Лазерно-сканирующая система в информационном моделировании карьера "Вернинский". Часть 1 Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

DOI: 10.24411/2619-0761-2019-10045 УДК 622.1

ЛАЗЕРНО-СКАНИРУЮЩАЯ СИСТЕМА В ИНФОРМАЦИОННОМ МОДЕЛИРОВАНИИ КАРЬЕРА «ВЕРНИНСКИЙ». ЧАСТЬ 1*

Курбатова Вероника Владимировна - кандидат технических наук, доцент кафедры горного дела, Северо-Восточный государственный университет, vvnika@mail.ru

Аннотация: рассмотрены технические возможности трехмерной лазерно-сканирующей системы RIEGL VZ-2000 с целью использования их при информационном моделировании карьера «Вернинский».

Ключевые слова: лазерно-сканирующая система, сканер, маркшейдерские измерения, моделирование.

Ярактическое использование лазерно-сканирующих систем наряду с задачами эксплуатации лазерно-сканирующих устройств предполагает решение серьезных методических проблем, таких, как выбор оптимального режима съемки, оценка точности определения пространственных координат объектов того или иного класса. Однако наиболее интересным и перспективным аспектом применения технологии лазерного сканирования является создание математического аппарата обработки данных лазерной съемки, по результатам которой могут быть автоматически распознаны и полностью подготовлены к нанесению на топографическую карту или цифровую модель местности важнейшие компоненты объектов съемки. Такими компонентами являются: цифровая модель рельефа, растительность, здания и коммуникации, а также многие другие географические объекты естественного и антропогенного происхождения.

Лазерное сканирование и моделирование аналогично фотограмметрическим методам, но позволяет получать координаты с одной точки стояния и без последующей камеральной обработки - с возможностью контроля измерений непосредственно в полевых условиях. Кроме того, обеспечивается более высокая точность измерений по сравнению с фотограмметрическими методами при одинаковом удалении от снимаемого объекта. Необходимо отметить и такие преимущества лазерного сканирования как:

- возможность настройки некоторых моделей сканеров на фиксацию первого и/ или последнего отражения, что позволяет разделять отраженный сигнал от растительности и поверхности земли - «пробивать» растительность;

- упрощенная схема привязки к системе координат.

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

Решающим фактором, определившим успех лазерного сканирования (ЛС), является технологическая простота сбора пространственных данных по подстилающей поверхности. При использовании ЛС методов можно говорить о возможности непосредственной съемки рельефа и наземных объектов как естественных, так и имеющих антропогенную природу. Точность изображения компонентов рельефа и наземных объектов по результатам съемки, а также точность геометрических измерений составляет, как правило, 10...20 см, что позволяет использовать ЛС данные для создания и обновления топографических карт и планов полного масштабного ряда вплоть до масштабов 1:1000...1:2000.

Классификационный анализ наземных лазерных сканеров по техническим характеристикам. На сегодняшний день в мире

© ®

Содержимое этой работы может использоваться в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution 4.0. Любое дальнейшее распространение этой работы должно содержать указание на автора (ов) и название работы, цитирование в журнале и DOI.

производится значительное количество НЛС. Они представлены большим разнообразием моделей, отличающихся друг от друга техническими характеристиками, принципом действия, размерами и предназначением. Основными характеристиками НЛС, определяющими их возможности, являются дальность действия и точность. При этом, точность получения пространственных координат напрямую зависит от отстояния объекта от сканера (особенно в триангуляционных сканерах).

В свете вышеизложенного современные наземные лазерно-сканирующие системы классифицируются на приборы ближнего, среднего и дальнего радиуса действия:

- НЛС ближнего радиуса действия, обладающие высокой (до сотых долей миллиметра) точностью измерений, но при этом имеющие ограниченные дальность действия (до 10 м) и/или угол поля зрения (в пределах угла поля зрения объектива цифровой камеры). Такие сканеры имеют достаточно узкую спецификацию, многие из них являются стационарными;

- НЛС среднего радиуса действия сканеры, способные выполнять измерения с точностью до нескольких миллиметров на расстояниях до 80 м. НЛС этой группы имеют, как правило, достаточно большой угол поля зрения и высокую скорость выполнения измерений (до 500 000 точек в секунду);

- НЛС дальнего радиуса действия позволяют выполнять измерения на расстоянии до 1500 м. При этом их точность колеблется от 1 до 50 мм. Такие сканеры обладают близким к панорамному углом поля зрения (в горизонтальной плоскости) и высокой скоростью выполнения измерений (до 500 000 точек в секунду). НЛС последнего типа наиболее подходят для съемки объектов большой площади, так как обладают высокой производительностью при большой измерительной дальности.

Программные средства, применяемые для наземного лазерного сканирования.

Все производители НЛС предлагают свое ПО для управления сканером и обработки результатов сканирования. При этом большинство программ обработки позволяет решать прикладные задачи в различных

областях народного хозяйства. Например, фирма Riegl Laser Measurement Systems GmbH производит в настоящее время 1111 Riscan Pro, Trimble - 3D-Extractor, PointScape, RealWorks Survey, 3Dipsos. Кроме того, ПО, предназначенное для обработки результатов сканирования, выпускается фирмами, не производящими сканеры, например, GK Modeler НПП «Геокосмос», Rapi dF orm фирмы INUS Technologies.

Научно-производственным предприятием «Навгеоком» предложена классификация 1111, применяемых в технологии лазерного сканирования, в зависимости от функционального назначения.

Планово-высотное обоснование. Перед началом процесса съёмки лазерным с кан ер ом создаётся:

- основное планово-высотное обоснование;

- рабочее планово-высотное обоснование.

Основное планово-высотное обоснование создаётся путём использования:

1) GPS-измерений (в основном, на откр ытых участках съёмки);

2) традиционных линейно-угловых измерений электронными тахеометрами (или теодолитами и светодальномерами);

3) использованием комбинации GPS-из мере ний и линейно-угловых измерений.

Рабочее планово-высотное обоснование (система марок внешнего ориентирования с кан о в ) создаётся на базе основного ПВО по одной из схем: сканерный ход (рис. 1), с к а н - позиции (рис. 2), комбинированное ПВО (рис. 3).

Рис. 1. Схема 1 - сканерный ход

Рис.2. Схема 2 - скан-позиции

Рис. 3. Схема 3 - Комбинированное ПВО

Оптимальная конфигурация размещения точек рабочего ПВО (марок внешнего ориентирования) относительно лазерного сканера (ЛС) должна быть следующей:

- горизонтальные углы между направлениями на смежные марки внешнего ориентирования 60°...120°;

- превышение между этими марками должно бать как минимум 1,0 м, при этом, чем больше превышение между марками, тем меньше погрешность определения высотного положения лазерного сканера, соответственно точнее по высоте регистрируется скан (облако точек лазерных отражений от снятых объектов);

- расстояние от ЛС до марок внешнего ориентирования рекомендуется не более 30 м, поскольку чем больше расстояние между марками и сканером, тем больше высотная и плановая погрешности определения положения ЛС.

Установка наземных лазерных сканеров на станции Перед началом выполнения измерений на станции сканер необходимо установить на штатив или заменяющее его устройство. При выборе местоположения сканерной станции основным условием является максимальный захват видимого участка съемки, что во многом определяется углом поля зрения НЛС. Для сканеров, имеющих ограниченный угол поля зрения, используются различные варианты установки их на штатив, для обеспечения видимости на окружающие объекты (рис. 4).

а)

Рис. 4. Способы установки НЛС: а - вертикальная установка; б - горизонтальная установка; в - установка с изменяемым углом наклона; г - установка сканера с панорамным обзором

В моделях НЛС, имеющих ограниченный угол поля зрения в вертикальной плоскости, для захвата областей, близких к зениту, помимо вертикальной установки (рис. 4, а), практикуется установка в горизонтальное положение (рис. 4, б) или с произвольным

углом наклона (рис. 4, в). Данные способы установки актуальны только для сканеров с ограниченным вертикальным углом поля зрения, так как панорамные сканеры позволяют выполнять съемку в близких к зениту областях без наклона (рис. 4, г).

Выполнение измерений наземными лазерными сканерами. Процесс выполнения измерений на сканерной станции аналогичен для всех моделей НЛС и включает следующие этапы:

а) установление связи НЛС с управляющим ПО. Для управления процессами сканирования и обмена данными между сканером и управляющим компьютером используется управляющее ПО. Установление связи с управляющим ПО осуществляется путем кабельного или беспроводного подключения. В отдельных случаях, НЛС может иметь встроенный компьютер с монитором. Также может использоваться запись измерений не на внешний компьютер, а на съемные карты памяти различной емкости. После запуска, управляющего ПО и установления связи с НЛС выполняются измерения;

б) задание области сканирования. Управляющее ПО для различных моделей наземных сканеров содержит идентичные функции задания режимов сканирования и обмена данными. Задание области сканирования осуществляется по изображению поля зрения сканера. Для формирования таких изображений используются прямое видеоизображение или панорамный снимок, полученный с помощью встроенной видеокамеры. Недостатком такого снимка является то, что реальная область сканирования будет несколько отличаться от заданной вследствие несовпадения положения видеокамеры с приемо-передающим трактом дальномера. Другой способ формирования изображения поля зрения НЛС заключается в создании изображения по данным сканирования. В данном случае, перед выполнением основных измерений, выполняется сканирование в пределах поля зрения сканера с большим угловым шагом. На основе полученных измерений формируется плоский снимок поля зрения сканера, каждый пиксель которого соответствует единичному измерению и окрашен по интенсивности возвращенного сигнала. Данный способ позволяет задавать область сканирования, которая будет в точности соответствовать реальной. Также существует возможность задания области сканирования в угловых единицах;

в) задание шага сканирования. Большинство НЛС имеют возможность задания произвольных значений шага сканирования как в угловой, так и в линейной мере. Во втором случае в управляющем ПО указывается необходимое расстояние между съемоч-ны ми точками на определенном расстоянии, на о сн овании чего определяется соответствующий угловой шаг;

г) задание режима сканирования. Многие модели НЛС имеют функции з адания режимов сканирования, направленные на повышение точности измерений, что достигается несколькими способами. Первым является фокусировка лазерного луч а, осущ ествляемая вручную на фиксированное расстояние, или в автоматическом режиме для каждого измерения. Вторым с п о с о бом является увеличение количества приемов выполнения каждого измерения для последующего их осреднения.

Информационное моделирование карьера «Вернинский». Информационное моделирование карьера «Вернинский», расположенного в Бодайбинском районе Иркутской области в 136 км к северу от города Бодайбо, было выполнено трехмерной лазерной сканирующей системой RIEGL VZ-2000 отличающейся экстремально высокой скоростью измерений и высокой точностью сбора данных до 400,000 изм./сек и 240 скан линий/сек (рис. 5).

Система обеспечивает дальность измерений более чем 2000 м до естественных поверхностей и объектов, при этом лазерный луч абсолютно безопасен для глаз (Класс лазера 1). Уникальная технология RIEGL V-Line, в основе которой лежит оцифровка эхосигналов, анализ и обработка формы сигнала в режиме реального времени, позволяет выполнять измерения больших расстояний с высокой скоростью и точностью даже при неблагоприятных погодных условиях и при наличии нескольких отражений от множества целей, возникших по причине пыли, тумана, дождя и снега.

Режимы работы:

- автономный сбор данных осуществляется с помощью встроенной панели управления с цветным 3.5"TFT дисплеем;

Paiu+ры уымим ш ы

Рис. 5. Трехмерная лазерная сканирующая система RIEGL VZ-2000

- дистанционное управление через веб-интерфейс с использованием любого стандартного планшетного компьютера или мобильного устройства через Wi-Fi соединение;

- дистанционное управление по кабельному или беспроводному соединению с помощью ПО RiSCAN PRO, устанавливаемому на компьютер или ноутбук;

- пользовательские настройки, задаваемые через средства/приложения сторонних производителей на основании документально подтвержденных интерфейсов компании RIEGL и библиотек RiVLib;

Методы координатной привязки данных сканирования.

1. Автономная привязка данных:

- встроенный приемник GPS (L1) или подключенный внешний высокоточный приемник ГНСС в режиме RTK;

- встроенный компас, точность 1° (СКО для азимутального ориентирования инструмента);

- встроенный двухосевой датчик наклона (диапазон ±10°, точность ±0.008°).

2. Определение местоположение станции с помощью ГНСС-приемника:

- ГНСС-приемник (режим RTK или постобработка);

- встроенный двухосевой датчик наклона;

- автоматическое сканирование марок с известными координатами.

3. Привязка по контрольным точкам:

- точное и быстрое сканирование марок

для точного определения положения сканера по контрольным точкам

4. Определение местоположение станции п о точкам с известными координатами:

- установка на «известную точку»;

- встроенный двухосевой датчик наклона;

- высокоточное сканирование марок с известными координатами.

Основные особенности и компоненты сканера. Простота эксплуатации достигается благодаря встроенной панели управления с цветным 3.5"TFT дисплеем и дистанционному управлению по кабельному или беспроводному соединению через веб-интерфейс с использованием любого компьютера или мобильного устройства. Эффективный сбор данных сканирования и привязка данных сканирования обеспечиваются за счет встроенного компенсатора углов наклона прибора, встроенного одночастотного приемника GPS, высокоточного приемника GNSS, устанавливаемого наверху сканера, цифрового компаса и внутренней памяти для хранения данных на твердотельном накопителе. Возможность визуального просмотра проекта позволяет оценить полноту данных и проверить ход выполнения сбора данных во время проведения съемки. Система предоставляет большое количество удобных инструментов, которые помогают пользователю в процессе работы. Одним из таких инструментов является возможность запланировать сканирование, чтобы данные сканирования собирались в автоматическом

режиме регулярно через определенный интервал времени без непосредственного наблюдения пользователем за системой, данный режим полезен для сбора 4D данных (3D и временной интервал).

Электропитание:

- интеллектуальное управление питанием, до трех независимых внешних источников питания, которые могут быть подключены к сканеру одновременно.

- надежная защита от низкого и высокого напряжения.

- широкий рабочий диапазон напряжения внешнего питания: 11...32 В постоянного тока;

- потребляемая мощность 85 Вт (макс. 110 Вт);

- светодиодные индикаторы состояния питания батарей;

- опционально дополнительный набор аккумуляторов NiMH большой мощности и емкости.

Технические характеристики RIEGL VZ-2000 представлены на рис. 6.

Установка сканера осуществляется на точке с хорошим обзором на необходимый участок.

Лучше поставить штатив как можно выше и ближе к краю уступа, но при этом он должен стоять надежно и безопасно (рис. 7).

Классификация лазерной продукции

Дальность измерений 1)

Принцип измерения

Режимы работы

Класс лазера 1 (безопасен для глаз) в соответствии с IEC60825-1 2007

Датяюе полажен« распространяется так«« на »вжтруыенты. дослалaewe в США В соответствии с 21 CFR 1040 10 и 104011 за исклю*«еиием оговорок содержащиеся в Las« Noll се No 50. ot 24 Июня 2007 'ода

измерение времени между импульсами, оцифровка отраженных. I сигналов, анализ формы сигнала в режиме реального времени, разрешение неодназначности многократных отражений сигнала, экспорт всей формы сигнала (опционально, до 300 кГц PRR). измерение с помощью одиночных импульсов

Частота импульсов " Скорость сканирования (изм./сек)9 50 кГц 21.000 100 кГц 42.000 300 кГц 122.000 550 кГц 230.000 1 МГц 396.000

Наибольшее измеряемое расстояние " до цели с коэф. отражения р г 90 % до цели с коэф. отражения р г 20 % 2.050 м 1.050 м 1.800 м" 930 м41 1,000 мо 500 м " 750 м" 370 м" 580 м" 280 м"

Количество принятых отраженных сигналов одного импульса практически неограниченное 51

Точность

Повторяемость'1*

Наименьшее измеряемое расстояние

Длина волны лазеры

Угол расхождения луча

1) Обработка формы волны а режиме реального времеаи

2) Округленные значения, выбираемые программой измерений

3) Типичные данные для средник условии Максимальная дальность указана для ллоскик цепей с размером превышающим диаметр лазерного пятна, перпепдикупяртк углу падения для атмосферы при

8 мм 5 мм

2.5 м

ближний инфракрасный диапазон О.Змрад9

видимости 23 км При ярком солнечном свете, макс диапазон может быть меньше чем а пасмурную «ходу

4. Неодкззиачиостьдаииых устраняется в программном обеспечении RjMTA 3D

5. Подробная информация предоставляется по запросу Средняя каадратическая ошибка одного измерения

7) Разброс результатов измерении одной и той же цели 8 CKO на 150 м дистанции по условиям испытаний RIEGL

9) О 3 мрад соответствуют увепичению диаметра лазерного пятна на 30 мм каждые 100 м дистанции

Рис. 6. Технические характеристики RIEGL VZ-2000

Рис. 7. Установка лазерного сканера на станции

Для получения более достоверных и точных результатов сканирования, необходимо несколько скан-позиций, то есть станций установки сканера. Как правило, выбирают несколько наиболее подходящих точек, с которых хорошая видимость на необходимые участки. Также в процессе сканирования участки карьера фотографируют, чтобы можно было ориентироваться в деталях местности при создании 3D модели.

Для установления связи и управления на сканер закрепляется GPS тарелка, с ее помощью нужно определить координаты скан-позиции. Затем в настройках сканера задать область, шаг и режим сканирования, чтобы отсканировать именно необходимый участок. Затем подождать пока сканер

«справится» с задачей и переходить на следующую станцию.

Далее производится обработка результатов через программу Riscan Pro.

*Работа выполнена в рамках реализации Программы развития опорного университета на базе БГТУ им. В.Г. Шухова.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Гусев В.Н. Лазерно-сканирующие технологии съемки горных выработок. Кафедра маркшейдерского дела. СПб, 2013.

2. Середович В.А., Комиссаров А.В., Комиссаров Д.В., Широкова Т.А. Наземное лазерное сканирование. Новосибирск: СГГА, 2009. 261 с.

3. Ковров А.А. Про Riscan Pro и его возможности по обработке данных лазерного сканирования. 59 с.

REFERENCES

1. Gusev V.N. Lazerno-skaniruyushchie tekhnologii s"emki gornyh vyrabotok. Kafedra markshejderskogo dela. SPb, 2013.

2. Seredovich V.A., Komissarov A.V., Komissarov D.V., SHirokova T.A. Nazemnoe lazernoe skanirovanie. Novosibirsk: SGGA, 2009. 261 s.

3. Kovrov A.A. Pro Riscan Pro i ego vozmozhnosti po obrabotke dannyh lazernogo skanirovaniya. 59 s.

LASER SCANNING SYSTEM IN THE INFORMATION MODELING OF THE

CAREER " VERNINSKY». PART 1

Kurbatova V. V.

Annotation: the technical capabilities of the three-dimensional laser scanning system RIEGL VZ-2000 with the aim of using the Verninsky quarry in information modeling are considered. Key words: laser scanning system, scanner, surveying measurements, modeling.

© Курбатова В.В., 2019

Курбатова В.В. Лазерно-сканирующая система в информационном моделировании карьера «Вернинский». Часть 1 //Вектор ГеоНаук. 2019. Т.2. №4. С. 38-44.

Kurbatova V.V., 2019. Laser scanning system in the information modeling of the career «Verninsky». Рart 1. Vector of Geosciences. 2(4): 38-44.