulz T. Performances and experiences in terrestrial laser scanning. Procs. 6th Conference on Optical 3-D Measurement Techniques, pp 236-243, Zrich, Switzerland, September 22-25, 2003

2. Iavaronea A., Martina E. Calibration verification facilities for long range laser scanners. Procs. 6th Conference on Optical 3-D Measurement Techniques, pp 268-278, Zrich, Switzerland, September 22-25, 2003

3. W. Boehler, М. Bordas Vicent, A. Marbs Анализ точности лазерных сканирующих

систем. Доклад на XIX симпозиуме CIPA, Анталья, Турция (30 сентября - 4 октября 2003). [электронный ресурс]: сайт фирмы Г.Ф.К. - Режим доступа http://www.gfk-

leica.ru/scan/testir.htm

4. Комиссаров А. В. Исследование точности наземных лазерных сканеров. Современные проблемы технических наук [Текст]. Сб. тез. докл. Новосиб. межвуз. науч. студен. конф. «Интеллектуальный потенциал Сибири». Ч. 3. - Новосибирск, 2004. - 104 с.

© В.А. Середович, Д.В. Комиссаров, 2005