Зертханалық жұмыс №9


1.2 Современные наземные лазерные сканеры
1.2.1 Принцип действия наземных лазерных сканеров
Принцип действия наземных лазерных сканеров (НЛС) заключается в автоматизированном получении координат точек на основе расстояний, измеряемых в безотражательном режиме, и углов направленности приемо-передающего тракта дальномера. В отличие от лазерных сканеров воздушного базирования, система координат НЛС определяется конструкцией сканера, то есть предполагается, что НЛС в процессе измерений неподвижен. Конструкция НЛС, включающая в себя основные блоки, представлена на рисунке 3.
Основными структурными элементами НЛС являются:
дальномерный блок. Функция данного блока заключается в измерении расстояний до препятствий, находящихся на пути приемо-передающего тракта дальномера. В качестве источника излучения используется полупроводниковый лазер. Расстояние может определяться как по времени прохождения (импульсный метод), так и по сдвигу фазы (фазовый метод) отраженного сигнала;

1 дальномерный блок;
2 оптико-механический блок развертки лазера;
3 приемо-передающий тракт дальномера;
4 канал передачи данных на управляющий компьютер;
5 управляющий компьютер;
mi точка отражения лазерного излучения;
X’, Y’, Z’ оси системы координат НЛС;
i измеренный горизонтальный угол на точку отражения mi;
i измеренный вертикальный угол на точку отражения mi;
ri расстояние, измеренное до точки отражения mi.
Рисунок 3 Основные элементы конструкции наземного лазерного сканера
оптико-механический блок развертки лазера (блок развертки). Функциями блока развертки являются смещение приемо-передающего тракта дальномера и фиксирование углов направленности излучения с помощью оптико-механической системы, состоящей из зеркальных призм и сервоприводов. Вертикальная развертка осуществляется с помощью плоской либо многогранной зеркальной призмы, а горизонтальная развертка в большинстве случаев осуществляется путем разворота блока развертки вокруг оси Z’. Смещение приемо-передающего тракта дальномера осуществляется в пошаговом или непрерывном режимах;
канал передачи данных на управляющий компьютер. Данные измерений, выполняемых НЛС, обрабатываются с помощью встроенного микропроцессора, после чего в реальном времени передаются при помощи проводного или беспроводного соединения на управляющий компьютер со специализированным программным обеспечением (ПО). Таким же образом осуществляется обратная связь с НЛС.
1.2.2 Принцип действия дальномерного блока наземных лазерных сканеров
Измерение расстояний в современных НЛС осуществляется с помощью электромагнитных волн оптического диапазона (инфракрасного или видимого). Сигнал, посланный передатчиком в заданном блоком развертки направлении, проходит путь до препятствия, после чего отражается и попадает на приемник. При этом он проходит двойное расстояние 2D до точки отражения. Соответственно, искомое расстояние D будет равно половине пройденного излучением пути. Определение 2D в системах лазерного сканирования осуществляется импульсным или фазовым методами.
Импульсный метод измерения расстояний
При измерении расстояний импульсным методом определяется время, за которое излучение пройдет расстояние 2D. При известной скорости распространения электромагнитных волн
(1)
где v скорость распространения электромагнитных волн;
T2D время, за которое сигнал прошел расстояние 2D.
Для определения расстояний импульсным методом используются короткие импульсы, то есть передатчик работает лишь в течение коротких промежутков времени. Для получения однозначной величины D период следования импульсов должен быть больше времени T2D. Основным фактором, определяющем точность метода, является точность измерения времени (регистрации импульсов). При этом ошибка измерения расстояний [8]
(2)
где mT2D ошибка измерения времени T2D.
Современные устройства измерения времени регистрируют импульсы c точностью до 10-12 с, что позволяет измерять расстояния с точностью до 1 мм.
Другим фактором, влияющим на точность измерения расстояний, является форма отраженного импульса, которая зависит от некоторых факторов: длительности импульса, отражательных характеристик, текстуры и ориентации поверхности отражения по отношению к направлению распространения импульса, оптических свойств атмосферы. Размытая форма импульса приводит к возрастанию неопределенности при его регистрации [9].
Достоинствами импульсного метода измерения расстояний являются высокая дальность действия при относительно невысокой мощности импульса, однозначность получаемого результата (длина линии пропорциональна времени пробега). К недостаткам метода относятся меньшая, по сравнению с фазовым методом, точность, ограничение частоты импульсов по расстоянию до объекта.
Фазовый метод измерения расстояний
При измерении расстояний фазовым методом происходит регистрация фазового сдвига сигнала, прошедшего двойное расстояние до препятствия. При известном значении целого количества N длин волн расстояние
(3)
где угловая мера радиан.
Таким образом, основной задачей фазового метода становится определение целого числа длин волн N в пройденном расстоянии, называемое разрешением неоднозначности или многозначности. Для этого могут использоваться два подхода [9, 10]:
использование предварительно известного значения расстояния до объекта, измеренного с точностью не менее /2, (например, импульсным методом);
модуляция несущей волны двумя или более синусоидальными колебаниями.
Преимуществами фазового метода измерения расстояний являются высокая точность измерений и более высокая производительность (за счет изменения закона модулирования несущего колебания во времени появляется возможность раздельного детектирования сигналов, пришедших на приемник одновременно) [9]. Недостатками являются ограниченная дальность действия (вследствие ограничения возможности разрешения неоднозначности по расстоянию) и необходимость высокой мощности излучателя.
1.2.3 Принцип действия блока развертки наземных лазерных сканеров
По режиму работы, блоки развертки современных НЛС делятся на два типа: пошаговые и непрерывные.
Пошаговый режим работы блока развертки
В НЛС, у которых блок развертки функционирует в пошаговом режиме, регистрация углов направленности приемо-передающего тракта осуществляется в момент подачи импульса. Особенностью таких систем является то, что блок развертки остается неподвижным до момента принятия импульса, либо до истечения некоторого отрезка времени, за которое излучение пройдет максимально возможное для данной модели сканера расстояние (в случае невозвращения сигнала). Графически, принцип пошаговой регистрации углов в НЛС представлен на рисунке 4.

1 блок развертки; 0 начальное направление отсчета углов; 1…i
углы фиксированного положения блока развертки в моменты измерения расстояний. Рисунок 4 Принцип пошаговой регистрации углов
Особенностью НЛС с пошаговой регистрацией углов является невысокая скорость работы, обусловленная ограничением каждого последующего шага временем прохождения сигналом двойного расстояния до препятствия.
Непрерывный режим работы блока развертки
Развертка приемо-передающего тракта осуществляется за счет непрерывного вращения блока развертки в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Частота излучения импульсов всегда постоянна, а угловые смещения приемо-передающего тракта зависят от скорости вращения блока развертки. Графически, принцип непрерывной регистрации углов в НЛС представлен на рисунке 5.

1 блок развертки; p угловая скорость вращения блока развертки; 1…i
значения углов направленности приемо-передающего тракта в момент излучения. Рисунок 5 Принцип непрерывной регистрации углов
Упрощенно, угловые смещения приемо-передающего тракта определяются по формуле:
(4)
где F частота следования импульсов.
Такие блоки развертки отличаются высокой скоростью измерений, ведь в большинстве случаев именно угломерная часть НЛС ограничивает его быстродействие. Однако непрерывность вращения блока развертки вызывает некоторую неоднозначность в измерении расстояний, которую необходимо учитывать, так как за то время, которое необходимо излучению для возврата на приемник, блок развертки смещается на некоторый угол.
1.2.4 Основные технические характеристики современных наземных лазерных сканеров
На рынке геодезического оборудования на сегодняшний день представлено большое количество НЛС. Основными техническими характеристиками, позволяющими оценить возможности НЛС, являются:
а) дальность действия;
б) точность измерения расстояний;
в) скорость выполнения измерений;
г) минимальный угловой шаг сканирования;
д) угол поля зрения;
е) диапазоны допустимых рабочих температур и внешних условий;
ж) класс безопасности лазера;
и) возможность геодезического ориентирования НЛС;
к) потребляемое напряжение.
Рассмотрим более подробно указанные технические характеристики наземных лазерных сканеров.
Дальность действия
Дальность действия представляет собой максимальное расстояние, на котором НЛС способен получить однозначный результат с гарантированными характеристиками. Данный параметр зависит от применяемого метода измерений расстояний, мощности лазера и отражающей способности сканируемых поверхностей. Фазовые дальномеры, как правило, имеют серьезные ограничения по дальности действия, по сравнению с импульсными. Зависимость дальности действия от отражающей способности сканируемых поверхностей вызвана затуханием возвращенного сигнала. Поверхности с высоким коэффициентом отражения возвращают более мощный сигнал, способный пройти большее расстояние и быть зарегистрированным приемником.
Точность измерения расстояний
Точность измерения расстояний определяет погрешность единичного измерения и зависит от способа измерения расстояний и конструкции дальномера. Большое влияние на точность оказывает расходимость лазерного излучения, определяющая угол расхождения лазерного излучения в атмосфере. При измерении расстояний до плоскостей, не перпендикулярных оси луча, объектов, имеющих форму, отличную от плоскости или поверхностей, значительно разнесенных вдоль оси луча, отраженный сигнал будет приходить от нескольких элементов поверхности. В результате, измеренное расстояние будет принадлежать произвольной точке, находящейся вне пределов объекта. Чем больше размер лазерного пятна, тем координаты большего количества измеренных точек будут отличаться от своего истинного значения (рисунок 6).

Рисунок 6 Ошибки в измерении расстояний, вызванные высокой расходимостью лазерного излученияСкорость выполнения измерений
Скорость выполнения измерений определяет количество точек, регистрируемых НЛС за единицу времени. Данный показатель зависит от способа измерения расстояний и конструкции блока развертки. Блок развертки, работающий в непрерывном режиме, обеспечивает более высокую скорость съемки, по сравнению с пошаговым. Кроме того, НЛС, дальномерная часть которых работает по фазовому методу, позволяют повысить скорость съемки, благодаря меньшей дальности действия и возможности раздельного детектирования отраженных сигналов [9]. Сочетание фазового метода измерения расстояний метода с непрерывной регистрацией углов, позволяет добиваться максимальной скорости измерений до 500 000 точек в секунду (точек/с).
Минимальный угловой шаг сканирования
Угловым шагом сканирования называется угловая величина смещения блока развертки для каждого измерения. Минимальный угловой шаг сканирования определяет максимально возможную для конкретной модели НЛС плотность съемки и зависит от конструктивных особенностей блока развертки. Угловой шаг сканирования определяется пользователем в процессе подготовки НЛС к работе и может быть произвольным либо изменяться с некоторым шагом.
Угол поля зрения
Угол поля зрения НЛС определяет в градусной мере (в горизонтальной и вертикальной плоскостях) максимальную область, которую можно охватить с одной сканерной станции (без перемещения и разворота НЛС). В отличие от первых НЛС, угол поля зрения которых составлял 40 в обеих плоскостях [11, 12], большинство современных моделей имеют угол поля зрения, близкий к панорамному (до 360 в горизонтальной и 320 в вертикальной плоскостях), что является эффективным при съемке закрытых помещений.
Диапазоны допустимых рабочих температур и внешних условий
НЛС, в силу своего устройства, не обладают повышенной морозоустойчивостью. Большинство моделей работает только при температуре выше 0 С, что накладывает ограничения на работу вне помещений в зимний период. В последнее время производители усовершенствуют НЛС, во многом благодаря повышению спроса на лазерные сканеры в России с ее специфическими климатическими условиями. Решение задачи увеличения диапазонов рабочих температур в минусовую сторону решается внесением изменений в конструкцию прибора, либо применением внешних устройств, позволяющих осуществлять подогрев и сохранять необходимую внутреннюю рабочую температуру. Степень пыле- и влагозащищенности современных НЛС достаточно высока и позволяет работать в условиях сильной запыленности и влажности. Преимущество имеют НЛС, имеющие жидкостное охлаждение, что обеспечивает повышенную герметичность и исключает контакт с внешней средой. Классы защиты оборудования по индексу IP<число>, в соответствии со стандартом IEC 60825-1, приведены в таблице 1 [13]. Современные НЛС позволяют работать при температурах до минус 40 С и имеют класс защиты до IP66.
Класс безопасности лазера
По степени безопасности лазеры делятся на несколько классов в соответствии с международным стандартом IEC 60825-1 [14, 15, 16, 17, 18, 19]:
класс 1 лазерное излучение 1-го класса безопасности невидимо и безопасно при любых условиях работы. Не оказывают вредных воздействий на глаза и кожу и не требуют применения защитных приспособлений;
Таблица 1 Классы защиты оборудования от воздействия внешней среды
Обозначения степени защиты от инородных тел Обозначения степени защиты от влаги
IP,
первая цифра Расшифровка IP,
вторая цифра Расшифровка
0 Защита отсутствует 0 Защита отсутствует
1 Защита от крупноразмерных инородных тел 1 Защита от вертикально падающих капель воды
2 Защита от среднеразмерных инородных тел 2 Защита от диагонально падающих капель воды
3 Защита от малоразмерных инородных тел 3 Защита от мелких водяных брызг
4 Защита от пескообразных загрязнителей 4 Защита от большого количества водяных брызг
5 Защита от отложения пыли 5 Защита от сильных струй воды
6 Защита от попадания пыли 6 Защита от временного затопления
7 Защита от погружения под воду
8 Защита от погружения на глубину
класс 1 М лазерное излучение класса 1М может быть видимым или невидимым. Безопасно при наблюдении незащищенным глазом, однако наблюдение с применением оптических приборов, способных фокусировать излучение, опасно;
класс 2 лазерное излучение 2-го класса ограничено видимым спектром (длины волн 400 – 700 нм) и мощностью до 1 мВт. Безопасно при кратковременном наблюдении (до 0,25 с, что соответствует естественной защитной реакции глаза);
класс 2 М лазерное излучение класса 2М соответствует классу 2, но имеет ограничения по наблюдению с применением оптических приборов (аналогично классу 1М). Мощность лазера может быть и выше 1 мВт, но диаметр луча является достаточно большим для ограничения интенсивности излучения до безопасного для кратковременного наблюдения уровня;
класс 3 R мощность лазеров класса 3R может в пять раз превышать показатели для 1-го и 2-го классов и составляет до 5 мВт для видимого диапазона. Лазерное излучение данного класса безопасности подразумевает потенциальную опасность при наблюдении незащищенным или вооруженным глазом, но риск поражения невелик;
класс 3 В лазерное излучение класса 3В имеет мощность до 500 мВт в видимом спектральном диапазоне. Прямое излучение опасно для глаз и при некоторых особых условиях для кожи. Рассеянное излучение в основном безвредно;
класс 4 лазеры 4-го класса имеют мощность более 500 мВт. Прямое излучение опасно и может вызывать возгорание. Рассеянное излучение может вызывать повреждение глаз и кожи. Лазеры данного класса используются для механической обработки материалов.
Возможность геодезического ориентирования НЛС
Для приведения результатов измерений НЛС к заданной системе координат выполняется ориентирование по точкам с известными координатами (сканерными маркам), однозначно дешифрируемыми по точечной модели. Применение данного способа ориентирования обусловлено отсутствием у большинства НЛС устройств учета наклона и разворота, позволяющих осуществлять ориентирование иными способами. Однако, в последнее время намечается тенденция к переходу на традиционный способ ориентирования, аналогичный применяемому в электронных тахеометрах. Для этого НЛС снабжают устройствами, компенсирующими углы наклона прибора в некотором диапазоне, либо учитывающими их. При известных значениях углов наклона, положения центра сканера и дирекционного угла одной из осей выполняется приведение измерений в заданную систему координат.
Потребляемое напряжение
Практически все модели топографических НЛС имеют возможность работы от источников как переменного, так и постоянного напряжения. Работа от источника переменного напряжения выгодна при наличии сети 220 В, что возможно, как правило, в закрытых производственных помещениях. При работе на открытых объектах электропитание НЛС осуществляется от специализированных или любых других аккумуляторных батарей, обеспечивающих постоянное напряжение от 12 до 24 В. Для некоторых моделей НЛС минимально необходимым является напряжение 24 В, что увеличивает вес источника питания и снижает мобильность.
1.2.5 Классификация наземных лазерных сканеров по техническим характеристикам
На сегодняшний день в мире 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. Большинство из представленных на рынке НЛС ограничены по максимальной дальности действия до нескольких метров. Такие сканеры обладают очень высокой точностью определения координат точек, но предназначены для получения трехмерных моделей мелких деталей. Основное применение они находят в машиностроении и медицине.
В настоящее время существует классификация НЛС, подразумевающая их деление на сканеры ближнего и среднего радиуса действия [20]. На наш взгляд, данная классификация не позволяет достаточно четко разделить НЛС по их техническим характеристикам. Поэтому, автором предложена собственная классификация НЛС (рисунок 7):
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;

Рисунок 7 Классификация НЛС
НЛС среднего радиуса действия сканеры, способные выполнять измерения с точностью до нескольких миллиметров на расстояниях до 50 м. НЛС этой группы имеют, как правило, достаточно большой угол поля зрения;
НЛС дальнего радиуса действия позволяют выполнять измерения на расстоянии до 1 500 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. Данные сканеры получили название «топографические наземные лазерные сканеры».
1.2.6 Требования к техническим характеристикам наземных лазерных сканеров для создания цифровых моделей объектов нефтегазопромысловОбъекты нефтегазопромыслов представляют собой промышленные территории, расположенные на значительных площадях с большим количеством локальных участков с плотным расположением коммуникаций. Основными критериями, определяющими возможность применения НЛС для создания топографических планов подобных объектов, является способность обеспечить высокую производительность съемочных работ при достаточной детальности и точности получаемых точечных моделей. Это определяется сочетанием высоких дальности действия, скорости выполнения измерений, широкого угла поля зрения и достаточного углового шага сканирования.
Для создания цифровых трехмерных моделей сложных технологических узлов и оборудования НЛС должен обеспечивать высокую точность и детальность получаемых данных. При этом высокая дальность действия не играет значительной роли, так как вследствие плотного расположения элементов объекта при работе с одной станции возникает множество теневых зон, устраняемых только увеличением количества станций.
На основе анализа вышеперечисленных факторов предложены требования к техническим характеристикам НЛС для целей создания цифровых трехмерных моделей объектов нефтегазопромыслов, представленные в таблице 2.
Таблица 2 Требования к техническим характеристикам НЛС для создания цифровых топографических планов и трехмерных моделей объектов нефтегазопромысловТехнические характеристики Решаемые задачи
Создание цифровых трехмерных моделей Создание цифровых топографических планов
Максимальная дальность действия, м> 50 > 100
Точность измерения расстояний, мм 15 50
Расходимость лазерного излучения, мрад 0,25
(диаметр пятна 1,2 см на расстоянии 50 м) 2
(диаметр пятна 20 см на расстоянии 100 м)
Скорость выполнения измерений, точек/с 4 000
(позволяет получать 5 млн. точек за время 20 мин) 4 000
(позволяет получать 5 млн. точек за время 20 мин)
Минимальный угловой шаг сканирования, 0,06
(линейный шаг 4 см на расстоянии 40 м) 0,1
(линейный шаг 7 см на расстоянии 40 м)
Угол поля зрения в вертикальной плоскости, 80 80
Минимальная рабочая температура, С 0 -10
Класс защищенности не ниже IP42 не ниже IP42
Класс безопасности лазера не ниже 3R не ниже 3R
На основе анализа технических характеристик современных НЛС, представленных в приложении А, и требований, изложенных в таблице 2, установлено, что для съемки объектов нефтегазопромыслов наиболее целесообразно применять сканеры Riegl, серии LMS-Z, FARO LS 880 HE 80 и Leica HDS4500.
1.3.1 Классификация программных продуктов обработки данных наземного лазерного сканирования
На современном рынке представлено достаточно много специализированных программных продуктов, предназначенных для работы с точечными моделями, получаемыми c использованием топографических НЛС (далее ПО программное обеспечение). Основными задачами, для решения которых используется ПО, являются:
а) управление НЛС в процессе работы;
б) получение метрической информации по точечной модели;
в) построение на основе точечной модели двумерных примитивов (линия, точка, текст);
г) твердотельное моделирование на основе точечной модели;
д) поверхностное моделирование на основе точечной модели;
е) вычисление площадей и объемов;
ж) построение профилей и сечений;
и) сравнение векторных и точечных моделей (инспектирование).
В настоящее время ЗАО НПП «Навгеоком» предложено деление ПО на три категории: управляющее; для создания точечной модели; для постобработки. Однако, данное деление достаточно условно, так как большинство программных продуктов содержат функции нескольких категорий. Для уменьшения неопределенности, при определении назначения ПО, автором предложена классификация, подразумевающая деление ПО на два типа (рисунок 8):
а) управляющее ПО. Основными функциями ПО данной группы являются: установление связи с НЛС, выбор параметров сканирования, запись измерений, управление данными и их визуализация. Набор функций, как правило, стандартен и настроен для работы с конкретной моделью НЛС. Кроме вышеназванных функций, управляющее ПО может иметь дополнительные, для ориентирования точечных моделей и их фильтрации;

Рисунок 8 Типы ПОб) обрабатывающее ПО. ПО данной группы предназначено для обработки данных наземного лазерного сканирования с целью получения определенной продукции. Для этого могут использоваться различные инструментальные средства, заложенные в ПО его разработчиками. Однако, в зависимости от набора задач, на решение которых направлено конкретное обрабатывающее ПО, его функциональные особенности могут существенно отличаться друг от друга.
1.3.2 Основные функции программных продуктов обработки данных наземного лазерного сканирования
С целью определения основных функций, реализованных в наиболее распространенных коммерческих программных продуктах, позволяющих работать с данными, получаемыми топографическими НЛС, выполнен анализ официальных функций наиболее распространенных программных продуктов (в скобках указаны компании-производители):
3Dipsos (Trimble);
RealWorks Survey (Trimble);
SceneVision 3D (3rdTech);
3D-Extractor (Callidus Precision Systems);
CloudWorx (Leica Geosystems);
Cyclone (Leica Geosystems);
Faro Scene (Faro Technologies Company);
VoidWorks (I-Site Pty Ltd.);
I-Site Studio (I-Site Pty Ltd.);
Focus Inspection (Metris);
Focus reverse engineering (Metris);
RiSCAN PRO (Riegl Laser Measurement Systems);
Z+F LFM Modeller (Zoller + Froehlich GmbH);
Reconstructor (Topotek Survey Technologies);
PolyWorks/Modeller (InnovMetric Software);
PolyWorks/Inspector (InnovMetric Software);
RapidForm2006 (INUS Technology);
RapidFormXO (INUS Technology);
PointCLoud (KUBIT GmbH);
Studio (RainDrop Geomagic).На основе исследования данных программных продуктов определены основные функции обработки данных наземного лазерного сканирования, и разработан состав функциональных групп, объединяющих данные функции по типам решаемых задач:
а) экспорт/импорт данных.
Данная группа включает в себя функции, используемые для обмена точечными моделями и векторными данными с другими программными продуктами. Основными функциями группы являются:
1) импорт точечных моделей сторонних форматов подразумевает импорт измерений НЛС, выпускаемых не фирмой-разработчиком ПО, кроме текстовых файлов типа «X,Y,Z,Цвет», являющихся универсальным форматом;
2) экспорт в CAD-программы. Экспорт векторных данных в формат систем автоматизированного проектирования (CAD);
3) импорт из CAD-программ. Импорт векторных данных формата CAD-программ;
б) ориентирование точечных моделей.
Данная группа включает в себя функции ориентирования точечных моделей в заданной системе координат и/или их объединения в единую точечную модель (рисунок 9). Основными функциями группы являются:
1) ориентирование точечных моделей по опорным точкам. Ориентирование по сканерным маркам или иным произвольным точкам, координаты которых известны;

Рисунок 9 Объединенная точечная модель
2) ориентирование точечных моделей по перекрытиям. Ориентирование по зонам перекрытий с соседними точечными моделями;
3) комплексное ориентирование точечных моделей. Ориентирование точечных моделей с использованием совместного уравнивания по опорным точкам и по перекрытиям с соседними точечными моделями;
в) работа с точечной моделью.
Данная группа включает в себя функции, используемые для визуализации точечной модели и основных процессов работы с ней. Основными функциями группы являются:
1) различные цветовые схемы визуализации точечной модели. Возможность представления точечной модели в различных цветовых схемах: по интенсивности отраженного сигнала (в черно-белых или иных тонах), по удаленности точки от сканера, по высоте точки, по реальному цвету точки, по нормали точки по отношению к сканеру. Примеры представления точечной модели в различных цветовых схемах представлены на рисунке 10;

Рисунок 10 Представление точечной модели в различных цветовых схемах
2) фильтрация точечной модели. Функции фильтрации точечной модели, направленные на снижение плотности точек, удаление шумов, сегментирования и так далее. Варианты фильтрации точечной модели представлены на рисунке 11;

Рисунок 11 Фильтрация точечной модели
3) выполнение измерений по точечной модели. Функции получения линейной и координатной информации по точечной модели;

Рисунок 12 Построение профиля и сечений точечной модели
4) построение профилей и сечений точечной модели. Функции, позволяющие получать сечения точечной модели определенной толщины, как в произвольных местах, так и с определенным шагом вдоль заданных осей или линий. Пример построения профиля и сечений точечной модели тоннеля в ПО RealWorks Survey представлен на рисунке 12;5) создание ортоизображений по точечной модели. Функции, позволяющие спроецировать фрагмент точечной модели на заданную плоскость и получить изображение, каждый пиксель которого соответствует измеренной точке (цвет пикселя зависит от выбранной цветовой гаммы). Пример данного изображения представлен на рисунке 13;

Рисунок 13 Создание ортоизображения по точечной модели
г) создание двумерных примитивов.
Данная группа включает в себя функции, используемые для создания таких объектов, как линия, полилиния, точка или текст, и их редактирования. Основными функциями группы являются:
1) создание двумерных примитивов по точечной модели. Функции построения двумерных примитивов;
2) независимое создание двумерных примитивов. Возможность создания двумерных примитивов без координатной привязки к точечной модели;
3) создание текстовых объектов. Возможность создания текстовых объектов, как самостоятельных, так и привязанных к другим объектам;
д) создание и редактирование плоских триангуляционных сетей.
Данная группа включает в себя функции, используемые для создания и редактирования сетей треугольных полигонов, вершинами которых являются измеренные точки, связи между которыми определены при проецировании на плоскость или иной математически описанный объект. Триангуляционная сеть, созданная по данному принципу, будет иметь объем, но не будет замкнутой. Пример создания плоской триангуляционной сети на основе точечной модели представлен на рисунке 14 (в данном случае, фигурой, на которую проецируются точки, является сфера, в центре которой находится сканер).

Рисунок 14 Создание плоской триангуляционной сети
Основными функциями группы являются:
1) создание плоских триангуляционных сетей. Функции создания плоских триангуляционных сетей по точечной модели (задание фигуры проецирования и основных параметров сети);

Рисунок 15 Сравнение плоских триангуляционных сетей
2) редактирование плоских триангуляционных сетей. Функции сглаживания и разрежения плоских триангуляционных сетей;
3) текстурирование плоских триангуляционных сетей. Функции наложения изображений на триангуляционную модель;
4) инспектирование плоских триангуляционных сетей. Возможность сравнения нескольких плоских триангуляционных сетей (рисунок 15);
5) построение сечений триангуляционной сети. Возможности рассечения триангуляционной сети с помощью заданной плоскости или плоскостей, результатом которого являются полилинии, полученные из пересечения секущей плоскости и триангуляционной сети (рисунок 16);
6) Определение объемов и площадей плоских триангуляционных сетей. Функции определения площади поверхности плоских триангуляционных сетей и вычисления их объема, относительной заданной плоскости (рисунок 17);

Рисунок 16 Сечения плоской триангуляционной сети

Рисунок 17 Вычисление объема и площади плоской триангуляционной сети
е) твердотельное моделирование.
Данная группа включает в себя функции создания цифровых трехмерных моделей по данным наземного лазерного сканирования при помощи вписывания в точечную модель твердых тел или других трехмерных объектов (плоскости, линии, точки). Твердые тела трехмерные объекты, ограниченные внешними поверхностями с определенными взаимными связями, которые образуют правильный замкнутый геометрический объем [21, 22]. Основными операциями создания твердых тел являются операции объединения, вычитания и пересечения геометрических объектов (сфер, торов, цилиндров, конусов, параллелепипедов или любых твердых тел) или выдавливания плоских контуров вдоль заданной траектории [23, 24]. Пример твердотельных моделей представлен на рисунке 18.

Рисунок 18 Твердотельные модели
Основными функциями группы являются:
1) создание твердотельных объектов по точечной модели. Функции создания твердотельных и других трехмерных объектов с использованием автоматического или полуавтоматического вписывания их в точечную модель;
2) независимое создание твердотельных объектов. Возможность «ручного» построения в пространстве твердотельных и других трехмерных объектов, независимо от точечной модели;

Рисунок 19 Профили строительных конструкций
3) создание моделей промышленных конструкций. Функции создания линейных промышленных конструкций различного профиля, применяемых при строительстве реальных объектов (рисунок 19);
4) поддержка библиотек элементов. Возможность использования библиотек строительных элементов, размеры которых соответствуют действующим стандартам, или создания собственных библиотек;
5) поддержка работы со слоями. Возможность разделения элементов модели по тематическим слоям;
6) измерения по трехмерной модели. Функции определения геометрических параметров твердотельных или других трехмерных объектов;
ж) работа с объемными триангуляционными сетями и NURBS.
Данная группа включает в себя функции поверхностного моделирования по точечной модели. Поверхностным моделированием является описание объектов сложной формы с помощью объемных триангуляционных сетей (связи между вершинами в которых определены, исходя из их взаимного пространственного положения) или сплайновых поверхностей NURBS, которые строятся из математических кривых и не имеют граней [22, 25]. NURBS аббревиатура от англ. Non-Uniform Rational B-Spline (Non-Uniform неоднородный, т. е. влияние контрольной точки, которая управляет поверхностью, может быть различным, так как каждая контрольная точка имеет собственный вес и вектор направленности [26]; Rational рациональный; B-Spline (Basis Spline) базовый сплайн, т. е. способ математического описания кривой интерполяцией между тремя и более точками) [27]. Примеры поверхностного моделирования с помощью объемных триангуляционных сетей и NURBS представлены на рисунке 20.

Рисунок 20 Объемные триангуляционные сети и NURBS
Основными функциями группы являются:
1) создание объемных триангуляционных сетей. Функции создания объемных триангуляционных сетей на точечной модели;
2) редактирование объемных триангуляционных сетей. Функции редактирования объемных триангуляционных сетей: сглаживания, закрытия дыр в сетях, объединения сетей и т. д.;
3) текстурирование объемных триангуляционных сетей. Возможность наложения изображений на объемную триангуляционную сеть;
4) работа с NURBS. Функции создания и редактирования NURBS;
5) инспектирование поверхностей. Возможность сравнения геометрических параметров отсканированных трехмерных объектов, описанных объемными сетями триангуляции или NURBS с ранее созданными моделями (измеренными или проектными);
6) выдача отчетов по инспектированию моделей. Функции передачи данных, полученных при инспектировании трехмерных моделей, во внешние электронные форматы (текстовые, графические, табличные);
7) определение объемов и площадей трехмерных объектов. Функции, позволяющие определять площади и объем объемных триангуляционных сетей или NURBS;
и) управление НЛС.
Данная группа включает в себя функции управления одной или несколькими моделями НЛС. Основными функциями группы являются:
1) управление одной моделью НЛС. Функции, позволяющие управлять одной моделью НЛС, либо несколькими моделями НЛС одной марки;
2) управление различными моделями НЛС. Функции, позволяющие управлять моделями НЛС нескольких марок.
1.3.3 Выбор программных продуктов для создания цифровых топографических планов и трехмерных моделей на основе данных наземного лазерного сканирования
Показателем эффективности ПО являются возможности решения с его помощью определенных задач. Основным критерием, определяющим данные возможности, на наш взгляд, необходимо считать функциональное содержание ПО (функциональность) определенный набор функций работы с данными наземного лазерного сканирования.
В приложении Б представлено функциональное содержание современного ПО. На основе анализа современного ПО и его функциональных возможностей, а также основываясь на личном опыте, каждой функции задан коэффициент значимости KФ в группе (сумма коэффициентов всех функций в группе равна 1) [28], используя которые, по формуле [28]:
(5)
определены численные значения групповых коэффициентов функциональности KГР, представленные в таблице 3.
Таблица 3 Групповые коэффициенты функциональности KГР
ПО Экспорт/ Импорт, КГР Ориентирование, КГР Работа с точечной моделью, КГР Построение двумерных примитивов, КГР Плоские триангуляционные сети, КГР Твердотельное моделиро-вание, КГР Объемные триангуляционные сети и NURBS, КГР Сканер, КГР
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Trimble 3Dipsos 3.0 1,00 1,00 1,00 0,50 0,90 0,70 0,60 0,00
Trimble RealWorks Survey0,67 0,67 1,00 0,50 1,00 0,00 0,10 0,00
3rd Tech SceneVision-3D 0,33 0,67 0,10 0,50 0,00 0,00 0,00 0,00
Callidus 3D-Extractor 0,33 0,67 0,10 0,20 0,50 0,20 0,00 0,00
Cyclone CloudWorx0,67 0,00 0,80 1,00 0,00 0,90 0,00 0,00
Окончание таблицы 3
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Cyclone1,00 1,00 0,80 1,00 0,90 1,00 0,00 1,00
FARO Scene0,67 0,67 0,60 0,50 0,40 0,30 0,00 0,00
I-Site VoidWorks0,67 0,00 0,80 0,30 0,80 0,00 0,50 0,00
I-Site Studio 1,00 0,67 0,80 1,00 0,80 0,00 0,50 1,00
Metris Focus Inspection 1,00 0,00 0,70 0,20 0,90 0,00 0,75 0,00
Focus Reverse Engineering 1,00 0,00 0,70 0,20 0,80 0,00 0,65 0,00
Riegl RiSCAN PRO 0,00 0,33 0,50 0,30 0,50 0,00 0,00 0,70
Z+F LFM Modeller0,67 0,33 0,50 0,30 0,40 0,40 0,00 0,00
PolyWorks/Inspector1,00 1,00 0,50 0,80 0,10 0,10 0,25 0,00
PolyWorks/Modeller1,00 1,00 0,80 1,00 0,80 1,00 0,65 0,00
Inus RapidForm2006 1,00 1,00 0,80 0,50 1,00 0,40 1,00 1,00
Inus RapidFormXO1,00 1,00 0,50 0,20 0,90 0,40 0,75 0,00
Kubit PointCloud0,67 0,00 0,80 1,00 0,00 0,90 0,00 0,00
Topotek Reconstructor0,33 0,67 1,00 0,30 0,60 0,10 0,10 0,00
Geomagic Studio0,33 1,00 0,70 0,20 1,00 0,10 1,00 0,00
С использованием полученных значений КГР, автором предлагается выполнять анализ возможностей применения программных продуктов для решения прикладных задач в следующем порядке: определяются функциональные группы, необходимые для реализации поставленной задачи; для каждой группы в процентном отношении задается коэффициент pi в решении поставленной задачи (сумма коэффициентов равняется 1); рассчитывается коэффициент функциональности программного обеспечения F по формуле:,(6)
где n количество функциональных групп, необходимых для реализации задачи.
На основе предложенного алгоритма были получены коэффициенты функциональности исследуемых программных продуктов для целей создания цифровых топографических планов FP и цифровых трехмерных моделей F3D объектов нефтегазопромыслов на основе данных наземного лазерного сканирования.
Цифровой топографический план (ЦТП) представляет собой плоское отображение ситуации с помощью следующих векторных объектов: линии, полигоны и точки. Поэтому, ПО, используемое для создания ЦТП на основе данных наземного лазерного сканирования, должно обладать развитыми функциями работы с точечной моделью и создания двумерных примитивов. Также значение имеют возможности экспорта/импорта данных. В таблице 4 приведены значения pi данных функциональных групп, заданные на основе личного опыта.
Коэффициенты функциональности программных продуктов для создания ЦТП FP объектов нефтегазопромыслов на основе данных наземного лазерного сканирования, полученные на основе предложенного алгоритма, представлены на рисунке 21.
Таблица 4 Функциональные группы ПО, используемые при создании ЦТП объектов нефтегазопромысловФункциональная группа pi
Создание двумерных примитивов 0,60
Работа с точечной моделью 0,30
Экспорт/импорт данных 0,10

Рисунок 21 Коэффициенты функциональности ПО FP для создания ЦТП объектов нефтегазопромысловДля создания цифровых трехмерных моделей (ЦТМ) объектов нефтегазопромыслов основное внимание должно уделяться функциям твердотельного моделирования, работы с точечной моделью, построения двумерных примитивов и триангуляционных сетей. В таблице 5 приведены значения pi данных функциональных групп, заданные на основе личного опыта.
Коэффициенты функциональности программных продуктов для создания ЦТМ F3D объектов нефтегазопромыслов на основе данных наземного лазерного сканирования, полученные на основе предложенного алгоритма, представлены на рисунке 22.
Таблица 5 Функциональные группы ПО, используемые при создании ЦТМ объектов нефтегазопромысловФункциональная группа pi
Твердотельное моделирование 50
Работа с точечной моделью 20
Создание двумерных примитивов 10
Работа с плоскими триангуляционными сетями 10
Экспорт/импорт данных 10

Рисунок 20 Коэффициенты функциональности ПО F3D для создания ЦТМ объектов нефтегазопромысловДля порогового значения FP и F3D > 0,75 определены программные продукты, позволяющие создавать цифровые топографические планы и трехмерные модели объектов нефтегазопромыслов. К ним относятся: Cyclone фирмы Leica, PolyWorks/Modeller фирмы InnovMetric, Cyclone CloudWorx фирмы Leica и PointCloud фирмы Kubit.1.4 Анализ возможных областей применения наземных лазерных сканеров
Основным назначением НЛС является получение трехмерных моделей исследуемых объектов. Для этого могут использоваться и другие методы, однако наземное лазерное сканирование на сегодняшний день является наиболее эффективным в случаях, когда необходимо обеспечить высокую детальность моделей при оперативном выполнении съемочных работ. Большое разнообразие характеристик НЛС и ПО позволяет говорить о возможности применения данной технологии практически во многих областях человеческой деятельности, в которых необходимо знать геометрические характеристики объектов. Основными преимуществами данной технологии являются:
дистанционность. Важной особенностью наземного лазерного сканирования является дистанционность измерений. Это дает огромное преимущество перед другими методами, предполагающими выполнение измерений контактным способом, особенно при съемке труднодоступных участков или протяженных объектов. Дистанционность позволяет повысить производительность и снизить возможные риски при съемке таких объектов;
высокая скорость выполнения измерений. Скорость выполнения измерений современными НЛС составляет до нескольких сотен тысяч точек в секунду. Такая скорость позволяет охватывать съемкой большие площади за короткое время, что значительно повышает производительность труда;
информативность получаемой модели. Получаемые в ходе выполнения сканерной съемки модели объектов обладают высокой информативностью. Плотность точек, измеренных на поверхностях, может достигать десятых долей миллиметра, что позволяет детально отобразить геометрические характеристики исследуемого объекта. Результаты измерений обладают высокой надежностью;
автоматизация процесса выполнения измерений. Особенностью, отличающей НЛС от других измерительных приборов, действующих по подобному принципу, является автоматизация процесса измерений. Во время измерений не производится наведение на определенные точки, НЛС выполняет съемку произвольно, с заданным шагом. Это минимизирует влияние человеческого фактора на результаты измерений и значительно ускоряет полевые работы;
непрерывность получаемой модели. В отличие от традиционных дискретных измерений, наземное лазерное сканирование позволяет получать точечные модели высокой плотности, т. е. результатом измерений является практически непрерывная модель объекта. Это позволяет выполнять постоянный самоконтроль при обработке данных, в отличие от традиционных методик, когда после выполнения измерений нельзя достоверно проконтролировать, с какой ошибкой был измерен тот или иной параметр.
Приведенные преимущества метода наземного лазерного сканирования применительно к геодезии позволяют говорить о высокой эффективности его применения для изучения геометрических параметров объектов, сложной формы, объектов содержащих большое количество отдельных элементов, или протяженных объектов. Наземное лазерное сканирование может применяться для решения следующих задач:
исполнительные трехмерные съемки для проектирования и реконструкции различных объектов. Наземное лазерное сканирование является эффективным инструментом получения трехмерных моделей для проектирования и реконструкции различных объектов. Применение данной технологии позволяет получать качественно новые материалы по сравнению с традиционно используемыми. Трехмерное представление значительно облегчает задачу визуального ознакомления с объектами, их реконструкции, корректного вписывания новых элементов в существующую структуру. Основными задачами, для решения которых могут эффективно применяться результаты трехмерных исполнительных съемок, являются проектирование и реконструкция промышленных, городских объектов, составления проектов застройки и ландшафтное проектирование. Кроме трехмерных моделей, на основе данных наземного лазерного сканирования создаются также традиционные материалы, в виде планов и чертежей;
мониторинг инженерных сооружений и природных объектов. Объем геометрической информации, получаемой в ходе работ по наземному лазерному сканированию, позволяет выполнять мониторинг геометрических характеристик различных природных и техногенных объектов. Использование наземного лазерного сканирования успешно используется для слежения за деформациями резервуаров, тоннелей, мониторинга оползневых процессов. Совмещение трехмерной модели Новосибирского судоходного шлюза, выполненной по результатам наземной сканерной съемки, с данными датчиков, отслеживающих относительные смещения элементов сооружения, позволило автоматизировать процессы диагностики и принятия решений. Данная система позволяет определять не только величины и направления смещений элементов, но и в какой точке зафиксированы смещения. Описание данных работ приведено в [29];
создание цифровых моделей рельефа, определение объемов складов, карьеров, разрезов. Наземное лазерное сканирование может эффективно применяться для создания цифровых моделей рельефа (ЦМР) открытых участков, в тех случаях, когда площадь участков сопоставима с производительностью НЛС. Детальность ЦМР, получаемых на основе данных наземного лазерного сканирования, может составлять до нескольких точек на 1 дм3 поверхности, что позволяет, в сочетании с высокой производительностью НЛС, оперативно определять объемы карьеров, разрезов и складов сыпучих материалов в случаях, когда применение других технологий не обеспечивает достаточную точность или нецелесообразно по трудозатратам. Также, наземное лазерное сканирования позволяет выполнять подробную съемку автомобильных и железных дорог для определения их состояния. Многократные сканерные измерения служат для мониторинга изменений рельефа или запасов материалов во времени, а также являются эффективным средством сопровождения буровзрывных работ;
создание цифровых топографических планов крупных масштабов на территории с высокой плотностью застройки и промышленные объекты. В настоящее время для топографических съемок используется современное геодезическое оборудование: электронные тахеометры и GPS-приемники. Кроме того, постоянно идет процесс совершенствования такого оборудования и повышения степени автоматизации процесса съемки. Основное отличие технологии наземного лазерного сканирования от традиционных методик топографических съемок заключается в том, что координируются не отдельные пикеты, несущие определенную смысловую нагрузку, а весь объект в целом, что повышает качество и надежность топографических планов. Автоматический режим измерений также в значительной степени освобождает результаты съемки от влияния человеческого фактора и сокращает время полевых работ;
документирование геометрических характеристик уникальных архитектурных объектов, памятников старины и археологических объектов. Сферой, в которой наземное лазерное сканирование изначально применялось наиболее активно, является съемка архитектурных объектов сложной формы, таких, как лепные элементы фасадов зданий, крупные скульптуры, памятники старины. Неразрушающий метод измерений и высокая детальность получаемых моделей позволяют применять технологию наземного лазерного сканирования для съемки различных археологических и архитектурных объектов, в том числе уникальных, таких, например, как купол Новосибирского Государственного Театра Оперы и Балета (НГАТОиБ), выполненной Региональным центром лазерного сканирования [30]. Получаемые точечные модели позволяют вести точный учет и документирование геометрических параметров таких объектов;
геометрический контроль строительства зданий и сооружений, проектирования и монтажа фасадных конструкций. Постоянной составляющей работ по возведению зданий является геодезический контроль монтажа конструкций. Наземное лазерное сканирование позволяет осуществлять контроль соответствия положения элементов конструкции проектным показателям. Особенно эффективно использование данного метода при съемке сложных металлоконструкций. В последнее время в строительстве все большее распространение получают навесные вентилируемые фасады (НВФ) и светопрозрачные конструкции, позволяющие улучшить внешний вид зданий. Результаты съемки фасадов с использованием НЛС позволяют на стадии проектирования точно рассчитать объем и спецификации применяемых материалов. Такая проблема на сегодняшний день стоит довольно остро, так как точность и детальность проекта напрямую влияют на долговечность и безопасность конструкции [31];
обеспечение безопасности жизнедеятельности. Наземное лазерное сканирование позволяет создавать трехмерные модели различных объектов, которые находят применение, в том числе, в области обеспечения безопасности. Применение таких моделей позволяет дистанционно осуществлять оперативное управление людьми и техникой в случае возникновения чрезвычайных ситуаций, планировать положение камер слежения, проектировать системы пожаротушения и сигнализации. Трехмерные модели в сочетании со специализированными базами данных могут служить информационной основой для повышения оперативности и эффективности управленческих решений на объектах повышенной опасности и в условиях чрезвычайных ситуаций [32].
Вывод
Система добычи, промысловой подготовки и транспортировки нефти и газа состоит из целого ряда сложных технологических объектов. Для их безопасной эксплуатации необходимо выполнять целый комплекс геодезическо-маркшейдерских работ, включающих крупномасштабные топографические и исполнительные съемки масштабов 1 : 2 000 и крупнее. Для выполнения таких работ целесообразно использовать наземные лазерные сканеры, позволяющие повысить их качество и достоверность.
Наземные лазерные сканеры это сложные компьютеризированные приборы, за работой которых в реальном режиме времени следит соответствующее программное обеспечение, решающее задачу управления процессами измерения углов и расстояний и получения координат точек. Выпускаемые различными фирмами наземные лазерные сканеры обеспечивают широкий диапазон точности измерения углов (от 4) и расстояний (от 2,5 мм). Технические возможности сканеров позволяют выполнить все измерения, в полной мере обеспечивающие надежную эксплуатацию объектов нефтегазопромыслов.
Обработка результатов сканерных измерений осуществляется с помощью специальных программ, позволяющих создавать по точечным моделям объектов цифровые топографические планы и трехмерные метрические модели и решать с их использованием различные геометрические и управляющие задачи (от определения площадей и объемов до создания трехмерных ГИС). На основе анализа существующего программного обеспечения, в работе приводятся функциональные характеристики программного обеспечения, выпускаемого различными фирмами.
Выбор программного обеспечения для обработки результатов наземного лазерного сканирования, имеющего соответствующие функциональные возможности, является сложной научно-технической задачей. Предложенная в диссертации методика позволяет выбрать из существующего перечня программного обеспечения то, которое соответствует решаемым задачам.
На основе анализа возможностей лазерного сканирования в работе приведен широкий перечень задач, которые могут быть решены с применением наземного лазерного сканирования.

Приложенные файлы

  • docx 18048214
    Размер файла: 3 MB Загрузок: 0

Добавить комментарий