Технологии наземного лазерного сканирования для получения пространственных данных непрерывно совершенствуются: разрабатываются новые приборы и программное обеспечение. Наземные лазерные сканеры в настоящее время находят применение во многих областях, в том числе далеких от геодезии, например, они используются для фиксирования дорожно-транспортных происшествий.
В России для инженерно-геодезических изысканий и решения задач в области картографии наземное лазерное сканирование применяется не часто. Основной причиной является стоимость оборудования и программного обеспечения, которая примерно в десять раз выше стоимости электронных тахеометров, применяемых для этих же целей. Как следствие, специалистов, имеющих опыт в данной области, не так уж много. Кроме того, существенной проблемой для пользователей наземных лазерных сканеров может стать отсутствие методик проверки точности приборов, а также недостаточное количество сервисных центров на территории Российской Федерации.
Справедливости ради, следует отметить достаточно высокую надежность подобного оборудования. Еще одной проблемой является отсутствие каких-либо официальных документов, регламентирующих терминологию, используемую в области лазерного сканирования.
Точность наземных лазерных сканеров
С 2005 г. было опубликовано несколько статей, в которых авторы описывают опыт работы с наземными лазерными сканерами, а также приводят результаты исследования их точности. В 2014 г. был введен ГОСТ Р 8.794–2012. Международный документ ISO/CD 171239 Field procedures for testing geodetic and surveying instruments — Part 9: Terrestrial laser scanners. (Методики полевых испытаний геодезических приборов и приборов для съемки. Часть 9. Наземные лазерные сканеры) находится в разработке уже не первый год.
Погрешности измерений расстояний сканером, которые рассматриваются в работах, показывают, что их фактическая точность не превышает 5 мм. Она выше, чем та, которая требуется при топографической съемке крупных масштабов (сантиметры и дециметры), подобное исследование точности наземных лазерных сканеров важно для исполнительных съемок строительных конструкций.
При топографической съемке основным источником погрешностей будет точность внешнего ориентирования сканов, а также неперпендикулярность поверхности сканирования по отношению к лазерному лучу и свойства сканируемой поверхности. В практическом смысле наибольший интерес представляет статья Канашина Н.В. и Степанова Д.И. «Современные проблемы обработки данных наземного лазерного сканирования и возможные пути их решения». Для оценки точности ее авторами использовался базис из пяти контрольных пунктов с устройствами для принудительного центрирования, установленных на одной прямой.
Похожий способ используется для поверок лазерных дальномеров. Расстояние между центрами контрольных пунктов составляло около 24 м. Сканер устанавливался рядом с одним из начальных пунктов, а на другие, поочередно, размещалась светоотражающая марка. Выполнив измерения всех расстояний и сравнив их с эталонными значениями, авторы определяли среднюю и среднюю квадратическую погрешности линейных измерений. Оценить угломерные параметры сканера такой способ не позволяет из-за вытянутой конфигурации эталонной сети.
При топографической съемке, в полевых условиях, можно использовать достаточно грубый, но простой способ поверки сканера. Для этого необходимо наличие эталонного объекта (устройства) с известными размерами, например, нивелирной рейки. Погрешность измерений можно оценить, выполнив сканирование рейки на разном расстоянии от сканера и определив по облаку точек ее длину. При этом следует по добрать плотность сканирования таким образом, чтобы количество точек в скане рейки было приблизительно одинаковым. Если сканер, например, укомплектован фотоаппаратом, то можно выполнить поверку, пользуясь частью шкалы рейки и ориентируясь по ее штрихам.
Терминология в области лазерного сканирования
В настоящее время словосочетание «лазерное сканирование» встречается во многих отраслевых инструкциях, хотя официально этот термин нормативными документами не закреплен. Документом, где он был упомянут впервые, по всей видимости, является Инструкция по производству маркшейдерских работ (РД 0760303), вышедшая в 2003 г. В ГОСТ Р 8.794–2012 термину «скан» дается следующее определение: «изображение, получаемое лазерным сканером за один цикл его работы, элементами (пикселями) которого являются лазерные отражения точек объекта». Из этого определения непонятно, чем «скан» отличается, например, от обычной цифровой фотографии.
Там же, в свою очередь, приводятся ссылки на ГОСТ 21830–76 и на ГОСТ 22268–76. Очевидно, что эти стандарты значительно устарели, а термин «скан» там отсутствует. Часто вместо понятия «скан» используется выражение «облако точек». Термин «облако точек» — это не очень удачная калька с англоязычного термина «рoint cloud». В русскоязычном разделе «Википедии» можно найти следующее определение: «Облако точек — набор вершин в трехмерной системе координат». Данное определение не является верным, поскольку облако точек дискретно и его нельзя считать поверхностью. Поверхность с вершинами (триангуляция Делоне) создается только после обработки облака точек по определенным алгоритмам.
В англоязычной версии «Википедии» дается следующее определение: «Облако точек является множеством точек данных в некоторой системе координат». На немецком языке это определение звучит так: «Облако точек представляет собой набор точек векторного пространства с неупорядоченной пространственной структурой. Положение точек определяется их пространственными координатами. Помимо координат точки могут иметь дополнительные атрибуты, например, цвет или силу отраженного сигнала». Исходя из этого, более подходящим переводом представляется выражение «массив» или «кластер точек».
Другой часто встречаемый термин — «сканерный ход», который используется во многих публикациях. Геодезические ходы часто классифицируют по наименованию применяемых приборов (например, тахеометрический ход, нивелирный ход) или по геометрическому виду хода (например, замкнутый ход). Но, согласно ГОСТ 22268–76, геодезический ход — это геодезическое построение в виде ломаной линии. Построение, выполненное наземным лазерным сканером с использованием нескольких связующих точек, линией не является. Такое построение напоминает систему угловых засечек, поэтому определение сканерного хода может быть, например, таким: сканерный ход — скан в одной системе координат, состоящий из двух (и более) сканов, каждый из которых имеет со смежным сканом как минимум три общие точки.
В англоязычной документации к программе для обработки данных лазерного сканирования RiSCAN PRO (приводится близкое по смыслу словосочетание — «registered neighboring scan positions» (дословно — «записанные соседние скан позиции»). В ГОСТ при определении погрешности горизонтальных углов используется выражение «внешнее ориентирование сканера». Термины «внешнее ориентирование», «внутреннее ориентирование» и «элементы внешнего ориентирования» относятся главным образом к фотограмметрическим измерениям. Их использование в области лазерного сканирования требует пояснений.
Применительно к сканерному ходу, определение внешнего ориентирования может быть таким: внешнее ориентирование — это ориентирование скана относительно системы координат объекта сканирования. Элементами внешнего ориентирования скана являются углы, определяющие угловую ориентацию скана в системе координат объекта сканирования, и линейные элементы, которые задают начало системы координат скана в системе координат объекта сканирования. Взаимное ориентирование сканов — это ориентирование всех сканов хода относительно системы координат одного из сканов. Другое, часто используемое выражение, которым называют действия по внешнему и взаимному ориентированию сканов — это «сшивка облаков точек». Для внешнего ориентирования необходимо выполнить геодезическую привязку как минимум трех опорных точек. В зависимости от их количества и расположения можно выделить «замкнутый» и «разомкнутый» сканерные ходы. Замкнутый ход — это последовательность сканов, при которой каждый скан имеет общие точки как минимум с двумя соседними сканами. Разомкнутый ход включает сканы, которые имеют общие точки только с одним из соседних сканов.
Также в документации к программе RiSCAN PRO для обозначения замкнутого и разомкнутого ходов используются термины «chain» (цепочка) и «ring» (кольцо). Для связующих точек служит словосочетание «corresponding point» («подобная» или «соответствующая» точка), для контрольных — «control point» («контрольная точка»). Место установки сканера обозначается как «scan position» («позиция сканирования»).
Примеры топографической съемки крупного масштаба наземным лазерным сканером
В качестве примера рассмотрим результаты топографической съемки крупного масштаба различных участков местности и объектов с помощью наземного лазерного сканера Riegl VZ400. Во всех случаях элементы внешнего ориентирования сканов определялись аналитическим способом с помощью марок. Технология съемки сканером Riegl VZ400 предусматривает в качестве опорных или связующих точек использование специальных светоотражающих марок. В комплекте со сканером поставляется три вида марок.
Первый вид представляет собой светоотражающую пленку с клеящейся основой в виде круга диаметром в 5 см. Другой — это цилиндры диаметром 5 и 10 см, также покрытые светоотражающей пленкой. Третий вид марок нестандартных размеров можно изготовить самому. Марки круглой формы удобнее всего использовать в качестве контрольных точек, цилиндры — в качестве связующих. Как показала практика, при выполнении топографической съемки масштаба 1:500 достаточно, чтобы расстояние между опорными точками составляло порядка 400 м. Расстояния между связующими точками обычно выбираются в зависимости от плотности сканирования и раз мера марок. При угловом шаге сканирования 0,050 марки размером в 5 см обычно размещаются на расстоянии не более 15 м от сканера, для марок размером в 10 см это расстояние можно увеличить до 25 м.
При больших расстояниях или большем угловом шаге сканирования лазерный луч сканера начинает пропускать марки, и их невозможно обнаружить на сканах. Поэтому при сканировании открытой территории площадью в 1 га, для внутреннего ориентирования, необходимо выполнить четыре скана при шаге сканирования 0,050. Очевидно, что такая плотность для топографической съемки избыточна. Можно увеличить расстояние между сканами, но тогда потребуется выполнять внешнее ориентирование отдельно для каждого скана. При этом соответственно увеличатся трудозатраты.
С учетом времени перестановки сканера и сканирования 3-4 связующих точек, время работы на каждой станции составляет около 20 минут. Для внешнего ориентирования одного скана достаточно трех марок, которые устанавливаются на опорных точках, но, чтобы оценить точность внешнего ориентирования скана, необходима четвертая опорная точка. Поэтому для оценки точности внешнего ориентирования сканерного хода опорных точек должно быть не менее шести, и они должны принадлежать разным сканам.
Найти оптимальный баланс по трудозатратам на процесс сканирования и подготовительные работы (установка сканера и марок, привязка марок и др.) можно только, исходя из конкретной ситуации. Когда сохранность местоположения марок обеспечивается в течение дли тельного срока, например, в условиях промышленной застройки, размещение и привязку марок геодезическими метода ми предпочтительнее выполнять заранее. При создании топографического плана масштаба 1:500 на территорию площадью в 5 га требуется в среднем один рабочий день. Причем затраты времени на съемку территории такой площади практически не зависят от сложности участка.
«Слабым» местом Riegl VZ400 является емкость аккумулятора. У сканера имеется один встроенный и один внешний аккумулятор, предусмотрена возможность подключения аккумулятора автомобиля. Опыт показывает, что емкость встроенного аккумулятора позволяет выполнить около 10 сканов с указанной выше плотностью сканирования, а емкости внешнего аккумулятора хватает на 25 сканов. Согласно техническим характеристикам, сканер может работать при температуре окружающей среды до –40 °C, однако при этом будет потреблять значительно больше электроэнергии. Так, например, при температуре –15 °C емкости внешнего аккумулятора хватало только на 10 сканов, а внутреннего — не хватало даже на один скан. В итоге, вместо стандартного аккумулятора, в качестве блока питания пришлось использовать аккумулятор от мотоцикла емкостью в 30 Ач.
У сканера Riegl VZ400 крайне неудобные ручки для его переноски одним человеком, при его весе 9,6 кг. Это значение указано в технических характеристиках производителя, однако в него не входит вес внешнего аккумулятора (3 кг) и дополнительной крепежной платформы (2 кг). С учетом штатива, компьютера, комплекта светоотражающих марок и фотоаппарата общий вес оборудования, с которым приходится работать в полевых условиях, составляет более 15 кг. Еще нужно не забыть про вес кофров, в которых перевозится оборудование. Исходя из такого количества оборудования и его веса, бригада для проведения полевых работ с помощью этого сканера должна состоять из не менее трех человек (одного оператора и двух рабочих).
Приведем трудозатраты по трем наиболее характерным видам участков, на которых топографическая съемка выполнялась с помощью наземного лазерного сканирования (при этом затраты времени на привязку опорных точек не учитывались). Все участки относятся к III категории сложности производства измерений. При камеральной обработке использовались программы: RiSCAN PRO — для ориентирования сканов и первичной обработки, AutoCAD Civil 3D — для построения и редактирования цифровой модели рельефа и GeoniCS — для изображения ситуации.
Первый пример — карьер со сложным рельефом. Обычно результаты сканирования таких объектов демонстрируются производителями оборудования в рекламных материалах, поскольку они позволяют показать ощутимые преимущества использования наземного лазерного сканирования. Трудозатраты на съемку участка площадью в 15 Га составили:
- количество сканов — 15;
- продолжительность полевых работ — 1 рабочий день;
- камеральная обработка — 2 рабочих дня.
В данном примере предварительно был проложен ход полигонометрии и почти все сканы привязывались отдельно.
Второй пример — участок с открытым распределительным устройством (ОРУ), служащим для приема и распределения электрической энергии на территории действующего промышленного предприятия с большим количеством контуров. Трудозатраты на съемку участка площадью в 2 Га составили:
- количество сканов — 15;
- продолжительность полевых работ — 1 рабочий день;
- камеральная обработка — 10 рабочих дней.
В этом случае начало и конец сканерного хода были привязаны к опорным точкам.
Третий пример — предгорье с перелесками, с микрорельефом, половина территории которого покрыта лесом. На такой местности преимущества применения наземного лазерного сканирования не столь заметны. Трудозатраты на съемку участка площадью в 3 Га составили:
- количество сканов — 8;
- продолжительность полевых работ — 1 рабочий день;
- камеральная обработка — 15 рабочих дней.
В этом случае была выполнена привязка к четырем опорным точкам, приблизительно в центре участка. Значительные затраты времени на камеральную обработку данного участка вызваны необходимостью удаления со скана точек, относящихся к растительности. Алгоритм камеральной обработки при этом следующий: после того, как внешнее и взаимное ориентирование сканов выполнено, скан, с которого необходимо удалить растительность, делится на узкие полосы. Чем уже полоса, тем точнее будет цифровая модель рельефа. В данном случае полосы принимались шириной от 2 до 10 м.
Такой способ применим для покрытых растительностью участков со следующими оговорками, лазерное сканирование желательно выполнять в то время года, когда на деревьях отсутствует листва и высота травяного покрова не превышает 30 см. Следует отметить, что на местности, покрытой слишком высокой травой и густым кустарником, съемка наземным лазерным сканером в принципе невозможна.
Влияние внешнего и взаимного ориентирования сканов на точность создания топографического плана масштаба 1:500
На точность топографических работ, выполняемых с помощью наземного лазерного сканирования, влияют ошибки определения элементов внешнего и взаимного ориентирования. Как было отмечено выше, для внешнего ориентирования сканов необходимо определить координаты трех опорных точек, на которых должны быть размещены марки для привязки сканов. Однако из опыта работ можно сделать заключение, что трех марок для внешнего ориентирования недостаточно. Невыполнение этого условия может привести к очень грубым ошибкам.
Кроме того, необходимо, что бы расстояние между опорными точками составляло не менее 10 м, а превышение между ними было как можно больше. Практика показывает, что для обеспечения необходимой точности бывает достаточно превышения между марками в 1,5–2 м. При протяженных сканерных ходах желательно размещать опорные точки через 400–500 м, группами по четыре точки. В этом случае удастся избежать ошибок внешнего ориентирования, а отображение рельефа будут удовлетворять требованиям. Согласно инструкции, средние погрешности определения высоты точек рельефа относительно ближайших точек геодезического обоснования не должны превышать по высоте: 1/4 высоты сечения рельефа при углах наклона местности до 20 и 1/3 — при углах наклона более 20 или при сечении рельефа через 0,5 м. На участках местности, покрытых лесной растительностью, допуски увеличиваются в 1,5 раза. То есть при съемке равнинного участка в масштабе 1:500 c сечением рельефа через 0,5 м погрешность составляет 12,5 см. Для горного участка, покрытого лесом, эта погрешность будет составлять 25 см.
И.В. Морозов («Институт Гидропроект»)