Уральское отделение Российской академии наук
ИНСТИТУТ ГЕОФИЗИКИ
имени Ю.П. Булашевича
Лазерное 3D-сканирование
Решаемые задачи:
- Архитектура и градостроительство (создание трехмерных моделей и обмерных чертежей зданий и городских кварталов, съемка фасадов зданий и т.д.)
Оцифровка существующих зданий, съемка фасадов зданий, дорог, мостов, коммуникаций с помощью технологии трехмерного сканирования, сделала возможным реверс-инжиниринг. Цифровые строительные чертежи просты в использовании и позволяют вносить необходимые изменения быстро и эффективно. Строительство дорог, прокладывание канализации и строительство мостов, проводимое с помощью современной технологии трехмерного лазерного сканирования, способствует снижению расходов в строительной промышленности и инженерно-строительном обеспечении.
- Маркшейдерия (подсчет объемов и площадей земляных работ, сыпучих материалов и создание трехмерных моделей открытых и закрытых разработок)
Традиционным инструментом для определения объёмов сыпучих материалов и грунта является обыкновенная геодезическая съёмка (обычно с помощью электронного тахеометра), позволяющая определить объёмы материалов с точностью не выше 5–10%. Основным ограничением при проведении работ с применением тахеометров является низкая скорость измерений и физическая невозможность детальной съёмки больших объёмов материалов. В отличие от замеров посредством тахеометров или лазерных дальномеров, технология 3D лазерного сканирования позволяет детально, с шагом до единиц миллиметров, обмерить и отразить форму бурта или поверхности кучи материала на складе. Такая детальность обмеров лазерным сканером позволяет получить точность обмеров, не достижимую при применении любой другой существующей технологии. Высокая скорость работы сканера позволяют в сжатые сроки провести обмеры складов сыпучих материалов и вычислить объёмы с погрешностью до 1%.
- Археология и памятники архитектуры (создание трехмерных моделей архитектурных объектов и исторических памятников, создание обмерных чертежей и сечений)
Во многих случаях при археологических исследованиях для более глубокого понимания исторической значимости памятника необходима комплексная трехмерная модель, включающая элементы окружающей среды, в которой находится тот или иной памятник, так как размещение многих из них подчинено определенной топографической закономерности. Для памятников, занимающих большую территорию, важно знать топографические особенности отдельных ее частей, расположение оврагов, обрывов, ручьев, колодцев, бродов и т. п.
Богатые возможности трехмерного моделирования позволяют не только создавать электронные картотеки археологических памятников с традиционной структурой баз данных (содержащих информацию о наименовании памятника, его расположении, истории), но и использовать трехмерные модели в качестве электронного архива, включающего демонстрационный материал археологических исследований.
Немаловажной задачей археологии также является восстановление достоверного облика ландшафта и изменений условий его формирования в течение длительного исторического времени. Для этого целесообразно использовать детальные трехмерные модели археологических объектов, которые значительно проще создаются с использованием технологии наземного лазерного сканирования.
- Контроль деформаций
Выявление скрытых дефектов. Лазерное сканирование работает на принципе улавливания отраженного лазерного луча от поверхности. Различные поверхности характеризуются различной отражательной способностью в зависимости от их свойств и пространственного расположения. Таким образом, применение методов ЛС дает превосходный результат по обнаружению скрытых дефектов (микротрещин, зон увлажненности, отклонений стен зданий от вертикальных поверхностей).
Принцип работы сканера FARO Focus 3D:
Принцип работы лазерного сканера Focus3D основан на подаче инфракрасного лазерного луча в центр вращающегося зеркала. Зеркало отражает лазерный луч, перемещая его в сканируемой среде; рассеянный от окружающих объектов свет затем попадает обратно в сканер.
Результат сканирования — облако точек, состоящее из нескольких миллионов точек. Это трёхмерный массив точек, который несет пространственно-геометрическую информацию об исследуемом объекте: здании, строении, инженерном сооружении и т.д. Каждая точка имеет 3 координаты: X,Y,Z.
Перед началом работ лазерный сканер производит панорамную фотосъемку, значительно повышающую информативность получаемым результатов. Плотность сканирования задаётся оператором, в зависимости от поставленной задачи.
Одним из главных преимуществ данного метода является быстродействие (cканер Focus 3D создает точную виртуальную копию со скоростью до 976000 точек в секунду) наряду с высокой точностью съемки.
Технические характеристики сканера FARO Focus 3D:
-Высокая скорость измерений до 976 тыс. точек/сек.
-Максимальная дальность измерений 153,49 м (Прямой интервал).
-Широкий обзор видимости. Вертикальное поле зрения 305°. Горизонтальное поле зрения 360°. Вертикальный шаг 0,009° (40,960 3D пкс. на 360°). Горизонтальный шаг 0,009° (40,960 3D пкс. на 360°). Максимальная вертикальная скорость сканирования 5820 об/мин.
-Точность съемки 0,015°, диапазон ±5°. Погрешность ±2 мм при измерении в диапазоне от 10 м до 25 м, при коэффициенте отражения от 10% до 90%.
-ЗD-сканирование позволяет быстро произвести сбор данных, зафиксировать взаимное расположение объектов и следов, полностью исключить ошибки «человеческого фактора» при сборе данных.
-Экспорт данных в наиболее популярные CAD-системы.
Контакты:
Н.с. Вдовин Алексей Генадьевич
E-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.
Тел: +7 (950) 638-25-15
ПРИМЕРЫ РАБОТ:
По требованию заказчика необходимо было создать точную трехмерную модель бассейна для проектирования закрытого стеклопластикового вольера. Лазерное сканирование выполнялось по 4 точкам стоянки сканера, по результатам было получено облако точек.
По требованию заказчика необходимо было создать точную трехмерную модель помещения для проектирования росписей. Для перекрытия слепых зон было выполнено лазерное сканирование по 7 точкам стоянки сканера, получено облако точек.
Традиционными методами определения крена зданий и сооружений являются: метод вертикального проецирования с использованием отвеса, теодолита или прибора оптического вертикального визирования; метод горизонтальных углов, метод угловых засечек. Данные методы являются очень трудоемкими и не всегда эффективными, и точными. Использование данных трехмерной лазерной съемки для определения крена и деформации зданий и сооружений позволяет наблюдать и выявлять крены и отклонения по всей поверхности обследуемого объекта и производить подробные измерения их величин и направлений.
По требованию заказчика необходимо было выполнить высокоточную лазерную съемку помещения и создать точную трехмерную модель в программном продукте Autodesk Revit.
Для выполнения данной задачи было проведено 7 точек сканирования (стоянки прибора). Шаг между отдельными точками стоянки прибора зависел от сложности (видимости) и выбирался таким образом, чтобы наиболее точно отразить форму объекта и обеспечить перекрытие отдельных сканирований.
По требованию заказчика необходимо было создать точную трехмерную модель нескольких объектов, для дальнейшего нанесения росписей.
По требованию заказчика было необходимо произвести расчет объемов 14 объектов насыпного материала. По результатам измерений проводилась сшивка полученных сканов в единное облако точек.
По требованию заказчика необходимо было выполнить лазерное сканирование здания очень высокой точности и в кратчайшие сроки, с целью обследование технического состояния несущих строительных конструкций недостроенного здания Результат необходимо было предоставить в формате программы Autocad, в виде вертикальных и горизонтальных разрезов по каждому профилю несущих конструкции.
Задача исследования несущих конструкции решалась при помощи высокоточного лазерного сканирования. В качестве измерительной аппаратуры использовался лазерный сканер Faro Focus 3D, позволяющий детально, с шагом до единиц миллиметров, обмерить и отразить форму объекта.
Для выполнения данной задачи было проведено 58 точек сканирования (стоянки прибора). Шаг между отдельными точками стоянки прибора зависел от сложности (видимости) и выбирался таким образом, чтобы наиболее точно отразить форму объекта и обеспечить перекрытие отдельных сканирований. Для обеспечения высокой точности съемки и увязки отдельных сканирований были использованы сферы и специальные “мишени”.