Наземное лазерное сканирование: очевидные преимущества

С ростом научно-технического прогресса и технического развития строительства совершенствуются  методы и приборы для проведения инженерно-геодезических работ. Современный геодезический прибор — это продукт высоких технологий, который объединил в себе последние достижения электроники, точной механики, оптики, материаловедения и других наук. 

Появление метода трехмерного  лазерного сканирования полностью  полностью изменило мировоззрение: появилась возможность получать изображения, модели объектов, сооружений, целых застроенных территорий с максимальной полнотой и детальностью. Наземное лазерное сканирование стало одним из направлений научных исследований для съемок и документирования культурного наследия и широко используется для охраны и реставрации архитектурных памятников.

Наземное лазерное сканирование, сущность которого заключается в измерении с высокой скоростью расстояний от сканера до точек объекта и регистрации соответствующих направлений (вертикальных и горизонтальных углов), на основе чего вычисляются пространственные координаты X, Y, Z.

Благодаря своим преимуществам, наземное лазерное сканирование находит  широкое применение во многих областях науки, техники и отраслях народного  хозяйства, а именно:  
1)строительство и эксплуатация инженерных сооружений:  
  -контроль строительства;  
   - корректировка проекта в процессе строительства;  
   - исполнительная съемка в процессе строительства и после его окончания;  
   - оптимальное планирование и контроль перемещения, и установки сооружений и оборудования;  
    - мониторинг объектов при эксплуатации;

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

Сегодня результаты трехмерного  моделирования используют:  
• при построении трехмерных моделей застроенных территорий и создании «3D-кадастра» городов;  
• при создании цифровых моделей местности и цифровых моделей рельефа;  
• при съемке и проектировании промышленных объектов и элементов инфраструктуры;  
• в горной промышленности;  
• в строительстве и реконструкции объектов;  
• в архитектуре, археологии, а также для сохранения архитектурного наследия.

На сегодняшний день лазерное 3D сканирование, пришедшее из машиностроения, стало неотъемлемой частью топографических съемок. Геодезисты оценили возможность лазерных сканеров в считанные минуты получать десятки тысяч безотражательных измерений, которые позволяют вместо схематической цифровой карты построить полноценную трехмерную фотореалистическую модель местности, при этом значительно сократив время полевых работ. Особое значение имееет применение 3D сканеров в инженерной геодезии и маркшейдерском деле, где требуется максимально подробно смоделировать форму сложных инженерных сооружений или подземныхпустот. 
Современные 3D сканеры состоят из двух основных компонентов: сканирующей системы и цифровой видеокамеры. Сканирующая система предназначена для моделирования формы измеряемых объектов, а цифровая видеокамера - для точной передачи цвета объектов. 

Лазерное сканирование – это метод, который позволяет создавать цифровую модель всего окружающего пространства, представляя его как массив точек с пространственными координатами. Основные отличия от съемки с помощью традиционных геодезических приборов, например тахеометров, большой уровень автоматизации работ, наличие сервопривода, автоматически поворачивающего измерительную головку в двух (вертикальной и горизонтальной) плоскостях, а самое главное – большая скорость и «плотность» измерений.

Полученная после измерений  модель объекта – это гигантский набор точек (от сотни тысяч до нескольких миллионов), характеризуемых  координатами, которые измерены с  точностью до нескольких миллиметров. Не нужно больше смотреть в окуляр тахеометра, выискивая цель, не нужно  нажимать кнопки для запуска дальномера и записи полученных данных в память, и, наконец, нет необходимости по нескольку раз переставлять прибор для поиска наиболее выгодной для съемки позиции. Теперь это можно делать с одной точки, без участия оператора и в десятки раз быстрее, при этом сохраняя необходимую точность.

Преимущества сканирования над тахеометрической и другими  наземными видами съемки:  
• мгновенная трехмерная визуализация;  
• высокая точность;  
• несравнимо полные результаты;  
• быстрый сбор данных;  
• обеспечение безопасности при съемке труднодоступных и опасных объектов.

Материальные затраты  по сбору данных и моделированию  объекта методами трехмерного лазерного  сканирования на небольших участках и объектах сопоставимы с традиционными  методами съемки, а на участках большой  площади или протяжности –  ниже. При расчете затрат на съемку надо учитывать, что полнота и  точность результатов лазерного  сканирования позволяют избежать дополнительных расходов на этапах проектирования, строительства  и эксплуатации объекта.

Преимущество сканирования над фотограмметрическими способами  съемки:

Лазерное сканирование и  моделирование аналогично наземным фотограмметрическим методам, но позволяет  получать координаты с одной точки  стояния и без последующей  сложной камеральной обработки, при этом еще и с возможностью контролировать измерения непосредственно  в полевых условиях. Кроме этого, обеспечивается более высокая точность измерений в сравнении с фотограмметрическими методами при одинаковом отдалении  от снимаемого объекта.

Также необходимо указать  на следующие преимущества лазерного  сканирования:  
• возможность отличать отраженный сигнал от растительности и поверхности земли – «пробивать » растительность; 

Финансовые и временные  затраты свидетельствуют в пользу лазерного сканирования. При отсутствии необходимости векторизации трехмерного  растра работа с результатами лазерного  сканирования может происходить  в режиме реального времени, что  для фотограмметрических способов невозможно.

Недостатки лазерного  сканирования:  
• с большинством сканеров рекомендуется работать при температуре не ниже 0°С, что устанавливает некоторые ограничения на полевые работы в зимнее время, хотя некоторые модели отлично работают и при -20°С;  
• до сегодняшнего дня ни одна из систем лазерного сканирования не имеет функций тахеометра по непосредственной привязке отдельных сканов к единой системе координат, поскольку сканирование с каждой точки стояния проводится в системе координат прибора; поэтому необходим дополнительный геодезический прибор для определения координат контрольных точек (марок) сканера;  
• на данный момент достаточно низкая степень автоматизации при трехмерном моделировании сложных объектов на основе лазерного сканирования в компьютере; большинство программных продуктов сфокусировано на индустриальных приложениях – в них принято, что большинство объектов могут описываться простыми геометрическими примитивами, что неприменимо при компьютерном моделировании памятников архитектуры.

Сканирование — это  прекрасный метод, который позволяет  автоматизировать многие виды геодезических  работ, заменив трудоемкие и подчас даже опасные измерения простым нажатием кнопки, это более быстрый, а главное — в сотни раз более информативный метод получения данных об окружающем мире.