Лазерное сканирование что это
Лазерное сканирование — это современная технология точных обмерных работ
Описание, применение и перспективы 3D сканирования
Лазерное сканирование представляет собой передовую бесконтактную технологию трёхмерного измерения объектов и поверхностей. По сравнению с традиционными оптическим и спутниковым геодезическими методами технология лазерного сканирования характеризуется феноменальной детальностью, невероятной скоростью, высокой точностью измерений. Данная технология является поистине революционной в сфере инженерных изысканий, поскольку именно его появление предопределило мощный качественный рывок всей отрасли. Сегодня лазерное сканирование широко применяется в архитектуре, промышленности и энергетике, геодезии и маркшейдерии, на объектах транспортной инфраструктуры, в гражданском и промышленном строительстве, добывающей отрасли, археологии, востребована она также и во многих других отраслях производства и народного хозяйства.
Что такое трёхмерное лазерное сканирование?
Что необходимо сделать для построения точной трёхмерной модели здания или чертежа цеха? Безусловно, сначала провести измерения и получить координаты всех объектов (пространственные x,y,z или x,y на плоскости), а затем уже представить их в нужном графическом виде. Именно измерения координат объекта, иначе говоря, съёмка, составляют наиболее трудоёмкую и затратную часть всей работы. Как правило, геодезисты или другие специалисты, проводящие измерения, используют современное оборудование, в первую очередь электронные тахеометры, которые позволяют получать координаты точек с высокой точностью (до нескольких миллиметров).
Принцип работы электронного тахеометра основан на отражении узконаправленного лазерного пучка от отражающей цели и измерении расстояния до неё. Отражателем в общем случае служит специальная призма, которая крепится на поверхности объекта. Определение двух углов (вертикального и горизонтального) и расстояния даёт возможность вычислить трёхмерные пространственные координаты точки отражения. Скорость измерения тахеометра невысока (не более 2 измерений в секунду). Данный метод эффективен при съёмке разреженной, малозагруженной объектами площади, однако даже и в этом случае сложности, с которыми приходится сталкиваться при креплении отражающих призм (на большой высоте или в труднодоступном месте), зачастую оказываются непреодолимыми.
Относительно недавнее появление безотражательных электронных тахеометров, которые работают без специальных отражателей, произвело «бархатную» революцию в геодезии — теперь стало можно проводить измерения без долгих и утомительных поисков лестниц для подъёма отражателя под крышу дома, всевозможных подставок для установки призмы над полом в помещении с высокими потолками и других подобных сложностей — достаточно лишь навестись на необходимую точку, ведь луч может отражаться от любой ровной поверхности.
Лазерные 3D-сканеры: области применения и обзор моделей
Лазерное 3D-сканирование — создание цифровой модели физического тела при помощи луча лазера. Технология бесконтактная, работает на близких и дальних расстояниях, исключает повреждения объектов во время сканирования. Принцип работы лазерных 3D-сканеров: направленный лазерный луч отражается от поверхности предмета, образуя облако точек. Каждая точка имеет свои координаты в пространстве. Программное обеспечение определяет их и создает готовую трехмерную цифровую модель на основе этих данных.
Из обзора вы узнаете, где применяют лазерное сканирование и какое оборудование используют для решения связанных с ним задач.
Назначение лазерных сканеров
В сравнении с традиционными способами измерения, лазерные сканеры имеют важное преимущество — они могут оцифровывать объекты со сложными поверхностями и работать в труднодоступных для человека местах. Основные сферы применения приборов — входной и выходной контроль качества на производстве, инспекция работающих приборов с целью профилактики и устранения дефектов, реверс-инжиниринг и другие области.
Строительство, реконструкция и ремонт объектов
В ходе подготовки проекта здания необходимо оценить особенности участка и стоимость предстоящих работ. С помощью лазерных 3D-сканеров создают модель ландшафта, на базе которой ведутся дальнейшие работы. В процессе строительства требуется промежуточный контроль геометрии будущих зданий: стен, углов, проемов и т.п. Лазерное сканирование справляется с этой задачей точнее и быстрее привычных измерительных технологий.
Основой для внешней или внутренней реконструкции часто является точная цифровая модель, на базе которой планируют изменения и дополнения в текущем интерьере или экстерьере. В этой сфере также незаменимы лазерные сканеры.
Дорожные сети и транспорт
Лазерное сканирование становится неотъемлемой частью планирования и создания городских и загородных дорожно-транспортных сетей, тоннелей, пешеходных участков, железных дорог, портов. Технологию используют для оценки текущего состояния покрытий, планирования и оценки стоимости ремонтных работ, для получения моделей многолетних конструкций, например, мостов. Оборудование задействовано в проектировании, изготовлении, ремонте и тюнинге автомобилей, воздушного транспорта и судов.
Объекты коммунального хозяйства
При помощи лазерных 3D-сканеров стала возможным быстрая оцифровка и документирование инженерных коммуникаций. Сканирование значительно экономит время при техническом обслуживании и реконструкции. Устройства работают дистанционно, минимизируют риски людей при работе в неблагоприятных условиях и на труднодоступных участках.
Нефтедобывающие установки
Нефтедобывающие комплексы, расположенные в воде, нуждаются в постоянном контроле рабочих процессов. Объекты регулярно подвергаются неблагоприятным и переменчивым воздействиям окружающей среды: ветров разной силы и направлений, течений, перепадов температур и т.п. Лазерное 3D-сканирование становится неотъемлемой частью инспекции нефтедобывающих установок. Оборудование позволяет быстро определять и фиксировать деформации и другие повреждения, контролировать износ, рассчитывать сроки планового технического обслуживания, предотвращать аварии.
Судебная экспертиза
На смену фотографиям и ручным измерениям в следственных процессах и судмедэкспертизе приходит лазерное 3D-сканирование. Приборы создают трехмерные модели мест происшествия с точной фиксацией расположения объектов и расстояний между ними. Данные используют в процессе досудебных и судебных разбирательств.
Другие области применения
Лазерные 3D-сканеры облегчают и оптимизирует рабочие процессы в следующих областях:
Обзор моделей и производителей
FARO Focus
FARO входит в пул популярных производителей лазерных сканирующих устройств. Новые приборы серии S модельного ряда Focus3D выделяются на фоне других сканеров легкостью и компактными размерами, а также возможностью работать в условиях яркого солнечного освещения и поддерживать связь с участком расположения при помощи GPS.
Сканер FOCUS 3D S 150 работает на расстоянии до ста пятидесяти метров, с точностью на максимальной дистанции до ±2000 мкм. Прибор используют в дизайне, архитектуре и строительстве, для оцифровки оборудования и других объектов.
Узнать больше об этой модели вы можете на сайте.
Focus3D S 350 сканирует с такой же точностью, как и предыдущий прибор, однако расстояние до объекта измерений увеличено до 0,35 км. Устройство разработано для работы вне помещений.
SHINING 3D
FreeScan — линейка известного китайского производителя цифрового оборудования SHINING 3D. Это универсальные лазерные ручные 3D-сканеры FreeScan X5 (X5+), FreeScan X7 (X7+) весом до 1 кг, с отличными набором профессиональных характеристик.
Основные параметры:
Технические характеристики
Creaform
Отличительные особенности модельного ряда SCAN 3D компании Creaform — высокое качество сканирования в сочетании с простотой использования. Портативные лазерные сканеры HandySCAN 3D, MetraSCAN 3D обладают понятным интерфейсом, не требуют специальных навыков и сложного обучения пользователя.
ScanTech
Модельный ряд Handheld
Источник: cmmxyz.com
Серия устройств HandHeld Prince работает на базе синих и красных лазерных лучей, что позволяет сканировать с высокой точностью крупные и мелкие объекты. Сканеры могут работать в условиях яркого солнечного света и при недостаточном освещении. Благодаря компактному размеру, высокой скорости и детализации, оборудование широко используют в обратном проектировании, инспекции качества, оцифровке музейный, археологических и других объектов.
Серия Composite
Кроме режима двойного сканирования KSCAN20 оснащен системой фотограмметрии, благодаря которой рабочая область прибора составляет 2,5м*3м с точностью до 35 мкм/м.
Синий и красный лазеры обеспечивают высокоскоростное сканирование до 650 тыс измерений в секунду с разрешением 0,01 мм.
Области применение лазерных 3D-сканеров
Уменьшение финансовых и временных затрат в строительстве с помощью FARO Focus
Построение цифровой модели воздуховодов и других систем позволили избежать ошибок при монтаже физических объектов, который мог занимать несколько недель. Использование FARO Focus при сборке водопроводных, электрических и механических установок помогло оптимизировать затраты на всех этапах работы
Кейс “Модернизация корпуса Университета Майами”
На момент начала работ в распоряжении архитекторов были чертежи, сделанные 85 лет назад, и чуть больше 4,5 тысяч квадратных метров старой постройки. Используя лазерный 3D-сканер, специалисты Gilbane оцифровали учебные площади за один рабочий день. Модернизация несущих конструкций, а также основных коммунальных систем: водопровода, электрики и вентиляции, базировалась на данных, полученных при сканировании.
Инспекция качества с помощью ScanTech
Преимущество технологии штамповки металла, перед ковкой и литьем, заключается в меньшем весе и толщине получаемых деталей. Использование пресс-форм дает высокую точность и максимальное соответствие полученных деталей заданным характеристикам, однако полностью не исключает отклонений и деформаций. Что, в свою очередь, может привести к трудностям при сборке готовых изделий и снижению качества продукции. Поэтому постоянная инспекция качества является необходимой составляющей производства.
Разобравшись в задачах производителя, специалисты ScanTech предложили проверять качество штампованных деталей при помощи лазерного сканера PRINCE. Возможность переключения режимов синего и красного лазера позволили устройству объединить функционал традиционных портативных и метрологических 3D-сканеров. Режим работы с активным лучом красного лазера обеспечивает быструю оцифровку предметов. В случае повышенных требований к точности и детализации, включают режим синего лазерного луча.
На фото представлены этапы работы:
1. Установка маркеров — занимает около двух минут.
2. Оцифровка детали — занимает около трех минут.
3. Выявление отклонений — длится 3 минуты.
Цифровая модель демонстрирует параметры и отклонения, позволяет исправлять ошибки на этапе проектирования. Кейс наглядно показывает, что процесс потребовал минимум времени и усилий.
Использование 3D-сканеров FARO в мировом турне Джастина Тимберлейка
Декорациями к программе Тимберлейка под названием «Man of the Woods» стали “ожившие” на сцене природные пейзажи. Сначала команда ScanLAB оцифровала ряд уголков леса в Американском штате Орегон. Затем лазерные проекторы направляли изображения над зрительным залом и сценой, рисуя удивительные картины Портлендского ландшафта на подвешенных в воздухе полупрозрачных полотнах.
Для подготовки визуальных эффектов использовали два лазерных сканера Faro Focus X 330, программное обеспечение Faro Scene 6.2. Всего потребовалось 40 цифровых копий и 1 рабочий день в концертном зале.
Учитывая ограниченное время для подготовки, большие площади поверхностей для демонстрации изображения и, соответственно, потребность в высоком разрешении картинки, создание визуальных эффектов в короткие сроки без использования выбранной технологии было невозможно.
Рекомендации по подбору лазерных 3D-сканеров
В обзоре мы познакомили вас с оборудованием лидеров рынка с отличной репутацией. Все описанные приборы имеют высокие рабочие показатели, поэтому мы рекомендуем обратить внимание на эти устройства для использования в различных сферах:
Итоги
Рассмотренные примеры наглядно доказывают, что применение лазерного 3D-сканирования оптимизирует рабочие процессы во множестве сфер. Круг задач, решаемых при помощи лазерных 3D-сканеров, постоянно расширяется.
Купите профессиональный лазерный 3D-сканер в Top 3D Shop — опытные специалисты помогут подобрать наиболее подходящее для вашего бизнеса оборудование, ПО, предложат проект модернизации производства.
Лазерное наземное сканирование
Современное оборудование позволяет решать текущие задачи строительства и проектирования с большей точностью и экономической эффективностью. Несмотря на сей неоспоримый факт, большинство до сих пор, почему-то, испытывают недоверие к подобным ноу хау, предпочитая традиционные методы решения вопросов. В данной статье мы расскажем, что есть лазерное наземное сканирование и где оно применяется.
Что такое лазерное сканирование
В свою очередь, лазерный сканер – это устройство, излучающее лазерные лучи, которые отражаясь от поверхности сканируемого объекта, возвращаются на датчики прибора и в результате формируют так называемое «облако точек».
При этом лазерное сканирование бывает трех видов:
Наземное;
Мобильное.
О первом (наземном) и пойдет речь в данной статье.
Что такое наземное лазерное сканирование и как оно проводится
Наземное лазерное сканирование осуществляется при помощи стационарных приборов, которые своим внешним видом напоминают уже всем привычные тахеометры. Как правило, такой вид лазерного 3D сканирования применяется для высокоточных измерений пространственных объектов, в том числе и сложной формы (здания, промышленные сооружения, памятники архитектуры и т.д.).
Однако, с учетом того, что пространственные объекты (и не только: например, фасад значительной протяженности и т.п.) невозможно отсканировать с одной точки стояния, прибор приходится переставлять для получения полной модели, а значит облаков точек создается несколько.
Чтобы впоследствии сшить облака в единую модель, в натуре используются специальные сферы, которые закрепляются на объекте сканирования в зонах взаимного перекрытия сканов для последующей ориентации по ним.
Сшивка сканов и вся последующая постобработка полученных данных (удаление лишних объектов, выделение несущих, ограждающих элементов и элементов отделки и т.д.) производится при помощи специализированного программного обеспечения (ПО). С помощью такого ПО осуществляется импорт данных с лазерного 3D сканера и преобразование облака точек в трехмерную модель.
Многие 3D сканеры также оснащены фото-видеокамерами, с помощью которых можно определить область сканирования, произвести визуальный контроль произведенных измерений, а также придать облаку точек естественный цвет.
Результат и применение наземного лазерного сканирования
Как мы уже писали, результатом любого вида лазерного 3D сканирование является получение облака точек.
Постобработка полученных с прибора данных осуществляется с учетом их последующего применения, т.е. зависит от того, для каких целей производилось лазерное сканирование.
В свою очередь применение результатов наземного лазерного сканирования достаточно обширное, посудите сами:
Стоит отметить, что зачастую геометрия и конструктив объектов не позволяет произвести их изучение традиционными методами и лазерное сканирование остается единственным возможным способом.
При этом непосредственно наземное лазерное сканирование имеет один большой минус – использовать его на объектах значительной протяженности или большой площади нецелесообразно. Для решения подобных задач используются мобильное и воздушное лазерное сканирование соответственно, о которых более подробно можно прочитать в наших статьях: «Мобильное лазерное сканирование» и «Воздушное лазерное сканирование».
Правда не забываем, что точность наземного лазерного сканирования превышает точность своих «собратьев», а значит надо учитывать разумность применения каждого из видов сканирования в зависимости от поставленных задач.
Воздушное, мобильное и наземное лазерное сканирование
В данной статье рассмотрим:
Лазерное сканирование — это высокоскоростное измерение расстояния от сканера до поверхности объекта, при этом регистрируются углы замера с последующим формированием трёхмерного изображения в виде облака точек.
Виды сканирования
Чем различаются наземное, мобильное и воздушное лазерное 3D-сканирование?
Между технологиями лазерного сканирования большое различие в методике 3D-съёмки, в используемых приборах, в методах регистрации и обработки массивов измерений. Соответственно, различен и достигаемый результат измерений. И в первую очередь — по точности.
Условно, по реальной точности разных методов измерений (не точности самих приборов) и по производительности работ, типы съёмки можно охарактеризовать так:
Наземное лазерное сканирование (НЛС) работает в сантиметровом диапазоне точностей (нормально 2-4 сантиметра) и лишь при существенных усилиях можно получить 3D-съёмку лучше 1 см. В процессе съёмки исполнители перемещаются по земле, устанавливая сканер на неподвижный штатив и производя 3D-сканирование. Расположение таких станций выбирается с целью лучшего охвата измерениями деталей и элементов объекта работ. Таким образом, сканирование выполняется с любых точек (где на объекте окажется возможным установить штатив с прибором), наиболее полно и с минимумом теневых зон. Производительность сильно зависит от насыщенности объекта измерений различными элементами. В условиях низкой насыщенности можно говорить о 10-20 Га за день работ одним сканером. При съёмке насыщенных промышленных объектов порой и 1 Га бывает отличным результатом. В НЛС производительность и объём работ правильнее измерять количеством сканов, а не площадью.
Мобильное лазерное сканирование (МЛС) работает в дециметровом диапазоне точностей (нормально 2-5 дециметров). В зависимости от качества съёмочного обоснования, от условий измерения траектории движения сканера и от характеристик самого объекта, возможно получение точностей 5-10 см. Поскольку лазерный сенсор располагается на транспортном средстве, то сканирование возможно лишь с пути его следования. То есть, в зону съёмки попадёт только то, что сканер «увидит» с дороги. Например, при сканировании здания ж/д вокзала с поезда, в съёмку попадёт только один фасад здания и вскользь — торцевые. Центральный фасад, привокзальная площадь и прочее — окажутся в тени. Производительность съёмки зависит от числа помех по ходу движения (встречные транспортные средства). Из-за них приходится переснимать участки, проезжая по одному маршруту несколько раз. Обычно, за день можно уверенно снять порядка 1000 Га., но производительность МЛС правильнее измерять погонными километрами дорог, а не площадью.
Воздушное лазерное сканирование (ВЛС) работает в метровом диапазоне точностей (нормально 0,5-1,2 метра). В зависимости от погодных условий полёта, от качества съёмочного обоснования, от условий измерения и корректировки траектории движения сенсора — возможно получение точностей порядка 30-40 см. Конечно, с подобной точностью план кровли под реконструкцию не получить, но плюсы технологии в другом. В отличии от предыдущих методов съёмки (пешком с земли и с транспортного средства), воздушная съёмка не ограничена возможным перемещением сенсора: «с верху видно всё». Теневые зоны будут лишь от возвышенных горизонтальных объектов (пышные кроны деревьев, навесы и крыши зданий). За один полётный день в благоприятных условиях возможно снять десятки тысяч гектар территории или коридоры протяжённых объектов (ЛЭП, дороги, трубопроводы).
Отмечу, что применительно ко всем типам лазерных съёмок: повышение точности и детальности ведут к существенному увеличению как технических мероприятий, так и трудовых затрат, а значит — к удорожанию работ. Поэтому, в технических заданиях следует тщательнее соизмерять реальные потребности с бюджетом конкретного проекта. То есть тезис «Снять нужно абсолютно всё и как можно точнее» — это всегда окажется дорого. А вот конкретика: «Интересуют несущие строительные конструкции с точностью 4 см.» — смета сразу окажется в 2-3 раза меньше.
Далее рассмотрим типы 3D-съёмок подробнее.
Воздушное лазерное сканирование в геодезии
Современная 3D-технология «воздушное лазерное сканирование» (ВЛС) – это качественное развитие традиционных аэрофотосъёмочных технологий. Сканирование проводится с борта летящего самолета или вертолета и позволяет за один полётный день выполнить съёмку тысяч гектар поверхности земли. Получаемые трёхмерные данные содержат полную пространственно-геометрическую информацию о рельефе местности, растительном покрове, гидрографии и расположении всех наземных объектов в полосе съёмки. При больших объёмах, стоимость работ ВЛС существенно дешевле, чем привычная топографическая съёмка тахеометрами.
Сегодня ВЛС активно используется при:
создании топографических планов различных масштабов вплоть до 1:1000;
построении цифровых моделей местности;
исследовании линейных и площадных объектов;
управлении водным и лесным хозяйством;
изучении природных и техногенных процессов;
инвентаризации земельно-имущественного комплекса;
градостроительстве, моделировании процессов развития города;
инспекции линий электропередач;
строительстве и реконструкции автомобильных и железных дорог.
Основные характеристики системы:
Система LIDAR позволяет с воздушного судна измерять расстояния до всех видимых объектов на поверхности земли.
За одну секунду выполняется порядка 300 тысяч измерений (точек) на поверхности объектов.
Съёмка территории ведётся полосами с углом обзора порядка 60 градусов.
Точность данных, полученных системой LIDAR, зависит от используемого оборудования, GPS-обстановки и условий полёта.
Преимущества технологии ВЛС:
Съёмка с высоты полёта позволяет получить недоступные с земли элементы объектов.
Из-за минимума горизонтальных «слепых зон» — высокая детальность материалов.
Все данные поступают сразу в цифровом виде.
Возможность получения истинного рельефа таких труднодоступных и чересчур обременительных для съемки традиционными методами мест как: тундра, пустыня, заснеженная территория.
Быстрое получение результата сканирования: массив измерений (облако точек), представленный в единой системе координат. После постобработки – топографические планы масштаба от 1:1000 и трёхмерные цифровые модели местности.
Мобильное лазерное сканирование в геодезии
Допустим, необходимо выполнить не привычную планово-высотную съёмку, а полноценную трёхмерную съёмку, например, городского района. ВЛС быстро и качественно позволяет снимать наклонно-горизонтальные поверхности площадных объектов. При этом, фронтальные поверхности объектов снимутся значительно хуже. Конечно же можно дополнить съёмку, применив технологии НЛС. Но у этих технологий существенная разница в производительности. Решение простое: система LIDAR немного трансформируется и устанавливается на автомобиль. При этом, либо увеличивается число сканирующих лазерных сенсоров, либо используется один широкоугольный. Как и в ВЛС, съемка осуществляется в постоянном движении и реальном времени. Это и есть мобильное лазерное 3д сканирование (МЛС). Система может быть установлена на любое передвижное средство, например, поезд.
Методика МЛС позволяет проводить съемку всех объектов по курсу движения транспортного средства. Здания, сооружения, дорожное полотно, уличная инфраструктура, ЛЭП, мосты, туннели и т.д. Принципы и точность съёмки схожы с ВЛС.
Работы могут производиться в любое время суток не мешая транспортному потоку. Средняя скорость движения съемочного комплекса – до 70 км/час. Так, поезд, оборудованный подобной системой, способен в течение суток отснять около 1200 погонных километров путей (в одном направлении) с шириной полосы сканирования в десятки метров. Автомобилю достаточно 2-3 раза проехать по улице, что бы получить не только дорожную инфраструктуру улицы, но и прилегающие к ней территории.
МЛС используется в следующих сферах: