Применение наземных лазерных сканеров для решения научно-прикладных задач

УДК 528.721.221.6

Д.В. Комиссаров, А.В. Середович

СГГА, Новосибирск

ПРИМЕНЕНИЕ НАЗЕМНЫХ ЛАЗЕРНЫХ СКАНЕРОВ ДЛЯ РЕШЕНИЯ НАУЧНОПРИКЛАДНЫХ ЗАДАЧ

В декабре 2003 года в Сибирской государственной геодезической академии был открыт Региональный центр лазерного сканирования. Основными задачами центра являются: разработка технологии лазерного сканирования, обработка результатов сканирования, выполнение работ с применением трехмерных лазерных сканеров. В настоящий момент центр располагает тремя моделями наземных лазерных сканеров: Riegl LMS-Z210, Riegl LMS-Z360 и Mensi GS200. Кроме того, имеются одиннадцать рабочих мест оснащенных мощными компьютерами и современным программным обеспечением, таким как RiSCAN PRO, AutoCAD, Cyclone, RealWorkSurvey, 3Dipsos. За прошедший со времени открытия год специалистами центра был выполнен ряд проектов, показавших высокую эффективность применения лазерного сканирования для решения различных практических задач. Основными областями применения наземного лазерного сканирования являются:

1. Архитектура.

Одним из проектов, выполненным Региональным центром лазерного сканирования явилась съемка здания построенного в 1905 году и являющегося памятником архитектуры города Новосибирска. Целью сканирования этого здания являлось построение модели физической поверхности стен и передача ее в программный продукт 3D StudioMax для формирования проекта реставрации здания. Особенностью этого здания является сложная структура поверхности стен. Сканирование выполнялось сканером Riegl LMS-Z360, с использованием технологии осреднения нескольких сканов с расстояния порядка пяти метров. Сканирование трех стен здания высотой в два этажа, проводилось с четырех позиций и заняло три часа полевых работ.

2. Строительство.

При проектировании вентилируемых фасадов возникает необходимость в получении точных размеров элементов фасада здания. Эти данные необходимы для нарезки фасадной плитки. Наземное лазерное сканирование позволяет по сравнению с традиционными методами в максимально короткие сроки произвести промеры всех элементов фасада. Специалистами центра было выполнено два таких проекта. Например, на съемку фасада здания длиной 80 метров и высотой в пять этажей ушло всего четыре часа.

3. Археология.

Совместно с Институтом археологии и этнографии СО РАН специалисты центра участвовали в работах, проводимых в Хакасии на месте предполагаемой древней обсерватории. Цель работ состояла в проверке правильности гипотезы о возможности проведения древними людьми астрономических наблюдений, с использованием естественного строения

скал и искусственно созданных образований. При помощи лазерного сканирования была проведена трехмерная съемка участка работ и далее, в камеральных условиях была построена трехмерная модель объекта. На основе построенной модели и результатов астрономических наблюдений отрабатывалась гипотеза возможности использования скальных образований для астрономических наблюдений древними людьми. В этом проекте трехмерное сканирование показало высочайшую эффективность, ведь традиционными геодезическими способами невозможно получить подробную модель сложной структуры скальных образований за столь короткое время. Кроме того, по результатам лазерного сканирования были построены традиционные плоские чертежи и планы.

4. Исполнительная съемка сложных технологических объектов.

Сложные технологические объекты имеют высокую плотность

расположения элементов и зачастую содержат многоуровневые конструкции, поэтому возникают определенные сложности с представлением их в виде традиционных плоских чертежей. В связи с этим, в последнее время проектные организации и службы, эксплуатирующие данные объекты переходят на работу с трехмерными моделями. В июле 2004 г. специалисты центра провели экспериментальные работы по построению трехмерных моделей двух установок комплексной подготовки газа (УКПГ). УКПГ представляет собой очень сложный объект, содержащий множество трубопроводов и других технологических элементов. Поэтому, применение трехмерного сканирования оправдано, поскольку получаемая точечная модель обладает высокой степенью детальности и наглядности. Площадь каждой УКПГ составляет порядка 6 га. Сканирование УКПГ выполнялись сканером Riegl LMS-Z360. Полевые работы на каждой установке длились около семи дней, бригадой из 3 человек. Для каждого объекта понадобилось порядка шестидесяти сканерных станций. Средняя точность привязки каждой станции к внешней системе координат составила около 15 мм. В результате сканирования были получены точечные трехмерные модели установок комплексной подготовки газа. Эти данные были экспортированы в программное обеспечение Cyclone, в котором были построены векторные трехмерные модели объектов. Камеральная обработка каждой установки коллективом из 6 человек длилась 1,5 месяца.

5. Построение моделей объектов повышенной опасности.

Основной трудностью, возникающей при съемке объектов повышенной опасности, является ограничение доступа к этим объектам. В таких ситуациях необходимо использовать дистанционные методы. Лазерное сканирование как нельзя более подходит для таких целей. Это доказал эксперимент по сканированию электроподстанции 30 кВ. Доступ к подстанции был ограничен забором, заходить в пределы которого строго запрещено вследствие опасного для жизни напряжения. Поэтому сканирование велось из-за забора. Для получения полной модели подстанции было сделано 7 сканов. По полученной точечной модели можно получить точную метрическую информацию о любых важных элементах подстанции

(расстояние от проводов до оборудования, длина подвесок, количество изоляторов и т.д.). Кроме того, в результате сканирования, была получена подробная точечная модель окружающей местности, включая опоры и провода входящих ЛЭП 30 кВ и ЛЭП 6 кВ, идущие от подстанции к объектам, по которым также можно производить различные измерения. Еще одним проектом из данной области была съемка одного из оживленнейших перекрестков г. Новосибирска. Задачей работ было построение векторной модели проезжей части, тротуаров, зданий, рекламных щитов, проводов и т.д. На построенной модели будут отрабатываться различные варианты строительства надземного пешеходного перехода. Несмотря на то, что работы проводились в ночное время, на перекрестке было довольно оживленное автомобильное движение. Для повышения эффективности работ, сканер был помещен, с использованием специального устройства, на автомобиль УАЗ, на котором он находился во время сканирования и переездов. Было сделано четыре сеанса сканирования с четырех точек. Связка сканов производилась тахеометром с одной точки, находящейся на безопасном месте.

6. Построение трехмерных моделей объектов для предотвращения и ликвидация последствий чрезвычайных ситуаций.

Отдельным направлением, развиваемым центром является применение результатов лазерного сканирования для предотвращения и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций. Трехмерные модели позволяют ответить на многие вопросы, возникающие в ходе проведения спасательных операций и мероприятий по предотвращению чрезвычайных ситуаций, например: пути и возможность доставки необходимого оборудования, моделирование и прогноз развития событий, проектирование систем безопасности и жизнеобеспечения с целью эффективной их эксплуатации и т.д. Такие модели с одной стороны более наглядны, а с другой - позволяют переложить часть задач на «плечи» вычислительной системы и автоматизировать процесс принятия решений, что соответственно повышает их эффективность и оперативность. На сегодняшний день центром построена трехмерная модель одной из станций Новосибирского метрополитена. Целью создания этой модели было использование ее для управления действиями людей и техники в условиях чрезвычайной ситуации (например, в условиях задымленности). Используя данную модель, можно дистанционно управлять людьми в условиях недостаточной видимости, просчитать возможность использования того или иного спасательного оборудования и т.д. Еще одним проектом в этой области явилось сканирование площади им. Ленина г. Новосибирска. Сканирования производилось с пяти позиций и заняло порядка четырех часов. По точечной модели были построены в АШюСАО модели зданий и сооружений, находящихся в пределах площади. По векторной модели было запроектировано местоположение камер слежения в целях обеспечения общественной безопасности.

Выполненные проекты доказали целесообразность и высокую эффективность применения наземного лазерного сканирования для

получения трехмерных моделей различных объектов и территорий, которые могут использоваться во многих областях человеческой деятельности.

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