Escaneo láser terrestre

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Un escáner láser terrestre (LLS) es un sistema topográfico que mide a alta velocidad (de varios miles a un millón de puntos por segundo) la distancia desde el escáner hasta la superficie de un objeto y registra las direcciones correspondientes (vertical y horizontal). ángulos) con la posterior formación de una imagen tridimensional (escaneo) en forma de nube de puntos .

La esencia del escaneo láser terrestre y sus ventajas

El sistema de escaneo láser terrestre consta de un NLS y una computadora personal de campo con software especializado. El NLS consiste en un telémetro láser adaptado para operación de alta frecuencia y un escáner de rayo láser . Un servoaccionamiento y un espejo o prisma poligonal actúan como un escáner en el NLS . El servo desvía el haz en una cantidad dada en el plano horizontal, mientras gira toda la parte superior del escáner, que se llama cabeza. El escaneo en el plano vertical se realiza girando o balanceando el espejo.

Durante el proceso de escaneo, se fija la dirección de propagación del rayo láser y la distancia a los puntos del objeto. El resultado de la operación NLS es una imagen de trama : un escaneo, cuyos valores de píxel son elementos vectoriales con los siguientes componentes: distancia medida, intensidad de la señal reflejada y componente RGB que caracteriza el color real de un punto. Para la mayoría de los modelos NLS, las características de color reales de cada punto se obtienen utilizando una cámara digital no métrica.

Otra forma de representación de los resultados del escaneo láser terrestre es una matriz de puntos de reflejos láser de objetos en el campo de visión del escáner, con cinco características, a saber, coordenadas espaciales , intensidad y color real. $(x, y, z)$

El funcionamiento de los telémetros láser utilizados en el NLS se basa en métodos sin reflector pulsados y de fase para medir distancias, así como en el método de barrido angular directo (método de triangulación).

El principio de funcionamiento de los escáneres láser terrestres

Método de pulso para medir distancias

El método de impulso para medir distancias se basa en medir el tiempo que tarda una señal en viajar desde un transceptor a un objeto y viceversa. Conociendo la velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas c , podemos determinar la distancia como

R={\frac{c\tau}{2}}

donde τ es el tiempo medido desde el momento en que se aplica el pulso al diodo láser hasta el momento en que se recibe la señal reflejada.

El método de pulso para medir distancias es inferior en precisión al método de fase. Esto se debe a que la precisión real de cada medida depende de una serie de parámetros, cada uno de los cuales puede afectar la precisión de una medida en particular. Esos parámetros son:

duración y forma (en particular, la inclinación del borde de ataque) del pulso de sondeo
características reflectantes del objeto
propiedades ópticas de la atmósfera
textura y orientación de la superficie elemental del objeto que provocó la reflexión del haz de sondeo con respecto a la línea de visión

Método de fase para medir distancias

El método de fase para medir distancias se basa en determinar la diferencia de fase entre las señales moduladas enviadas y recibidas. En este caso, la distancia se calcula mediante la fórmula

R={\frac {\varphi_{\text{2R}}c}{4\pi f}}

donde φ 2R es la diferencia de fase entre la señal de referencia y de trabajo;

f es la frecuencia de modulación.

El modo de funcionamiento del dispositivo de medición de fase depende de su temperatura, con un cambio en el que la fase de la señal cambia ligeramente. Como resultado, no se puede determinar el origen exacto de la referencia de fase. Para ello, las medidas de fase se repiten en un segmento de referencia (línea de calibración) dentro del instrumento. La principal ventaja del método de medición de fase es una mayor precisión, que puede alcanzar varios milímetros.

Fuentes y clasificación de errores en los resultados del escaneo láser terrestre

El conjunto completo de errores en las cantidades medidas por el NLS se puede dividir en dos grupos:

instrumental, debido a la calidad del montaje y ajuste de las partes mecánicas, ópticas y electrónicas del dispositivo (los valores de error se reflejan en la ficha técnica del escáner y se determinan inicialmente en la etapa de montaje y ajuste del dispositivo , y luego periódicamente durante la calibración y certificación metrológica del NLS);

metódico, cuya fuente es el método mismo para determinar cantidades usando NLS. Pueden ser causados por el entorno (refracción atmosférica, atenuación de ondas electromagnéticas, vibración de instrumentos, etc.) o por características del objeto escaneado (tamaño, orientación, color, textura, etc.).

Ventajas del escaneo láser terrestre

Además de un alto grado de automatización, el escaneo láser terrestre también tiene las siguientes ventajas en relación con otros métodos de obtención de información espacial:

la capacidad de determinar las coordenadas espaciales de los puntos del objeto en el campo;
visualización tridimensional en tiempo real, que permite determinar las zonas "muertas" en la etapa de trabajo de campo ;
método no destructivo de obtención de información;
no es necesario proporcionar escaneo de puntos de objetos desde dos centros de diseño (de pie), en contraste con el método fotogramétrico;
alta precisión de medición;
el principio de adquisición de información remota garantiza la seguridad del artista al disparar en áreas peligrosas y de difícil acceso;
el alto rendimiento del NLS reduce el tiempo de trabajo de campo al crear modelos digitales de objetos, lo que hace que esta tecnología sea más rentable en comparación con otras;
el trabajo se puede realizar bajo cualquier condición de iluminación, es decir, de día y de noche, ya que los escáneres son sistemas de imágenes activos;
alto nivel de detalle;
uso multipropósito de los resultados del escaneo láser.

Descripción general de NLS

Actualmente, muchas empresas están desarrollando dispositivos para el escaneo láser tridimensional, todas estas empresas producen escáneres para diversos fines. Las tareas resueltas por un modelo NLS específico están determinadas por sus características técnicas. Las principales características de los escáneres láser terrestres modernos son:

precisión de medición de distancia, ángulos horizontales y verticales;
máxima resolución de escaneado ;
velocidad de escaneo;
alcance del escáner láser;
divergencia del rayo láser;
campo de visión del escáner;
medios utilizados para obtener información sobre el color real;
clase de seguridad del láser utilizado;
características de portabilidad e interfaz.

Software. Clasificación. Ejemplos

Los productos de software utilizados en la tecnología de escaneo láser, según su propósito funcional, se pueden dividir en los siguientes grupos:

software de control configuración de la resolución de escaneo, sector de escaneo mediante selección visual de objetos, modo de escaneo, modo de operación de cámara digital; visualización de escaneos en tiempo real; control de los resultados; calibración y prueba del escáner; identificación de posibles fallos de funcionamiento; contabilizar los errores asociados con la influencia de las condiciones ambientales externas; fusionar escaneos; orientación externa de escaneos; Software para crear un modelo de un solo punto fusionar escaneos; orientación externa de escaneos; segmentación y rarefacción de un modelo puntual; visualización de modelos de puntos; exportación e impresión. Software para construir modelos 3D y dibujos 2D a partir de datos escaneados creación de una red de triangulación irregular (TIN) y una superficie NURBS a partir de una matriz de puntos ; crear un modelo de un objeto escaneado utilizando primitivas geométricas; perfilado; construcción de dibujos; medidas (longitudes, diámetros, áreas y volúmenes de objetos); visualización del modelo construido (construcción de isolíneas , texturizado ); comparación del modelo construido con el de diseño; exportación e impresión de resultados de procesamiento de datos NLS. software complejo todas las funciones del software de control; creación de un modelo de puntos; construcción de modelos tridimensionales y dibujos bidimensionales según escaneo láser terrestre.

Campos de aplicación del escaneo láser terrestre

construcción y operación de estructuras de ingeniería

control sobre la conformidad de los parámetros geométricos de las instalaciones de nueva construcción y documentación de diseño de estas instalaciones;
ajuste del proyecto durante el proceso de construcción;
tiro ejecutivo durante el proceso de construcción y después de su finalización;
planificación y control óptimos del movimiento e instalación de instalaciones y equipos;
monitoreo de cambios en los parámetros geométricos de estructuras e instalaciones industriales operadas;
actualizar el plan maestro y recrear la documentación de construcción perdida de la instalación existente.

minería

determinación de volúmenes de labores y almacenes de materiales a granel;
creación de modelos digitales de tajos abiertos y labores subterráneas para su monitoreo (los datos sobre la intensidad de la señal reflejada y el color real permiten crear modelos geológicos);
soporte de topografía de minas para operaciones de perforación y voladura;

Industria de petróleo y gas

creación de modelos digitales de instalaciones y equipos industriales y tecnológicos complejos con el fin de su reconstrucción y seguimiento; [una]
calibración de tanques terrestres de carga de petróleo y tanques de buques tanque;

arquitectura

restauración de monumentos y estructuras de importancia histórica y cultural;
creación de dibujos arquitectónicos de fachadas de edificios;
restauración, reparación, decoración, reequipamiento de espacios interiores o elementos individuales de decoración;

otras areas

desarrollo de medidas para prevenir y eliminar las consecuencias de situaciones de emergencia;
levantamiento topográfico de territorios con alto grado de desarrollo;
construcción naval;
modelado de varios tipos de simuladores;
creación de sistemas de información geográfica bidimensionales y tridimensionales para la gestión empresarial;
registro de accidentes y escenas del crimen.

Exposiciones y conferencias sobre escaneo láser terrestre

Véase también

LIDAR

Notas

↑ Seredovich A. V. "Métodos para crear modelos digitales de instalaciones de petróleo y gas mediante escaneo láser terrestre" \\ Novosibirsk, 2007 165 p. RSL OD, 61:07-5/3352

Literatura

Seredovich V. A. , Komissarov A. V., Komissarov D. V., Shirokova T. A. "Escaneo láser terrestre" \\ Novosibirsk: SGGA , 2009. - 261 p.
Krutikov D., Barabanshchikova N. "Modelos de un escáner láser" \\ Revista TekhNADZOR , pp. 70-71, No. 3 (40), marzo de 2010