RIEGL VZ-600i – Наземное лазерное сканирование в режиме «1 минута на 1 сканпозицию»

По сравнению с другими геодезическими инструментами, лазерные сканеры появились на рынке сравнительно недавно. И тем не менее они стали неотъемлемой частью повседневной рабочей жизни во многих геодезических компаниях. Так, один из опытных геодезистов из крупной строительной компании недавно сказал: «Сегодняшнему геодезисту в повседневной работе приходится владеть четырьмя измерительными приборами: тахеометром, приемником ГНСС, наземным лазерным сканером и дроном для аэрофотосъемки». Чем же отличаются лазерные сканеры? В чем отличие лазерного сканера первого поколения (примерно 1998 года) от прибора четвертого поколения (2022 года)? С одной стороны, технические характеристики сильно улучшились - максимальная частота измерений возросла с 11 кГц до 2200 кГц, с другой стороны - крупные проекты теперь планируются по-другому – теперь все ориентировано на BIM технологии (Building Information Modeling). Лазерное сканирование получило широкое распространение на геодезическом рынке. Все это приводит к появлению новых требований со стороны пользователя, которым должен соответствовать сканер текущего поколения, особенно в области съемки зданий. В этом отчете будет объяснено, как этого можно достичь на практике.

Разработка первых наземных лазерных сканеров

Первые сканеры делались с целью понять практическую осуществимость технологии: какой механизм отклонения эффективен и надежен? Сколько измерений расстояний можно выполнить в секунду с помощью доступных лазерных источников? Эти и подобные вопросы тогда ставились перед командой разработчиков компании RIEGL Laser Measurement Systems GmbH. Но даже добившись наилучших технических характеристик сканера и высочайших компетенций инженеров-разработчиков, нельзя упускать из виду самое главное, а именно пользователя. Сегодня они ожидают высокой эффективности во всем - от выполнения съемок до обработки их результатов; они хотят легких и надежных измерительных приборов, простоты управления, высокого уровня автоматизации – всех основных свойств для повседневного использования. Ведь пользователь уделяет основное внимание не измерительному прибору, а решению задачи: надежному и точному измерению объектов. В качестве иллюстрации технического прогресса, ниже представлены различные образцы проектов: один из 2004 года, а другие из 2022/2023 года.

Исследование Великой пирамиды, один из первых крупных проектов с использованием метода наземного лазерного сканирования

Проект «Сканирование пирамид» был реализован Австрийским археологическим институтом в Каире и Венским институтом археологии (VIAS) в сотрудничестве с Высшим советом по древностям Египта. Еще в 2004 году лазерный сканер RIEGL LMS-Z420 с присоединенной цифровой камерой Nikon D100 был использован для первых измерений пирамид, проведенных с помощью лазерного сканера. Частота импульсов - максимум 11 000 измерений в секунду, 20 строк сканирования в секунду, шум измерений (локальная точность) - 8 мм, дальность действия - до 1000 метров — это были максимальные значения для того времени, первых дней технология наземного сканирования. Предполагалось, что саму Великую пирамиду можно было измерить с восьми точек съемки, а всю окружающую территорию можно было измерить с площадки на вершине пирамиды. Сегодня уже кажется почти немыслимым использовать сканер весом 16 килограммов, а также таскать с собой ноутбук и внешний источник питания для их работы. Утром к основанию пирамиды поднесли в совокупности десятки килограммов оборудования, чтобы после дня съемок мы могли с гордостью продемонстрировать запись четырех сканов в высоком разрешении. 

Лазерный сканер RIEGL LMS-Z420 на вершине пирамиды Хеопса (слева), данные сканирования (справа), съемки 2004 года.

Классификация наземных лазерных сканеров

Наземный лазерный сканер — это точный измерительный прибор, который сканирует окружающую среду с помощью метода лазерного сканирования. Так называемый метод определения дальности по времени прохождения импульса (TOF-методб time-of-flight)) измеряет время прохождения, необходимое лазерному импульсу для прохождения от сканера до поверхности объекта и обратно. Есть и альтернативный метод, при котором разность фаз между излучаемым и отраженным лазерными сигналами может использоваться для измерения расстояния. TOF-метод имеет преимущества перед методом фазового определения дальности (фазовый метод) прежде всего с точки зрения достижимого диапазона дальностей. Затем лазерный луч обычно отклоняется с помощью одного или нескольких зеркал, чтобы иметь возможность захватить определенный пространственный угловой диапазон. Совокупность итоговых измерений часто называется облаком точек и описывает трехмерную структуру окружающей среды.

Классификация лазерных сканеров разнообразна. Различают статические и кинематические лазерные сканеры. Преимущество первого очевидно благодаря его стабильному позиционированию, например, на штативе: все измерения положения точки сканирования имеют высокую точность относительно друг друга. Однако из-за конструкции с двумя независимыми (горизонтальным и вертикальным) отклоняющими узлами наземный лазерный сканер более сложен в изготовлении. Преимущества лазерного сканера, который перемещается во время сканирования. При диапазонов измерений от нескольких дециметров до сотен метров может быть достигнута точность измерения расстояния в нескольких миллиметров и лучше (для естественных поверхностей объектов). В данной статье в первую очередь рассматривается процесс измерения зданий. В настоящее время для измерения даже больших зданий и строительных площадок обычно требуется точность максимум 10 миллиметров (стандартное отклонение). В настоящее время подобные точности достижимы только с помощью статического 3D-лазерного сканирования.

Разработка нового лазерного сканера RIEGL VZ-600i

В 2022 году наземный лазерный сканер RIEGL VZ-600i был впервые представлен на выставке Intergeo в Германии. Его эволюционирование в «современный» сканер будет описано ниже, начиная с основных концепций в начале и заканчивая его конечными характеристиками и результатами сканирования.

Помимо необходимости снижения веса, основной упор в начале его разработки был сделан на желание пользователя: максимально повысить эффективность измерительного устройства. Основное необходимое условие для этого - быстрая и надежная запись данных и оценка полученных результатов измерений.

Определение скорости сканирования

Лазерный сканер в основном состоит из дальномера и устройства отклонения измерительного луча. Параметры этих двух систем должны быть взаимно увязаны. За последние 20 лет компания RIEGL увеличила скорость измерения своих наземных лазерных сканеров с 11 кГц до 2,2 МГц (частота повторения импульсов (PRR)), то есть в 200 раз. При этом шум измерений (по дальности) удалось снизить до 2-3 миллиметров — в первую очередь за счет оцифровки полной формы сигнала полученных лазерных импульсов (конечно, шум также зависит и от состояния поверхности снимаемого объекта). Для получения однородной структуры полученного облака точек важно, чтобы лазерный луч отклонялся достаточно быстро.

Благодаря 4-гранной отражающей призме лазерного сканера RIEGL VZ-600i стало возможным добиться скорости сканирования свыше 400 строк в секунду. Такая высокая скорость сканирования была бы невозможна при использовании технологии качающегося зеркала с одной отражающей поверхностью, которое обычно используется в воздушных лазерных сканерах. В начале разработки основное внимание уделялось частоте повторения импульсов, (составляющей 2,2 МГц), угловому разрешению для сканирования (0,034 углового градуса, что эквивалентно разрешению 6 мм на расстоянии 10 метров) и 4-гранному вращающемуся зеркалу. В результате удается обеспечить необходимую скорость сканирования и малое время, требуемое на сканирования с одной сканпозиции.

«Слепые зоны» сканера, возникающие над или под сканером (например, под штативом) из-за того, что при использовании вращающейся зеркальной призмы невозможно выполнять измерения вертикально вверх, можно полностью закрыть, установив сканер в нескольких различных положениях (как видно на рисунке).

Облако точек визуализированное в градациях серого в зависимости от отражательной способности, справа: цветное облако точек.

Частота импульсов и количество строк сканирования в секунду вместе являются ключевыми параметрами обеспечения общей скорости съемки для лазерного сканера. Для пользователя важно работать с максимально возможной скоростью, и, следовательно, продуктивностью.

Скорость позволяет быстрее выполнять съемку на каждой из скан-позиций. Для VZ-600i эта скорость составляет около 1 скан-позиции в минуту, причем это время включает перемещение штатива на следующую позицию сканирования. Каждое из полученных на отдельной скан-позиции облаков точек содержит около 30 миллионов отдельных точек и детальность съемки на уровне 6 миллиметров при расстоянии 10 метров.

Простое нажатие кнопки на сенсорном экране сканера запускает процесс съемки и записи полученных данных на текущей позиции сканирования. Перемещение сканера в новое место приведет к автоматическому переходу устройства к следующему положению сканирования.

Во время сканирования, т. е. пока головка сканера вращается, можно также получить ф отограмметрически калиброванные фотографии либо с помощью трех встроенных 12-мегапиксельных камер, либо с использованием дополнительной обычной камеры (модель Sony a 7R IV), либо дополнительной панорамной камеры (модель RICOH Theta Z1). Фотографии с камер позволяют раскрасить облако точек в натуральные цвета объектов и создать панорамные изображения, которые затем можно использовать для создания виртуальных туров. Встроенные камеры имеют специальную функцию распознавания лиц и их автоматической пикселизации (с использованием AI), что позволяет не записывать и не хранить личные данные людей, попавших в зону съемки. Это соответствует требованиям различных правил защиты личных данных, принятых во многих странах.

Новый лазерный сканер RIEGL VZ-600i: вид в процессе съемки

Автоматическая встроенная регистрация положений сканирования (скан-позиций)

На начальных этапах развития технологий наземного лазерного сканирования даже при относительно быстрой съемке собственно облака точек, значительное количество времени тратилось на геопривязку скан-позиции и взаимное увязывание облаков точек, снятых с разных скан-позиций. В наши дни ситуация обстоит по-другому.

По умолчанию сканпозиции, сделанные в режиме «Панорама_6 мм» делаются примерно каждые десять метров (при работе на открытом воздухе) и примерно каждые пять метров – при работе внутри здания. Такой подход обеспечивает надежные и эффективные измерения даже в крупных и обширных проектах в сложных условиях. Дополнительный высокопроизводительный процессор, установленный в лазерном сканере RIEGL VZ-600i, позволяет автоматически регистрировать положения сканирования во время записи дальнейших данных. Прошивка сканера автоматически выполняет многоэтапный процесс регистрации без какого-либо взаимодействия со стороны пользователя. Встроенный приемник GNSS (опционально с кинематикой реального времени – RTK – коррекция) и встроенная ИНС (инерциальный измерительный блок) обеспечивают первое грубое определение положения и углов ориентации сканера во время съемки последней скан-позиции (в условной системе координат проекта). На втором этапе сжатый набор данных облака точек сканирования (так называемый набор воксельных данных, воксел – трехмерный пиксел-куб) подвергается преобразованию Фурье. Здесь алгоритм использует теорему вращения Фурье и теорему смещения Фурье, так что положение и ориентацию последней установки сканера можно определить с точностью до сантиметра по отношению к снятым до этого данным. На третьем и последнем этапе выполняется окончательное уравнивание облаков точек с точностью до миллиметра.

Регистрация с использованием модифицированного алгоритма ICP (Iterative Closest Point). Этот алгоритм обеспечивает почти 100% вероятностью успеха — при условии, что вы обеспечили достаточное количество областей перекрытия между облаками точек, снятыми с разных скан-позиций. Он также работает в темноте, в лесу, с движущимися объектами или на подземной автостоянке с повторяющимися конструкциями. С помощью приложения «Карта проекта» вы можете увидеть, как проект формируется на мобильном устройстве во время записи данных. Так, уже позиционированные скан-позиции, а также прореженное облако точек показаны на рисунке справа.

Внешний вид карты проекта на мобильном устройстве во время сбора данных (слева), результат сканирования 60 скан-позиций за час - цветное облако точек после обработки в программном обеспечении обработки RiSCAN PRO (справа).

Важно, что скорость сканирования и регистрации обычно различаются. Однако новая опция бортовой регистрации удовлетворяет потребности пользователей: если регистрацию позиций сканирования можно автоматизировать, она должна работать по крайней мере так же быстро, как и сам процесс сканирования, то есть 1 минуту! Это единственный способ отслеживать и контролировать ход проекта сканирования на мобильном устройстве без потерь времени; в противном случае, работая на проектах из десяткой и сотен скан-позиций в день, в вы можете легко нарушить порядок работ и запутаться. Если регистрация прервана, вы можете продолжить ее в любое время с так называемой «якорной позиции», т. е. с уже зарегистрированной позиции сканирования.

Пространственная геопривязка скан-позиции предусматривает определение шести степеней свободы последней позиции сканирования по отношению к ранее полученным данным сканирования (три пространственные координаты и три угла разворота). Этот процесс с высокой точностью осуществляется прибором самостоятельно.

Итоговые погрешности взаимной увязки лазерных сканов составляют всего от нескольких миллиметров до первых сантиметров при охвате проекта в сотни метров (зависит от свойств окружающей среды и объекта). Уравнивание блоков данных по всем позициям сканирования происходит при последующей обработке данных на ноутбуке/ПК. Это, так называемая «Многопозиционное уравнивание» (MSA), также может учитывать и ранее измеренные контрольные точки, причем с более высоким «весом». Подробный отчет об уравнивание по методу MSA (доступен в формате PDF) наконец описывает итоговые погрешности проекта. Даже для больших зданий достижимое стандартное отклонение от контрольных точек на уровне нескольких миллиметров. Программный модуль GeoSys Manager, который также интегрирован в RiSCAN PRO, позволяет использовать все распространенные системы координат – при условии, что для них существует код EPSG.Так, контрольные точки можно импортировать в различные системы координат, а полученное облако точек можно экспортировать в нужную систему координат.

Ниже приведены некоторые важные аспекты, которые упрощают работу с современными лазерными сканерами RIEGL и повышают качество и интерпретируемость получаемых данных:

Каждый полученный лазерный импульс оцифровывается (с сохранением формы отраженного сигнала) и анализируется. Это позволяет, среди прочего, определить так называемое «изменение формы импульса» по отношению к форме исходного импульса. Этот параметр позволяет исключить принятые импульсы с нетипичной формой сигнала, которые как правило являются паразитными точками. В случае объектов, расположенных близко друг к другу (края тротуара, велосипедные спицы и т. д.) подобные точки могут быть автоматически устранены.

Амплитуда лазерного импульса зависит от диапазона измерения. Чем дальше находится цель, тем ниже мощность принимаемого импульса. Так называемая «коэффициент отражения», или альбедо, обратно рассеянного импульса может быть определен по результатам заводской калибровки лазерного дальномера. Альбедо является свойством поверхности снимаемого объекта, оно не зависит от расстояния и выражается в децибелах.

Несколько уже заранее созданных наборов настроек частоты и дискретности сканирования позволяют увеличить дальность действия сканера за счет снижения частоты сканирования и увеличения за счет этого мощности отдельных импульсов. Вы можете снимать объекты на расстоянии до 1000 метров с помощью лазерного сканера RIEGL VZ600i, понизив частоту его измерений до 140 кГц.

Даже если это замедлит получение плотного облака точек объектов, детальное сканирование с более высоким пространственным разрешением можно провести в любой момент. Напротив, разрешение также можно уменьшить. Например, для панорамных сканов с интервалом между точек в 5 см на расстоянии 10 метров время сканирования составляет всего 2 секунды.

Круглые марки пленочных отражателей можно точно сканировать с помощью разработанной для этой цели программы поиска и съемки отражателей (с адаптированной мощностью лазера) и использовать для измерения фиксированных точек.

Опционально можно записать и вывести выборочные значения отдельных лазерных импульсов. Эта функция позволяет анализировать отдельные измерения расстояний, но требует много места для хранения.

При частоте импульсов 2,2 МГц диапазон однозначности измерений расстояний (первая МТА-зона) составляет примерно 68 метров. Это означает, что, например, при измерении целей на расстоянии 200 метров между лазерным сканером и целью одновременно находятся три лазерных импульса. Правильное определение количества импульсов, одновременно «перемещающихся» между сканером и объектом называется разрешением MTA неоднозначности.

Лазерный сканер, работающий с использованием TOF-метода определения дальности (по времени прохождения импульса), может регистрировать несколько принятых импульсов на один излучаемый лазерный импульс. Это свойство называется множественной отражательной способностью. Это свойство критически важно при сканировании сквозь растительность или в условиях тумана.

Благодаря высокому уровню автоматизации RIEGL VZ-600i возможна полная интеграция с роботами. Специально для этой цели был разработан драйвер ROS (операционная система робота).

Благодаря бесплатному приложению «RIEGL VZ-i Series» для мобильных устройств RIEGL VZ-600i может находиться под управлением удаленных устройств - как локально через WLAN, так и по всему миру через Интернет. Кроме того, записанные результаты сканирования можно загрузить на серверы в Интернете через Wi-Fi.

Благодаря специально разработанному дополнительному приложению для лазерного сканера RIEGL VZ-600i, им также можно управлять в кинематическом режиме, например, при работе с наземного транспортного средства. Никаких дополнительных IMU для этого не требуется, но необходим достаточно хороший прием RTK-GNSS.

Оценка данных

За 8-часовой измерительный день можно записать почти 500 геопозиционированных облаков с взаимно уравненных скан-позиций. При таком темпе съемки на одну позицию сканирования потребуется чуть больше половины гигабайта памяти, то есть в общей сложности около 250 гигабайт в день. Данные сохраняются внутри устройства как на жестком диске SSD (твердотельный накопитель), так и на подключаемой карте «CF-express». Может сложиться впечатление, что это чрезмерный объем, однако обработка и хранение подобных объемов данных в наши дни уже не представляет особенных сложностей. В течение 24 часов возможно преобразовать эти данные ежедневных съемок в итоговое гомогенизированное, отфильтрованное и цветное облако точек.

Сразу после завершения измерения в полевых условиях карта памяти «CF-express» вставляется в ноутбук или ПК, на котором данные обрабатываются с помощью так называемого «Мастера обработки в одно касание», входящего в состав программного обеспечения RiSCAN PRO. Различные этапы работ выполняются в автоматическом режиме: фильтрация данных, уточнение калибровки внешней камеры, окраска точек лазерных отражений на основании полученных фотоснимков, одновременное блочное уравнивание всех скан-позиций, удаление движущихся объектов и гомогенизация данных сканирования в единое облако точек. Результирующая дискретность облака точек (для крупных зданий и сооружений) обычно составляет 5 миллиметров, а количество точек измерений — несколько сотен миллионов. Для каждого проекта сканирования можно относительно легко обработать тысячу позиций сканирования — при условии, что у вас есть ноутбук с современной видеокартой и твердотельным накопителем. Форматом экспорта обычно является формат LAS (для всего облака точек) или формат E57 (с подробной информацией об отдельных скан-позициях).

Примеры проектов

Проекты сканов с дополнительной информацией о параметрах работ показаны ниже. Они предназначены для демонстрации возможностей лазерного сканера RIEGL VZ-600i. Данные анонимизируются из соображений конфиденциальности. Все представленные проекты были выполнены одним оператором с использованием лазерного сканера RIEGL VZ-600i. При каждом сканировании всегда использовалась одна и та же схема сканирования: режим съемки «Панорама_6 мм» (поле обзора 360° x 105°; угловое разрешение 0,034°).

Обследование железнодорожных путей

В Германии ведется обширная работа по оцифровке вокзалов и железнодорожных линий, в том числе полосы отвода вдоль путей – то есть всей железнодорожной инфраструктуры. В подобных проектах важно, чтобы измерение можно было провести быстро и независимо от погоды. Железнодорожные пути часто окружены растительностью с обеих сторон. Даже в этих случаях регистрация должна функционировать должным образом.

Расположение	Германия
Дата	29 ноября 2022 г. (дождь, 3°C)
Продолжительность	07:57 – 15:33 (7:36)
Количество сканпозиций	380

 

Облако точек полосы отвода железнодорожных путей; движущиеся объекты автоматически устранялись

В ходе тестовой съемки на трассе длиной 2,6 километра за 7,5 часов было сделано 380 скан-позиций. В этот день стояла температура чуть выше нуля и моросил дождь. Отражатели в основном крепились к столбам вдоль путей и тщательно сканировались. Всего в процессе уравнивания скан-позиций с использованием инструментария MSA использовано 29 контрольных точек в системе координат DB_REF/3GK зоны 3 (код EPSG: 5683), отклонения (на коротких расстояниях) составили:

	dX [м]	dY [m]	dZ [m]
Среднеквадратическое отклонение	0.0075	0.0043	0.0078

 

Обследование исторического центра города

В небольшом проекте в Йорке (Великобритания) было продемонстрирована съемка центра города. Всего за 2 часа было записано 149 скан-позиций. Особой проблемой было большое количество пешеходов. Они были автоматически, а затем и вручную удалены из набора данных. Никакие контрольные точки не использовались. В качестве прикрепленной фотокамеры использовалась камера Sony a 7R IV.

Расположение	Великобритания
Дата	15 марта 2023
Продолжительность	14:22 – 16:33 (2:11)
Количество сканпозиций	149

 

Обследование туннеля

Даже при отсутствии возможности приема ГНСС сигналов, возможна автоматическая съемка и увязка съемок линейных объектов, например - в тоннеле метро. Для этого частного случая было скорректировано количество и размер вокселей для автоматической регистрации. За час было сделано 42 скан-позиции.

Расположение	Франция
Дата	13 апреля 2023
Продолжительность	9:30 – 10:32 (1:02)
Количество сканпозиций	42

 

Отклонения на 13 контрольных точках (на коротких расстояниях) составили:

	dX [м]	dY [m]	dZ [m]
Среднеквадратическое отклонение	0.0036	0.0031	0.0050

 

Обмеры зданий

Строительство в существующей застройке становится все более распространенным. Для этой цели важно быстрое и полное измерение поверхностей – даже в узких пространствах. В приведенном ниже примере за три часа было отснято 186 скан-позиций. Изображения с встроенных фотокамер использовались для раскрашивания сканов. Контрольные точки сканировались на всякий случай, но в итоге не учитывались при уравнивании блока скан-позиций (MSA) из-за отсутствия измерений их координат тахеометром.

Быстрое и точное измерение с помощью лазерного сканера также успешно применяется для крупных объектов, таких как соборы. В ходе двухдневного съемочного проекта интерьер, ближайшее окружение и внутренняя часть крыши были зафиксированы в 501 скан-позиции.

Расположение	Регенсбург / Германия
Дата	20–21 марта 2023
Продолжительность	Пн 11:11 – 17:12 (6:01) Вт 08:15 – 18:01 (9:46)
Количество сканпозиций	42

 

Между первым и вторым днями измерений данные обрабатывались с помощью мастера обработки в одно касание (см. рисунок ниже). Утром второго дня измерений полученное облако точек уже можно было проверить (см. рисунки).

RIEGL VZ-600i">
Перспективный вид цветного облака точек, посередине: вид сверху облака точек в режиме визуализации «рентгеновский снимок», справа: фотография лазерного сканера RIEGL VZ-600i

Обследование строительной площадки

Реализация BIM-проекта начинается с проектирования здания. Далее происходит стройка. Здесь особенно важны высокая скорость записи результатов съемок и одновременная регистрация положений сканера. В следующем примере во время обычных работ на строительной площадке за один день было отснято 379 скан-позиций.

Площадь строительной площадки составляла примерно 150 х 500 м (см. рисунок ниже ), а сканер проделал путь в общей сложности длиной в 6 км. Короткое время стояния лазерного сканера в одном месте, менее 60 секунд (см. рисунок ниже), имеет в данном случае особое значение, особенно для беспроблемной работы на строительной площадке.

RIEGL VZ-600iна стройке (слева), справа: полученные цветные точки">

Однородное и цветное облако точек со средней дискретностью 5 мм было обработано в течение 24 часов. Это позволило строительной компании провести целевое/фактическое сравнение модели BIM и материалов съемки. Результаты оценки погрешностей по контрольным точкам показали стандартное отклонение менее 10 мм. Встроенные камеры использовались для записи информации о цвете.

Дата	19 апрель 2023
Продолжительность	8:18 – 16:23 (с перерывами)
Количество сканпозиций	379

 

Выводы

Нет сомнений в том, что лазерное сканирование значительно развилось за последние 20 лет.

Все более быстрое развитие технологии BIM в зданиях и на строительных площадках требует все более обширных и точных данных измерений. Их следует записывать и оценивать как можно проще и быстрее.

Разработка последней модели компании RIEGL Laser Measurement Systems GmbH, лазерного сканера RIEGL VZ-600i, была в первую очередь обусловлена желанием предоставить преимущество пользователю в области скорости и удобства управления. Помимо малого веса и высокой точности, это, прежде всего, высокая скорость сканирования, записи и оценки.

Все это открывает новые возможности для геодезистов в части проведения быстрых и недорогих съемок.