Часто задаваемые вопросы о наземном лазерном сканировании

Получить подробный план уже существующих зданий

При реконструкции или модернизации здания требуется его подробный план, чтобы по размерам изготовить новые элементы для замены старых. Часто его либо нет, либо он не соответствует действительности.

3D-сканирование здания помогает получить точные данные. Например, при восстановлении Собора Парижской богоматери после пожара, случившегося весной 2019 года, использовали BIM-модель, ее создавали по старым фотографиям и данным лазерного сканирования.

В России технология лазерного сканирования тоже успешно применяется. Пример — бывшее здание Министерства экономического развития России на Овчинниковской набережной. Здание площадью более 40 тысяч квадратных метров, построенное в 1956 году, приспосабливали под современные нужды.

Для того чтобы изготовленные элементы фасада, в том числе лепные, подошли, нужны были актуальные чертежи. Съемку проводили одновременно с демонтажными работами.

Мнение эксперта

Рассказывает Константин Баранов:

«Мы снимали здание поэтажно: приехали, сняли, рабочие демонтировали этаж — мы снова выполнили съемку, и так далее. Всего сделали более тысячи стоянок лазерного сканирования. Съемка одного этажа в среднем занимала 5−6 часов, в зависимости от его конфигурации. Обход по фасадам — 7 часов. В итоге получилась громоздкая система — облако точек весом больше 500 гигабайт.

Результатом нашей работы стал классический комплект плоских чертежей, облако точек и 3D-модель участка верхнего карниза. Достоверно все эти данные можно было получить только с помощью лазерного сканирования из-за особенностей геодезического сопровождения демонтажных работ и наличия декоративных элементов. Да и создать точную модель здания высотой 40 метров и поддерживать ее, в том числе дорисовывать «слепые зоны», непрерывно в течение нескольких месяцев другим способом было бы невозможно».

Константин Баранов, специалист по лазерному сканированию компании

Чертеж, выполненный на основе данных лазерного сканирования компанией «Гектар Групп»

Горизонтали с отображением высот

3D-модели, совмещенные с топопланом М 1:500, предназначаются для:
– разработки генеральных планов и проектов размещения строительства;
– составления технических проектов промышленных и горнодобывающих предприятий;
– составления генеральных маркшейдерских планов разрабатываемых нефтегазовых месторождений, проектирования обустройства месторождений и решения горнотехнических задач;
– земельного кадастра и землеустройства;
– проектирования и строительства гидроузлов, плотин, ГЭС и т.д. Цифровая модель рельефа формируется по данным наземного лазерного сканирования.

Необходимым условием ее получения является проведение полного комплекса работ по наземному сканированию, а также камеральных работ по классификации, разряжению и регуляризации (при создании регулярной модели) ТЛО и созданию триангуляционных моделей рельефа.

Нетекстурированные модели рельефа могут быть представлены как в виде триангуляционных сетей (рис. 1), так и горизонталей, расположенных на соответствующих высотах (рис. 2) в любом программном обеспечении, поддерживающем подобное представление данных (AutoCAD, Land, Microstation, Credo и т.п.).

Данный вид продукции является полностью трехмерным отражением реального рельефа местности на момент производства съемочных работ, что позволяет использовать его для решения следующих прикладных задач:
– определения любых геометрических параметров (расстояний, размеров, высот и т.п.) рельефа;
– построения профилей и сечений;
– построения горизонталей рельефа;
– проведения проектно-изыскательских работ;
– мониторинга состояния местности;
– определения объемов перемещенного грунта.

Цифровая модель промышленных объектов и зданий формируется по данным наземного лазерного сканирования. Источником для ее формирования служат точки лазерных отражений.

Необходимым условием получения модели является проведение полного комплекса работ по наземному сканированию, камеральных работ по классификации и разряжению точек лазерных отражений, а также созданию твердотельных моделей объектов.

Модели промышленных объектов и зданий могут быть представлены в виде совокупности объектов твердотельного моделирования в любом программном обеспечении, поддерживающем подобное представление данных (AutoCAD, Land, Microstation, SolidWorks и т.п.).

Данный вид продукции является полностью трехмерным отражением реального состояния объекта на момент производства съемочных работ, что позволяет использовать его для решения следующих прикладных задач:
– определения любых геометрических параметров технологических элементов и инженерных конструкций (расстояний, размеров, высот, объемов и т.п.);
– построения профилей, сечений и разрезов;
– построения планов объекта;
– проведения проектно-изыскательских работ;
– мониторинга состояния объектов и технологического оборудования;
– прогнозирования и анализа последствий ЧС.

Фотопанорамы формируются по данным панорамной фотосъемки, различной технической и иной документации в различных форматах (jpg, avi, mp3 и др.).

Панорамные фотосхемы позволяют передвигаться по объекту работ путем перемещения между станциями съемки. Каждая станция представляет собой цилиндрические или сферические закольцованные фотоизображения со ссылками на топографический план или модель.

При объединении нескольких фотопанорам создаются VR-туры. Возможно получение комбинированного продукта – геопривязанных фотосхем и VR-туров. Эти продукты создаются по цифровым фотоснимкам высокого разрешения и позволяют получить полноценную визуальную информацию. Конечная модель может быть нагружена любой технической информацией (схемы, фотографии, видео и пр.).

Геопривязанные панорамные фотосхемы возможно представить в виде одного или нескольких файлов панорамных фотосхем в программном обеспечении QuickTime, связанных с файлом в формате dwg (содержащим пространственное расположение панорамных фотосхем), VR-туры – в виде проекта html, содержащего панорамные фотосхемы и любую иную сопутствующую информацию.

Формат конечного результата, совместимость с САПР

По окончанию работ по лазерному сканированию заказчику могут передаваться следующие материалы:

• трёхмерная геометрическая твердотельная модель промышленного оборудования в форматах AVEVA PDMS, E3D, Intergraph SmartPlant, Intergraph SmartMarine, Bentley Microstation, Autodesk AutoCAD, Revit и др.,
• интеллектуальная 3D-модель в форматах AVEVA PDMS, Intergraph SmartPlant,
• точечная модель (облако точек),
• топографический план М1:1000, М1:500, М1:200 и крупнее, набор чертежей (планы, разрезы), схем, всевозможных измерений в графическом и табличном видах (координаты, расстояния, радиусы, уклоны и т.д.), тарировочная таблица,
• трехмерная модель в виде нерегулярной сети (TIN-модель) в форматах STL, OBJ, VRML, X3D, U3D, PLY, 3D модель в виде NURBS-поверхности в форматах IGES, STEP,
• карта отклонений реального объекта от проекта,
• трехмерная модель в интерактивной среде («бродилка»), видеоролик с залетом,
• отчёт о выполненной работе, включая отчет о построении сети съёмочного обоснования, отчёт о геопривязке, отчёт о проверке точности.

Импорт данных сканирования в САПР возможен в трех видах:

• облако точек,
• твердотельная геометрическая (примитивная) 3D модель,
• интеллектуальная 3D модель.

Облако точек является наиболее оперативным и низкозатратным результатом. Производители САПР AVEVA, Intergraph, Autodesk и др. уже имеют готовые решения для работы с облаком точек. Например, AVEVA Laser Modeller, E3D работают непосредственно с облаком точек. В дополнение к ним существует целый ряд компаний, выпускающих плагины для распространенных САПР: Kubit, Leica Geosystems, VirtualGEO и др. Подобные плагины способны не только загружать облака точек в стандартные системы проектирования, но и выполнять обработку на достаточно серьезном уровне. Облако точек является пространственной подложкой для дальнейшего проектирования и несет в себе информацию только о геометрии объекта. При этом возможно пользоваться непосредственно облаком точек при проектировании промышленного объекта, а возможно построить 3D модель существующего промобъекта в самой среде САПР.

Во втором случае создание твердотельной геометрической модели по облаку точек производится в специализированном программном обеспечении на нашей стороне. В итоге заказчик получает файл с готовой геометрической моделью.

В третьем случае по облаку точек строится интеллектуальная 3D модель. Для создания модели используются спецификации, стандартные или полученные от заказчика.

Зачастую целесообразно использовать комбинацию двух подходов – часть территории смоделировать, а на оставшуюся часть иметь облако точек. При этом часть модели может иметь примитивный геометрический вид, а часть – интеллектуальный.

Характеристики лазерного сканирования

Хотя первые сканирующие системы появились относительно недавно, технология лазерного сканирования показала свою высокую эффективность и активно вытесняет менее производительные методы измерений.

Преимущества наземного лазерного сканирования:

• высокая детализация и точность данных;
• непревзойденная скорость съемки (от 50 000 до 1 000 000 измерений в секунду);
• безотражательная технология измерений, незаменимая при выполнении работ по лазерному сканированию труднодоступных объектов, а также объектов, где нахождение человека нежелательно (невозможно);
• высокая степень автоматизации, практически исключающая влияние субъективных факторов на результат лазерного сканирования;
• совместимость полученных данных с форматами программ по 2D и 3D проектированию ведущих мировых производителей (Autodesk , Bentley , AVEVA , Intergraph и др.);
• изначальная «трехмерность» получаемых данных;
• низкая доля полевого этапа в общих трудозатратах.

Применение 3D лазерного сканирования выгодно по нескольким причинам:

• проектирование с использованием трехмерных данных геодезических изысканий не только упрощает сам процесс проектирования, но главным образом повышает качество проекта, что минимизирует последующие расходы на этапе строительства,
• все измерения проводятся крайне быстрым и точным методом, исключающим человеческий фактор, степень достоверности информации повышается в разы, уменьшается вероятность ошибки,
• все измерения проводятся безотражательным способом, дистанционно, что увеличивает безопасность работы; например, нет необходимости перекрывать автостраду для съемки поперечных сечений, возводить строительные леса для измерения фасада,
• технология лазерного сканирования интегрируется с большинством САПР (Autodesk AutoCAD , Revit , Bentley Microstation), а также с «тяжелыми» средствами проектирования, такими как AVEVA PDMS , E3D , Intergraph SmartPlant , Smart3D, PDS.
• результат изысканий получается в различных видах, от выходного формата зависит цена лазерного сканирования и сроки работ:
  • трехмерное облако точек (определенные САПР работают уже с этими данными),
  • трехмерная модель (геометрическая, интеллектуальная),
  • стандартные двумерные чертежи,
  • трехмерная поверхность (TIN, NURBS).

Процесс лазерного сканирования состоит из трех основных этапов:

• рекогносцировка на местности,
• полевые работы,
• камеральные работы, обработка данных

Лазерное сканирование в режимах SLAM/LOAM

Лазерное сканирование без использования GNSS быстро развивается. Системы обычно состоят из недорогих лазерных сканеров и инерционных единиц измерения. Данные лазерного сканирования используются, а в некоторых случаях дополняются визуальной одометрией с камер, для компенсации движений сенсорной системы, для калибровки низкоэффективного IMU и для отслеживания положения датчика и / или платформы. Эти картографические решения предоставляют трехмерные данные в реальном времени или почти в реальном времени для задач с умеренной точностью. Разработка стала возможной благодаря миниатюризации датчиков и режимм SLAM (simultaneous localization and mapping — одновременная локализация и картографирование) и LOAM (Lidar odometry and mapping — лидарная одометрия и картографирование) и связанных с ними алгоритмов. В частности, многослойное сканирование дает достаточную информацию для оценки перемещений платформы по одному сканированию. Алгоритмы для сопоставления сканирования с такими данными работают достаточно хорошо и надежно, чтобы дать хорошие оценки позиции. Несколько примеров — системы Gexcel HERON, GeoSLAM Zeb Horizon и Kaarta Stencil, основанные на сканере Velodyne Lidar Puck. Примечательно, что многие компании планируют выпустить на рынок аналогичные сенсорные продукты, в том числе устройства от RoboSense и Ouster.

В области наземного лазерного сканирования автоматизированная регистрация сканирования стала интересной разработкой, реализованной в Leica RTC360. Сканер снабжен инерциальными измерениями с увеличенным изображением, чтобы компенсировать перемещения между станциями сканирования, тем самым ускоряя процесс сканирования на месте. Кроме того, использование лазерного сканера для измерения затопленных конструкций и объектов вызывает все больший интерес в морской отрасли, а системы локализации на основе кинематики, использующие инерциальные методы и методы сопоставления данных, применяются аналогично наземным аналогам.

Ранцевый лазерный сканер запечатлел конус магматических выплесков и прилегающее лавовое поле. Такие приложения позволяют лучше понять природные процессы и уменьшить опасность, но также предоставляют возможности для разведки и исследования

Основные виды лазерного сканирования

В зависимости от сложности объекта, его величины и технических особенностей, вам могут быть предложены следующие виды лазерной съемки:

1. Наземное лазерное сканирование. Оно производится с помощью статичного прибора. Визуализация объекта происходит путем наведения визира, или же путем предварительного сканирования при небольшой плотности координатных точек. Затем проходит более детальное моделирование каждой отдельной поверхности и сбор всех полученных данных в единый массив. Для проведения этого типа работ не требуется установка дополнительных отражателей, меток или маркеров.
2. Мобильное сканирование. Съемка проходит с помощью все тех же приборов, но они при этом закреплены на транспортное средство. Оно, в свою очередь, движется по установленному маршруту для сбора необходимых данных. Сами приборы обладают встроенными компенсаторами наклонов и вибраций, а также очень жестко крепятся к своему «носителю». Все это позволяет избежать каких-либо неточностей, которые могли бы возникнуть за счет осуществления съемки в движении.
3. Сканирование с воздуха. Такой тип работ считается наиболее быстрым и детальным. Он позволяет получить картинку местности с учетом всех особенностей рельефа. При этом можно установить определенную ярусность, чтоб в дальнейшем иметь возможность отдельно работать с объектами инфраструктуры, земной поверхностью, зданиями и пр.

Что такое лазерное сканирование?

Что необходимо сделать для построения точной трехмерной 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 трудоемкую 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 точностью нескольких миллиметров.

Принцип работы электронного тахеометра основан на отражении узконаправленного лазерного пучка от отражающей цели и измерении расстояния до нее. Отражателем в общем случае служит специальная призма, которая крепится на поверхности объекта. Измерение двух углов (вертикального и горизонтального) и расстояния дает возможность вычислить трехмерные пространственные координаты точки отражения. Скорость измерения тахеометра невысока (не более 2 измерений в секунду). Такой метод эффективен при съемке разреженной, малозагруженной объектами площади, однако даже и в этом случае сложность, с которой приходится сталкиваться при креплении отражающих призм (на большой высоте, в труднодоступном месте), зачастую оказывается непреодолимой.

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 подъема 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.

При использовании метода традиционных тахеометрических измерений, сколько времени, например, потребуется для детальной съемки фасада здания высотой 20 м или цеха металлургического завода площадью 2 га? Недели, месяцы? Применение безотражательного тахеометра может значительно сократить сроки, но, тем не менее, даже в данном случае специалист проведет за прибором долгие часы и дни. А с какой же плотностью он сможет выполнить съемку фасада — одна точка на квадратный метр? Навряд ли этого будет достаточно для построения высококачественного подробного чертежа со всеми необходимыми элементами. А теперь представьте, что у вас есть безотражательный тахеометр, который ведет съемку автоматически, без участия оператора, со скоростью 5 тысяч измерений в секунду! Еще совсем недавно такое предложение представлялось не менее фантастичным, чем полет на Луну сто лет назад. Сегодня это стало так же реально, как и следы американских астронавтов или русского «Лунохода» на поверхности нашего небесного соседа. Название этого чуда — лазерное сканирование — метод, позволяющий создать цифровую модель всего окружающего пространства, представив его набором точек с пространственными координатами.

3D-сканеры уже встраивают в смартфоны (LiDAR в новых устройствах Apple). Не произойдет ли так, что эта технология «убьет» профессиональные устройства 3D-измерений?

Григорий Аватинян. Предполагаемое вытеснение встроенными в iPhone лазерными датчиками расстояний профессиональных лазерных 3D-сканеров в чистом виде не стоит воспринимать всерьез. Будучи встроенным в телефон, камера с датчиком расстояний не сможет составить конкуренцию лазерным сканерам типа FARO, так как не будет иметь такой совокупности точности, скорости, повторяемости сбора данных, не будет обеспечивать метрологические требования, функционал и преемственность структур данных с используемым во всем мире ПО для проектирования и контроля геометрии при сканировании зданий, сооружений, крупногабаритных деталей и т.д.

Их просто нельзя сравнивать. Лазерный сканер геодезический типа FARO – профессиональный бесконтактный измерительный оптический прибор. А в iPhone просто сенсор для определения расстояний для расширения функционала камеры. Назначение такого сенсора (по сравнению с предыдущими моделями iPhone) – построение простой 3D-модели объекта с невысокой точностью.

Стоит учитывать и то, что 3D-сканирование в облако точек это всегда большой объем данных, и сканер лишь собирает данные с высокой точностью, качеством, надежностью и скоростью, а обрабатывает их мощный ПК.

Уровень, назначение и позиционирование устройств здесь совершенно разные. Прежде чем появится устройство как продукт не уступающее лазерным геодезическим сканерам FARO по характеристикам и функционалу и умещающийся в такой новый сенсор камеры телефона с функцией контроля расстояний в угле обзора камеры, пройдут десятилетия, и изменится, возможно, вообще в целом философия и концепция электронных портативных устройств.

В продолжении этого материала мы рассматриваем вопросы обработки данных сканирования крупных объектов в программном обеспечении. Читайте статью Как ускорить проектирование в строительстве: FAQ по программным продуктам FARO

Статья опубликована 23.04.2021 , обновлена 24.08.2023

Основными преимуществами использования лазерных технологий сканирования можно назвать:

1. Большие дистанции работы с данным инструментом, которые могут достигать расстояний от одного метра до нескольких километров, без необходимости проникать в опасные или труднодоступные участки; 2. Высокая точность получаемых данных, в сочетании с высокой степенью детализации; 3. Скорость получения измерений, достигающая 500 000 измерений за одну секунду; 4. Возможность выполнять трехмерные измерения на основании полученных данных; 5. Сплошное измерение объекта, без использования выборочных элементов.

Самые распространенные области применения наземного лазерного сканера:

1. Выполнение обмерных работ на зданиях, сооружениях, создание 3D моделей памятников и скульптур; 2.Выполнение 3D моделей фасадов и 3D интерьеров; 3.Выполнение моделей лепных элементов в архитектуре зданий; 4.Разработка 3D документации; 5. Реставрационные работы по восстановлению произведений искусства; 6. Моделирование автомобилей, объектов промышленного и гражданского строительства; 7. Создание проектной документации на уже существующий объект; 8.Компьютерная анимация. Применение такого прибора, как наземный лазерный сканер, является наиболее эффективным, при необходимости оперативного получения подробных трехмерных данных объектов, имеющих сложные геометрические формы.

Технология 3D лазерного сканирования зданий позволяет получить данные в виде облака точек о размерах, положении и конфигурации объекта. Она применяется как на этапе проектирования, так и при восстановлении документации на уже существующее здание. Рассказываем, как происходит лазерное 3D-сканирование объектов и какие преимущества оно дает.

Снимать труднодоступные здания и объекты сложных форм безопасно и быстро

Лазерное сканирование используется при:

• строительстве;
• ремонте или реконструкции;
• модернизации;
• восстановлении или актуализировании технической документации.

Преимущество технологии в том, что можно оцифровать объекты сложных геометрических форм. Например, отсканировать декоративные элементы.

Облако точек, полученное путем лазерного сканирования потолка в помещении. Съемка выполнена «Гектар Групп». Здесь и далее иллюстрации «Гектар Групп», если не указано иного

Лазерный сканер подходит для работы с объектами, к которым нет возможности подойти близко, и со зданиями большой площади. Дальность съемки такими приборами составляет сотни метров. Благодаря высокой скорости измерений, например, отснять фасады здания возможно за один день полевых работ.

Съемка фасадов лазерным сканером

Снимать труднодоступные здания и объекты сложных форм безопасно и быстро

Лазерное сканирование используется при:

• строительстве;
• ремонте или реконструкции;
• модернизации;
• восстановлении или актуализировании технической документации.

Преимущество технологии в том, что можно оцифровать объекты сложных геометрических форм. Например, отсканировать декоративные элементы.

Лазерный сканер подходит для работы с объектами, к которым нет возможности подойти близко, и со зданиями большой площади. Дальность съемки такими приборами составляет сотни метров. Благодаря высокой скорости измерений, например, отснять фасады здания возможно за один день полевых работ.

Сферы применения трехмерного моделирования

Трехмерное сканирование объектов позволяет создавать цифровые модели не только отдельных зданий и сооружений, но и целых комплексов или территорий. С его помощью можно получить точные данные даже при работе со сложными архитектурными формами. Это позволяет широко использовать метод для различных научных исследований, реставрации памятников и пр.

Также лазерное сканирование применяют для решения следующих задач:

• · создание трехмерного кадастра недвижимости; · проектирование или топографическая съемка элементов инфраструктуры, промышленных сооружений; · создание 3D моделей рельефа, сложных технологических объектов; · сохранение данных об архитектурном наследии; · съемка фасадов любой сложности; · получение информации о количестве насыпей и выемок грунта для предприятий горной промышленности; · слежение за деформациями готовых или строящихся объектов; · сбор данных для дальнейшего строительства объекта, его полной или частичной реконструкции, планового ремонта и т.д.

По сути, лазерное сканирование зданий и сооружений является универсальной технологией, тем не менее, существует ряд задач, для которых оно является единственным возможным вариантом решения. Так, к примеру, при проектировании реконструкции здания или контроля за его строительством, только этот метод позволит получить актуальную цифровую модель на каждом этапе. Также высокая автоматизация гарантирует большую точность и достоверность информации при архитектурных обмерах, геодезической съемке интерьеров и фасадов зданий.

Отдельно стоит сказать о применении лазерного сканирования при съемке объектов транспортной инфраструктуры. Преимущество метода заключается в том, что для его использования нет необходимости останавливать движение. Так, можно получить данные о состоянии различных транспортных объектов – мостов, тоннелей, автодорог – без каких-либо неудобств. Это часто необходимо для создания топографических планов, электронных банков данных, проектирования реконструкции или ремонтных работ.

Наземное лазерное сканирование позволяет осуществлять геодезический контроль в горной промышленности. Так, с помощью современных приборов можно получить точные данные о шахтах, тоннелях, открытых выработках и пр. При этом можно контролировать оползневые процессы, проверять устойчивость бортов штолен и карьеров.

В археологии трехмерное моделирование востребовано в целях сохранения точных данных об исследуемых памятниках. Эта информация может использоваться как в научных целях, так и в качестве виртуального музея. Также сканирование применяют для фиксации находок и мест раскопок.