«Мир измерений», cентябрь 2023.
Рубрика: Метрологическое оборудование.
Автор: Ю.М. Фильцев.
Технология наземного лазерного сканирования значительно упрощает процесс контроля эксплуатации и строительства объектов любой сложности. Она может использовать как самостоятельный, так и дополнительный инструмент к традиционным методам. Объем получаемых данных в совокупности с простотой их получения может оказать неоценимую помощь специалистам, заинтересованным в получении геопространственной информации об объекте. В данной статье мы рассмотрим технологию на примере новых приборов из Китая, позволяющих собирать информацию об объектах наземным методом сканирования.
О наземном лазерном 3D-сканировании
Наземное лазерное 3D-сканирование – это метод получения облака точек с помощью лазерного 3D-сканера. Помимо информации о расположении в системе координат, данные точек могут содержать в себе информацию о цвете, силе отражения сигнала, код и прочее.
Способы перемещения и позиционирования оборудования могут отличаться. Один прибор можно устанавливать на штативе, другой может обладать системой инерциального позиционирования, ввиду чего его можно перемещать в пространстве во время сессии 3D-сканирования. Но вне зависимости от способа и метода съемки данную технологию объединяет один главный фактор: НЛС – это самый быстрый метод получения полных и точных данных о геометрических параметрах объекта.
Принцип лазерного 3D-сканирования заключается в определении координат точек. Для этого прибор выпускает лазерный луч по направлению к объекту. Достигнув поверхности, часть лазерного пучка, отраженного от объекта, возвращается обратно к детектору. Рассчитав время прохождения луча, горизонтальный и вертикальные углы, добавив к ним семантические описания, сканер регистрирует данные, формируя цифровую модель окружающего пространства. Отдельно нужно отметить, что весь этот процесс происходит за десятки наносекунд, что и выделяет оборудование, использующее технологию лазерного 3D-сканирования, в категорию технически сложных средств, востребованных во многих сферах применения.
Полученные данные могут быть использованы для создания точных 3D-моделей, измерений, анализа геометрии объектов и поверхностей. Наземное лазерное 3D-сканирование широко применяется в топографических работах, для съемки мостовых сооружений, путепроводов, эстакад, при обследовании линейных объектов, построении модели рельефа, обследовании зданий и сооружений, памятников архитектуры или оцифровке городской инфраструктуры.
Производительность метода в значительной мере зависит от того, насколько объект насыщен разными деталями и элементами. Чем больше и сложнее геометрия исследуемого объекта, тем более метод становится востребованным. Если для решения задачи требуется повышенная точность, рекомендуется применять приборы, использующие штативный метод съемки.
При таком методе процесс 3D-сканирования начинается с установки лазерного 3D-сканера в заданной позиции для обмера помещения или объекта на неподвижный штатив. Место установки штатива определяется так, чтобы добиться максимально полного охвата объекта, минимизируя количество теневых зон. Если размер исследуемого объекта достаточно велик или теневых зон не удается избежать полностью, пользователю требуется переместить сканер на новую позицию и произвести съемку еще раз. Процедуру требуется повторить столько раз, сколько необходимо для получения желаемого результата. Впоследствии данные сессии необходимо будет совместить в программном обеспечении для получения цифровой модели. Данная цифровая модель станет основой для дальнейшего обмера, формирования чертежа или твердотельной 3D-модели объекта. От выбранной модели 3D-сканера зависят многие характеристики, основные из них можно выделить:
• точность – в большинстве случаев колеблется в диапазоне от 5 до 50 мм;
• время сканирования – колеблется от 45 секунд до нескольких минут;
• дальность – может варьироваться от 100 до 1000 м.
Преимущества НЛС
Процесс сбора данных в высокой степени автоматизирован. Управление сведено к минимальному набору кнопок. Разобраться и приступить к работе может практически любой пользователь даже без профильного образования.
Быстрота получения данных 3D-сканирования: за один рабочий день можно провести обмер объекта площадью до 1000 кв.м. Если не хватает данных на чертеже, замерять повторно нет необходимости – достаточно открыть облачную 3D-модель и получить оттуда необходимый размер.
Простота в использовании 3D‑сканера уменьшает количество ошибок, снижает влияние человеческого фактора и утомляемость оператора, повышает производительность.
НПО «3Д-Интеграция» (i3D) зарекомендовала себя на российском рынке авторитетным экспертом в сфере автоматизированного контроля геометрии и обратном инжиниринге с использованием 3D‑сканеров. На протяжении 7 лет компания была поставщиком цифровых решений для лазерного 3D‑сканирования и поставляла оборудование для российских компаний для решения различных задач.
3D-сканер AM.TECH GLS10
3D-сканер AM.TECH GLS10 (рис. 1) является профессиональным комплексом и включает в себя множество датчиков позиционирования, измерения и записи данных, панорамную камеру, систему питания.
При этом AM.TECH GLS10 имеет сверхлегкую и компактную конструкцию. Эргономичная интеграция качественных элементов обеспечивает быстрое и эффективное получение облаков точек в цвете (палитра RGB). Совокупность характеристик позволяет использовать оборудование для решения широкого круга задач во множестве отраслей.
Так, новое поколение лазерных 3D-сканеров применимо:
• при подземных и горных работах;
• строительстве;
• цифровизации предприятий;
• обследовании зданий и сооружений;
• калибровке промышленных резервуаров;
• управлении инфраструктурой; обмерах помещений;
• в топографии;
• при авторском надзоре —
• и в прочих сферах.
Основные характеристики:
• при транспортировке сканер помещается в удобный кейс (габариты 428 × 350 × 230 мм) (рис. 2);
• система весит всего 3,2 кг. В рабочем состоянии основной модуль устанавливается на удобный фотоштатив. Его можно легко переносить с места на место;
• для питания используется встроенный аккумулятор. Его емкости хватает на 6 часов работы;
• модуль для лазерного 3D-сканирования представляет собой лидар (LiDAR), основанный на принципе времяпролетной 3D-камеры (Time of Flight (ToF)). Он использует мощные оптические импульсы длительностью в наносекунды для сбора информации. В модуле используется лазер класса I с длиной волны 905 нм. Он обеспечивает скорость сбора информации до 320 000 точек в секунду;
• компактная панорамная камера обладает широким полем зрения – 360° по горизонтали и 268° по вертикали, а ее 18‑мегапиксельная матрица обеспечивает разрешение 6080 × 3040 пикселей;
• профессиональное программное обеспечение позволяет без лишних усилий собирать данные, быстро исправлять ошибки и получать результаты с высокой точностью;
• работа в режиме двойного сканирования, которое значительно повышает точность сбора данных;
• результаты 3D-сканирования можно записывать и передавать через USB-накопитель емкостью 64 Гб.
3D-сканер AM.TECH MLS10
Второй 3D-сканер, о котором мы вам расскажем, – это AM.TECH MLS10. Он был разработан для быстрого и удобного создания сшитого облака точек сразу на объекте съемки. Для этого, помимо использования технологий, присутствующих в сканере MLS10, в него включена инерциальная система.
3D-сканер AM.TECH MLS10 – это портативный ручной сканер. Его отличительная особенность – использование технологии SLAM в совокупности с вращающимся сенсором на 360°. Помимо этого, устройство допускает два типа использования – это ручной режим и режим с креплением на рюкзаке. Благодаря этому система может эффективно применяться для съемки как площадных, так и линейных объектов (рис. 3).
Прибору можно найти применение при цифровизации объектов любой сложности: архитектурном моделировании, создании цифровых музеев и архивов, съемке зданий и заводов, туннелей, шахт и линий метрополитена.
Он имеет следующие характеристики:
• общий вес системы – всего 1,7 кг;
• для питания используется встроенный аккумулятор, емкость которого рассчитана на четыре часа работы;
• результаты 3D-сканирования можно хранить на встроенном накопителе объемом 128 Гб или сохранить на флеш-диск;
• в основе системы – лазер класса I с длиной волны 905 нм и скоростью 3D-сканирования до 320 000 точек в секунду;
• 3D-сканер обладает полем зрения 268 × 360°. Камера оснащена матрицей с разрешением 18 мегапикселей и имеет поле зрения 360°. В целом сканер обладает диапазоном измерений до 120 м;
• используя алгоритм 3D SLAM, можно быстро получать трехмерные цветные облака точек с высокой степенью детализации.
Регистрация облака точек в режиме реального времени наглядно отображает информацию о собираемом объекте (фото 1 и 2), а оптимизация алгоритмов для расчета и анализа траектории позволяет пользователю быть уверенным в качестве выполнения работы.
Обновленный бренд AM.TECH отличают динамика развития и улучшенное программное обеспечение. Еще недавно ПО для наземного сканера, которое поставляется в комплекте с 3D-сканером, было как приложение для сшивки и экспорта данных. Теперь это приложение является отдельным модулем в составе ультиплатформенной системы, которая обеспечивает возможность установки отдельных элементов для обработки наземного, воздушного и мобильного лазерного 3D-сканирования.
Таким образом, появляется возможность использовать единое информационное пространство для всего парка 3D-сканеров AM.TECH. Например, одна из проблем заключается в сложном 3D‑сканировании крыш и высоких элементов конструкции, что требует дополнительного использования дронов для выполнения поставленной задачи.
Обладая двумя аппаратами для наземного и воздушного сканирования, пользователь может объединять полученную информацию в одном окне без необходимости использования какой-либо дополнительной конвертации и обработки данных.
Наряду с мультиплатформенной системой можно выделить ряд новых функций:
• возможность сегментирования облака точек путем сложения, добавления и исключения инструментами выделения;
• полуавтоматическую регистрацию пары сопряженных станций;
• отчет о проценте перекрытия между станциями;
• улучшенное визуальное отображение облака точек путем добавления функции по отрисовке четких граней и прозрачного контура.
Полевое программное обеспечение также претерпело изменения:
• улучшен алгоритм исключения шумов на границах объектов со сложной поверхностью;
• улучшена стабильность записи и передачи данных.
Заключение
Еще в недавнем прошлом диспропорция стоимости оборудования и его полезный эффект не давали возможности широкого применения технологии лазерного сканирования. Открывшееся окно возможностей благодаря российскому производителю AM.TECH позволило нам не только получить приборы, способные конкурировать с европейскими и американскими аналогами в области оптических измерительных устройств, но и сделало данное оборудование доступным для значительной доли рынка.
Юрий Михайлович Фильцев,
заместитель руководителя отдела «Метрология» по направлению «Геодезия»
компании ООО «НПО «3Д-Интеграция»
***
РИА «Стандарты и качество»
Тел. +7 (495) 771-66-52, пишите на e-mail: podpiska@mirQ.ru
или оставляйте заявку на нашем сайте https://ria-stk.ru
Присоединяйтесь к сообществам издательства «Стандарты и качество»:
VK: https://vk.com/ria_stk
YouTube: https://www.youtube.com/channel/UCvW86WE6yIaFNZqK5swi70A
#СТандартыиКачество
