Некоторые аспекты трехмерного лазерного сканирования для решения инженерных задач

С.Р.Мельников, директор НПП «Геокосмос»
Р.В.Подоприхин, начальник информационно-аналитического отдела НПП «Геокосмос»
А.В.Григорьев, зам. начальника информационно-аналитического отдела НПП «Геокосмос»

Как уже упоминалось в предыдущих статьях («Горная промышленность» №5 за 2001 и №1 за 2002), одной из основных особенностей лазерных сканирующих систем является избыточность получаемой информации. Это позволяет не только выполнить корректные построения, но и произвести полномасштабную и достоверную оценку точности построенных моделей, как отдельно взятых элементов, так и их совокупности. При выполнении съемок промышленных комплексов традиционными способами, в виду сложности объектов и их загруженности, исполнитель может пропустить некоторые технологически важные элементы ситуации или не придать соответствующего значения некоторым, на его взгляд не важным элементам окружающей обстановки, что в дальнейшем может привести к неполному, а иногда и к недостоверному отражению действительности. При выполнении работ сканирующими системами подобная ситуация исключается в силу того, что при обработке данных у оператора есть возможность увидеть сцену съемки собственными глазами и, в сомнительных случая, уточнить необходимость отображения того или иного элемента.

В некоторых случаях, в поле достаточно затруднительно получить характеристики некоторых объектов, например провисание коммуникаций, диаметры труб и места смены диаметров труб на эстакадах, линейные размеры объектов, не говоря уже об объектах имеющих сложные сплайновые поверхности – такие объекты при трехмерном моделировании, используя традиционные технологии сбора данных, зачастую построить просто невозможно.

По данным сканирования эти вопросы решаются точно и однозначно, особенно, учитывая то, что все материалы съемок находятся в едином трехмерном координатном поле, взаимное положение моделей объектов определяется с высокой точностью. Точность построения отдельных элементов модели и точность их взаимного положения определяется в основном точностью сканирующей системы.

Кроме того, избыточность получаемых данных позволяет использовать их для решения перспективных задач, ранее не запланированных, без дополнительного проведения съемочных работ на объекте. Например, при съемке технологического оборудования цеха с целью построения его модели в поле зрения сканирующей системы попадают и конструктивные элементы здания. В случае необходимости в перспективе по полученным данным можно выполнить и моделирование несущих конструкций здания цеха и т.п. Также при съемке местности с целью построения модели рельефа (ЦМР) будут сняты и растительность, и инженерные сооружения. В перспективе может быть выполнено построение полной модели местности (ЦММ).

Традиционная съемка дает аппроксимированное представление о рельефе местности, и степень этой аппроксимации сильно зависит от опыта и квалификации исполнителя. Лазерное сканирование позволяет зафиксировать абсолютно все формы рельефа, присутствующие в зоне съемки и в процессе постобработки уточнить необходимость отображения того или иного элемента.

Следует отметить также, что по «сырым» данным лазерного сканирования, которые представляются в виде облака точек, не всегда есть необходимость в выполнении построения моделей. В ряде случаев (например, для проведения измерений) достаточно использовать облака точек лазерных отражений, трансформированные в некую общую систему координат. Учитывая то, что современные системы фиксируют истинный цвет и интенсивность отражения для каждой точки, облака точек легко читаются и дешифрируются, что позволяет легко выделить интересующий фрагмент модели либо конструктивный элемент и выполнить над ним различные манипуляции (измерения и т.п.). Кроме того, фиксация истинного цвета и интенсивности отражения позволяет дешифрировать и распозновать геологическую информацию при съемке горных выработок и местности.

Развитие технологий безотражательных измерений, а также неоспоримые преимущества сканирующих систем, такие как скорость, точность, достоверность и полнота получаемой информации, привели к тому, что и в безотражательных электронных тахеометрах появляются различные режимы сканирования.

Примером тому может служить один из передовых приборов компании Trimble – безотражательный роботизированный электронный тахеометр Trimble 5605 DR 200+.

Данный подход можно использовать при производстве исполнительной съемки для оценки точности строительства сооружений сложной конфигурации (например, различных претенциозных сооружений). В этом случае по проектным данным производится построение модели, которая затем вписывается в облака точек, являющихся результатами лазерного сканирования. В дальнейшем можно будет легко оценить точность исполнения строительных работ и выявить отклонения от проекта.

Некоторые производственные проекты,

выполненные НПП «Геокосмос» с использованием трехмерных лазерных сканирующих систем

НПП «Геокосмос» является первой и на сегодняшний день единственной в России организацией, обладающей трехмерным наземным лазерным сканером, и выполняющей производственные работы с его использованием. Комплекс выполняемых работ включает не только съемку местности, инженерных сооружений и т.п., но и полный спектр работ по трехмерному моделированию, построению карт и планов по результатам лазерного сканирования. Кроме того, НПП «Геокосмос» осуществляет поставку и сопровождение технологий, основанных на применении новейших лазерных сканирующих систем и адаптированных для нужд конкретного заказчика.

За последний год специалистами НПП «Геокосмос» накоплен богатый опыт использования лазерных сканирующих систем для решения широкого спектра задач. Хотелось бы привести несколько наиболее интересных, на наш взгляд, конкретных примеров с указанием сроков исполнения работ и точностных характеристик. Все работы были выполнены с использованием наземной лазерной сканирующей системы Riegl LMS Z-210.

Трехмерное лазерное сканирование, построение модели рельефа и топографического плана горнолыжного спуска

Заказчик работ – Мосгоргеотрест.

Работы проводились на площади 25 га. Целью данной работы было построение модели рельефа и топографического плана, а также вычисление объемов земляных работ.

Работы по рекогносцировке, созданию съемочного обоснования и сканирование (20 сканов) – 4 дня.

Построение трехмерной модели и топографического плана – 4 дня.

Съемка и все построения выполнялись в соответствии с точностью масштаба 1:500.

Работы осложнялись тем, что выполнялись в условиях атмосферных осадков (снегопада), что являлось некоторой помехой для сканирующей системы. Использование уникальных алгоритмов фильтрации помех позволило очистить облако точек от паразитных отражений и выполнить корректные построения модели. Кроме того, автоматически и интерактивно было выполнено удаление со сканов машин и механизмов, расположенных в зоне съемки.

Трехмерное лазерное сканирование и построение модели рельефа Раменского горно-обогатительного комбината

Работы проводились на площади 20 га. Целью данной работы было построение модели рельефа и вычисление объемов выработки. Кроме того, оценивалась точность вычислений и подбиралась оптимальная плотность точек лазерных отражений для достижения наиболее высокой точности построений и вычислений.

Работы по рекогносцировке, созданию съемочного обоснования и сканирование (4 скана) – 1 день.

Построение трехмерной модели, оформление и вычисление объемов – 2 дня.

Работы осложнялись тем, что выполнялись в условиях производства работ на объекте и активного движения транспорта. Использование уникальных алгоритмов фильтрации помех позволило очистить облако точек от машин и механизмов, расположенных в зоне съемки и выполнить корректные построения модели.

Трехмерное лазерное сканирование и построение модели подземных инженерных коммуникаций

Работы проводились в подземном переходе и ставили своей целью тестирование возможности применения технологий лазерного сканирования в условиях закрытых горных выработок.

Тестовые съемки показали, что использование лазерных сканирующих систем при съемке закрытых горных выработок оправдано и удобно. Съемка производится оперативно и с высокой точностью. Кроме того, при помощи специализированных лазерных сканирующих систем может быть произведена съемка недоступных выработок. По полученным данным может быть оперативно построена модель выработки, вычислены объемы, а также построены сечения для передачи в специализированные программы горного планирования и подготовки горно-графической документации.

Работы по рекогносцировке, созданию съемочного обоснования и сканирование (2 скана) – 2 часа.

Построение трехмерной модели, сечений, оформление и вычисление объемов – 3 часа.

Трехмерное лазерное сканирование и построение трехмерной модели технологического оборудования компрессорного цеха компрессорной станции КС8 (Туртасская) Сургутгазпрома

Заказчик работ – ООО «Газтранзит».

Работы проводились внутри цехового помещения, общими размерами 190(26(15 м.

Основной целью выполнения данной работы являлось построение трехмерной модели технологического оборудования и конструктивных элементов здания внутри цехового помещения по результатам наземного трехмерного лазерного сканирования. При съемке и построении модели необходимо было отразить все элементы, размеры которых превышают 5 см. Данная работа подразумевает использование результатов (трехмерной модели и построенных по ней планов) как исполнительной съемки и основы для проектирования, модернизации и замены технологического оборудования цеха. Одним из положительных моментов является наличие на модели полностью трехмерной технологической схемы цеха.

Работы по рекогносцировке, созданию съемочного обоснования и сканирование (168 сканов) – 3.5 недели.

Построение трехмерной модели – 3.8 недели.

Точность взаимного положения элементов модели – не грубее 3–5 см.

Работы осложнялись тем, что выполнялись в условиях сильных вибраций и высоких температур некоторых снимаемых поверхностей. Благодаря использованию уникальных алгоритмов, разработанных специалистами НПП «Геокосмос», удалось максимально снизить влияние вибраций и конвекционных потоков на результаты измерений при постобработке.

Крупномасштабная съемка территории

с использованием воздушного лазерного сканирования

В настоящий момент НПП «Геокосмос» внедряет передовые технологии, основанные на производстве топогеодезических работ с использованием воздушных лазерных сканирующих систем.

Современные технологии, основанные на использовании воздушного лазерного сканера, позволяют производить быструю и точную крупномасштабную съемку больших и протяженных территорий. По полученным в процессе съемки данным может быть выполнено оперативное (в темпе сбора первичных аэросъемочных данных) построение крупномасштабных цифровых карт и планов, моделей рельефа и местности.

Основные технические характеристики

воздушной лазерной сканирующей системы:

Высота полета при сканировании – 80–2000 м.

Точность определения высоты – 15 см при высоте полета 1200 м, 25 см при высоте полета 2000 м (зависит от высоты полета – чем ниже высота, тем выше точность).

Точность определения планового положения точек – 1/2000 от высоты полета (от 5 см. при минимальных высотах).

Угол сканирования – 40 град.

Ширина полосы сканирования – 0.72 от высоты полета.

Частота сканирования – до 100 Гц.

Частота лазера – 50 кГц.

Класс лазера – IV.

Возможность фиксации коэффициента отражения для каждой точки и параллельного проведения видео и цифровой фотосъемки.


Основные преимущества технологии воздушного лазерного сканирования по сравнению с традиционными методами аэрофотосъемки («Лазерная картография», май 2000 – Евгений Медведев «ОПТЭН Лтд.»):

•    непосредственное получение трехмерных моделей рельефа и всех наземных объектов, а также возможность выполнения по ним геометрических измерений;

•    возможность без технологических усилий добиваться сколь угодно высокой степени детальности изображения трехмерных сцен путем выбора соответствующих режимов полета и съемки (прежде всего высоты и скорости полета, а также ширины полосы захвата);

•    практически полное исключение из технологического цикла наземных геодезических работ, так как получаемые в ходе аэросъемки данные принципиально не нуждаются в планово-высотном обосновании;

•    мобильность всего аэросъемочного комплекса и средств.


Только используя лазерное сканирование можно получить:

•    истинный рельеф (поверхность земли) без существенной потери точности при наличии травяного покрова и даже под кронами деревьев в лесу;

•    местоположение и форму объектов сложной структуры, как правило, антропогенного происхождения, например, технологических площадок и трубопроводов, зданий и сооружений и т.п.;

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

Воздушная лазерно-локационная съемка для проектирования ж/д путей к Эльгинскому месторождению углей

Заказчик работ – ОАО «Мосгипротранс».

Работы проводились на площади 340 км2.

Основной целью проведения работ являлось проведение съемки территории с использованием воздушной лазерной сканирующей системы и построение по полученным данным модели рельефа для последующего проектирования подъездных железнодорожных путей к Эльгинскому месторождению углей.

Работы по рекогносцировке, созданию съемочного обоснования и сканирование – 1 месяц.

Классификация, фильтрация данных и построение трехмерной модели – 2.5 месяца.

Точность модели – не грубее 15 см.

Расчеты и опыт проведения практических работ показывают, что стоимость работ по съемке и созданию крупномасштабных планов и карт с применением воздушного лазерного сканирования в 1.5 раза ниже, чем при использовании аэрофотосъемки, а сроки выполнения работ меньше в 3 раза.

Приведенный выше краткий обзор производственных проектов, выполненных компанией «Геокосмос», иллюстрирует богатые возможности применения технологии трехмерного лазерного сканирования при решении широкого спектра задач, от стадии изысканий до исполнительных съемок и мониторинга действующих объектов.

Учитывая стремительное развитие и те дополнительные возможности, которые представляют подобные технологии, можно с уверенностью считать, что в самое ближайшее время они займут приоритетное место при съемках и моделировании местности и инженерных сооружений.

Журнал "Горная Промышленность" №3 2002