розглянуті технічні можливості тривимірної лазерно-скануючої системи RIEGL VZ-2000 з метою використання їх при інформаційному моделюванні кар'єра «Вернінскій».

Анотація наукової статті з електротехніки, електронної техніки, інформаційних технологій, автор наукової роботи - Курбатова В.В.


Laser scanning system in the information modeling of the career "Verninsky". Рart 1

the technical capabilities of the three-dimensional laser scanning system RIEGL VZ-2000 with the aim of using the Verninsky quarry in information modeling are considered.


Область наук:
  • Електротехніка, електронна техніка, інформаційні технології
  • Рік видавництва: 2019
    Журнал
    вектор геонаук
    Наукова стаття на тему 'лазерно-сканувальної системи В ІНФОРМАЦІЙНОМУ МОДЕЛЮВАННІ КАР'ЄРА 'ВЕРНІНСКІЙ'. ЧАСТИНА 1'

    Текст наукової роботи на тему «лазерно-сканувальної системи В ІНФОРМАЦІЙНОМУ МОДЕЛЮВАННІ КАР'ЄРА" ВЕРНІНСКІЙ ". ЧАСТИНА 1"

    ?DOI: 10.24411 / 2619-0761-2019-10045 УДК 622.1

    Лазерні-сканувальної системи В ІНФОРМАЦІЙНОМУ МОДЕЛЮВАННІ КАР'ЄРА «ВЕРНІНСКІЙ». ЧАСТИНА 1*

    Курбатова Вероніка Володимирівна - кандидат технічних наук, доцент кафедри гірничої справи, Північно-Східний державний університет, Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Анотація: розглянуті технічні можливості тривимірної лазерно-скануючої системи RIEGL VZ-2000 з метою використання їх при інформаційному моделюванні кар'єра «Вернінскій».

    Ключові слова: лазерно-сканирующая система, сканер, маркшейдерські вимірювання, моделювання.

    Ярактіческое використання лазерно-скануючих систем поряд з завданнями експлуатації лазерно-скануючих пристроїв передбачає вирішення серйозних методичних проблем, таких, як вибір оптимального режиму зйомки, оцінка точності визначення просторових координат об'єктів того чи іншого класу. Однак найбільш цікавим і перспективним аспектом застосування технології лазерного сканування є створення математичного апарату обробки даних лазерної зйомки, за результатами якої можуть бути автоматично розпізнані і повністю підготовлені до нанесення на топографічну карту або цифрову модель місцевості найважливіші компоненти об'єктів зйомки. Такими компонентами є: цифрова модель рельєфу, рослинність, будівлі та комунікації, а також багато інших географічні об'єкти природного і антропогенного походження.

    Лазерне сканування і моделювання аналогічно фотограмметричних методів, але дозволяє отримувати координати з однієї точки стояння і без подальшої камеральної обробки - з можливістю контролю вимірювань безпосередньо в польових умовах. Крім того, забезпечується більш висока точність вимірювань в порівнянні з фотограмметричними методами при однаковій відстані від об'єкту, що знімається. Необхідно відзначити і такі переваги лазерного сканування як:

    - можливість налаштування деяких моделей сканерів на фіксацію першого і / або останнього відображення, що дозволяє розділяти відбитий сигнал від рослинності і поверхні землі - «пробивати» рослинність;

    - спрощена схема прив'язки до системи координат.

    Фінансові та часові витрати говорять на користь лазерного сканування. При відсутності необхідності векторизації тривимірного растра робота з результатами лазерного сканування може виконуватися в режимі реального часу, що для фотограмметричних способів неможливо.

    Вирішальним чинником, що визначив успіх лазерного сканування (ЛЗ), є технологічна простота збору просторових даних по підстильної поверхні. При використанні ЛЗ методів можна говорити про можливість безпосередньої зйомки рельєфу і наземних об'єктів як природних, так і мають антропогенну природу. Точність зображення компонентів рельєфу і наземних об'єктів за результатами зйомки, а також точність геометричних вимірів становить, як правило, 10 ... 20 см, що дозволяє використовувати ЛЗ дані для створення та оновлення топографічних карт і планів повного масштабного ряду аж до масштабів 1: 1000 ... 1: 2000.

    Класифікаційний аналіз наземних лазерних сканерів за технічними характеристиками. На сьогоднішній день в світі

    © ®

    Вміст цієї роботи може використовуватися відповідно до умов ліцензії Creative Commons Attribution 4.0. Будь-яке подальше поширення цієї роботи має містити вказівку на автора (ів) та назву роботи, цитування в журналі і DOI.

    виробляється значна кількість НЛС. Вони представлені великою різноманітністю моделей, що відрізняються один від одного технічними характеристиками, принципом дії, розмірами і призначенням. Основними характеристиками НЛС, визначальними їх можливості, є дальність дії і точність. При цьому, точність отримання просторових координат безпосередньо залежить від отстояния об'єкта від сканера (особливо в триангуляційних сканерах).

    Зважаючи на вищенаведене сучасні наземні лазерно-скануючі системи класифікуються на прилади ближнього, середнього і дальнього радіусу дії:

    - НЛС ближнього радіусу дії, що володіють високою (до сотих часток міліметра) точністю вимірювань, але при цьому мають обмежені дальність дії (до 10 м) і / або кут поля зору (в межах кута поля зору об'єктива цифрової камери). Такі сканери мають досить вузьку специфікацію, багато хто з них є стаціонарними;

    - НЛС середнього радіусу дії сканери, здатні виконувати вимірювання з точністю до декількох міліметрів на відстанях до 80 м. НЛС цієї групи мають, як правило, досить великий кут поля зору і високу швидкість виконання вимірювань (до 500 000 точок в секунду);

    - НЛС дальнього радіусу дії дозволяють виконувати вимірювання на відстані до 1500 м. При цьому їх точність коливається від 1 до 50 мм. Такі сканери володіють близьким до панорамному кутом поля зору (в горизонтальній площині) і високою швидкістю виконання вимірювань (до 500 000 точок в секунду). НЛС останнього типу найбільш підходять для зйомки об'єктів великої площі, так як володіють високою продуктивністю при великій вимірювальної дальності.

    Програмні засоби, що застосовуються для наземного лазерного сканування.

    Всі виробники НЛС пропонують своє ПО для управління сканером і подальшої обробки сканованих. При цьому більшість програм обробки дозволяє вирішувати прикладні завдання в різних

    областях народного господарства. Наприклад, фірма Riegl Laser Measurement Systems GmbH виробляє в даний час 1111 Riscan Pro, Trimble - 3D-Extractor, PointScape, RealWorks Survey, 3Dipsos. Крім того, ПО, призначене для подальшої обробки сканованих, випускається фірмами, які виробляють сканери, наприклад, GK Modeler НПП «Геокосмос», Rapi dF orm фірми INUS Technologies.

    Науково-виробничим підприємством «Навгеоком» запропоновано класифікацію 1111, застосовуваних в технології лазерного сканування, в залежності від функціонального призначення.

    Планово-висотну основу. Перед початком процесу зйомки лазерним з кан ер му створюється:

    - основне планово-висотну основу;

    - робоче планово-висотну основу.

    Основне планово-висотну основу створюється шляхом використання:

    1) GPS-вимірів (в основному, на відкр итих ділянках зйомки);

    2) традиційних лінійно-кутових вимірювань електронними тахеометрами (або теодолітами і светодальномерами);

    3) використанням комбінації GPS-з міру ний і лінійно-кутових вимірювань.

    Робоча планово-висотну основу (система марок зовнішнього орієнтування з кан про в) створюється на базі основного ППО по одній з схем: сканерний хід (рис. 1), з до а н - позиції (рис. 2), комбіноване ППО (рис. 3).

    Мал. 1. Схема 1 - сканерний хід

    Рис.2. Схема 2 - скан-позиції

    Мал. 3. Схема 3 - Комбінована ППО

    Оптимальна конфігурація розміщення точок робочого ППО (марок зовнішнього орієнтування) щодо лазерного сканера (ЛЗ) повинна бути наступною:

    - горизонтальні кути між напрямками на суміжні марки зовнішнього орієнтування 60 ° ... 120 °;

    - перевищення між цими марками має бать як мінімум 1,0 м, при цьому, чим більше перевищення між марками, тим менше похибка визначення висотного положення лазерного сканера, відповідно точніше по висоті реєструється скан (хмара точок лазерних відображень від знятих об'єктів);

    - відстань від ЛЗ до марок зовнішнього орієнтування рекомендується не більше 30 м, оскільки чим більше відстань між марками і сканером, тим більше висотна і планова похибки визначення положення ЛЗ.

    Установка наземних лазерних сканерів на станції Перед початком виконання вимірювань на станції сканер необхідно встановити на штатив або інший аналогічний пристрій. Якщо ви вибрали місце сканера станції основною умовою є максимальний захоплення видимої ділянки зйомки, що багато в чому визначається кутом поля зору НЛС. Для сканерів, що мають обмежений кут поля зору, використовуються різні варіанти установки їх на штатив, для забезпечення видимості на навколишні об'єкти (рис. 4).

    а)

    Мал. 4. Способи установки НЛС: а - вертикальна установка; б - горизонтальна установка; в - установка із змінним кутом нахилу; г - установка сканера з панорамним оглядом

    У моделях НЛС, що мають обмежений кут поля зору у вертикальній площині, для захоплення областей, близьких до зеніту, крім вертикальної установки (рис. 4, а), практикується установка в горизонтальне положення (рис. 4, б) або з довільним

    кутом нахилу (рис. 4, в). Дані способи установки актуальні тільки для сканерів з обмеженим вертикальним кутом поля зору, так як панорамні сканери дозволяють виконувати зйомку в близьких до зеніту областях без нахилу (рис. 4, г).

    Виконання вимірювань наземними лазерними сканерами. Процес виконання вимірювань на сканера станції аналогічний для всіх моделей НЛС і включає наступні етапи:

    а) встановлення зв'язку НЛС з керуючим ПО. Для управління процесами сканування і обміну даними між сканером і керуючим комп'ютером використовується керуюче ПО. Встановлення зв'язку з керуючим ПО здійснюється шляхом кабельного або бездротового підключення. В окремих випадках, НЛС може мати вбудований комп'ютер з монітором. Також може використовуватися запис вимірів не на зовнішній комп'ютер, а на знімні карти пам'яті різної ємності. Після запуску, керуючого ПО і встановлення зв'язку з НЛС виконуються вимірювання;

    б) завдання області сканування. Керуюче ПО для різних моделей наземних сканерів містить ідентичні функції завдання режимів сканування та обміну даними. Завдання області сканування здійснюється по зображенню поля зору сканера. Для формування таких зображень використовуються пряме відеозображення або панорамний знімок, отриманий за допомогою вбудованої відеокамери. Недоліком такого знімка є те, що реальна область сканування буде дещо відрізнятися від заданої внаслідок розбіжності положення відеокамери з приймально-передавальним трактом далекоміра. Інший спосіб формування зображення поля зору НЛС полягає в створенні зображення за даними сканування. В даному випадку, перед виконанням основних вимірів, виконується сканування в межах поля зору сканера з великим кутовим кроком. На основі отриманих вимірів формується плоский знімок поля зору сканера, кожен піксель якого відповідає одиничному виміру і пофарбований по інтенсивності повернутого сигналу. Даний спосіб дозволяє задавати область сканування, яка буде в точності відповідати реальній. Також існує можливість завдання області сканування в кутових одиницях;

    в) завдання кроку сканування. Більшість НЛС мають можливість завдання довільних значень кроку сканування як в кутовий, так і в лінійній мірі. У другому випадку в керуючому ПО вказується необхідну відстань між с'емоч-ни ми точками на певній відстані, на о сн ованія чого визначається відповідний кутовий крок;

    г) завдання режиму сканування. Багато моделей НЛС мають функції з Адан режимів сканування, спрямовані на підвищення точності вимірювань, що досягається декількома способами. Першим є фокусування лазерного проміння а, осущ ествляемая вручну на фіксовану відстань, або в автоматичному режимі для кожного вимірювання. Другим з п о с про бом є збільшення кількості прийомів виконання кожного вимірювання для подальшого їх усереднення.

    Інформаційне моделювання кар'єра «Вернінскій». Інформаційне моделювання кар'єра «Вернінскій», розташованого в Бодайбинском районі Іркутської області в 136 км на північ від міста Бодайбо, було виконано тривимірної лазерної скануючої системою RIEGL VZ-2000 відрізняється екстремально високою швидкістю вимірювань і високою точністю збору даних до 400,000 вим. / Сек і 240 скан ліній / сек (рис. 5).

    Система забезпечує дальність вимірювань більш ніж 2000 м до природних поверхонь і об'єктів, при цьому лазерний промінь абсолютно безпечний для очей (Клас лазера 1). Унікальна технологія RIEGL V-Line, в основі якої лежить оцифровка ехосигналів, аналіз і обробка форми сигналу в режимі реального часу, дозволяє виконувати вимірювання великих відстаней з високою швидкістю і точністю навіть при несприятливих погодних умовах і при наявності декількох відображень від безлічі цілей, що виникли по причини пилу, туману, дощу і снігу.

    Режими роботи:

    - автономний збір даних здійснюється за допомогою вбудованої панелі управління з кольоровим 3.5 "TFT дисплеєм;

    Paiu + ри уимім ш и

    Мал. 5. Тривимірна лазерна скануюча система RIEGL VZ-2000

    - дистанційне керування через веб-інтерфейс з використанням будь-якого стандартного планшетного комп'ютера або мобільного пристрою через Wi-Fi з'єднання;

    - дистанційне керування по кабельному або бездротовому з'єднанню з допомогою ПО RiSCAN PRO, що встановлюється на комп'ютер або ноутбук;

    - призначені для користувача настройки, що задаються через засоби / програми сторонніх виробників на підставі документально підтверджених інтерфейсів компанії RIEGL і бібліотек RiVLib;

    Методи координатної прив'язки даних сканування.

    1. Автономна прив'язка даних:

    - вбудований приймач GPS (L1) або підключений зовнішній високоточний приймач ГНСС в режимі RTK;

    - вбудований компас, точність 1 ° (СКО для азимутального орієнтування інструмента);

    - вбудований двовісний датчик нахилу (діапазон ± 10 °, точність ± 0.008 °).

    2. Визначення розташування станції за допомогою ГНСС-приймача:

    - ГНСС-приймач (режим RTK або постобработка);

    - вбудований двовісний датчик нахилу;

    - автоматичне сканування марок з відомими координатами.

    3. Прив'язка по контрольним точкам:

    - точне і швидке сканування марок

    для точного визначення положення сканера по контрольним точкам

    4. Визначення розташування станції п про точкам з відомими координатами:

    - установка на «відому точку»;

    - вбудований двовісний датчик нахилу;

    - високоточне сканування марок з відомими координатами.

    Основні особливості і компоненти сканера. Простота експлуатації досягається завдяки вбудованій панелі управління з кольоровим 3.5 "TFT дисплеєм та дистанційного управління по кабельному або бездротовому з'єднанню через веб-інтерфейс з використанням будь-якого комп'ютера або мобільного пристрою. Ефективний збір даних сканування і прив'язка даних сканування забезпечуються за рахунок вбудованого компенсатора кутів нахилу приладу, вбудованого одночастотне приймача GPS, високоточного приймача GNSS, що встановлюється нагорі сканера, цифрового компаса і внутрішньої пам'яті для зберігання даних на твердотільному накопичувачі. Можливість візуального перегляду проекту дозволяє оцінити повноту даних і перевірити хід виконання збору даних під час проведення зйомки. Система надає велику кількість зручних інструментів, які допомагають користувачеві в процесі роботи. Одним з таких інструментів є можливість запланувати сканування, щоб дані сканування збиралися в автоматичному

    режимі регулярно через певний інтервал часу без безпосереднього спостереження користувачем за системою, даний режим корисний для збору 4D даних (3D і часовий інтервал).

    Електроживлення:

    - інтелектуальне управління живленням, до трьох незалежних зовнішніх джерел живлення, які можуть бути підключені до сканера одночасно.

    - надійний захист від низької і високої напруги.

    - широкий робочий діапазон напруги зовнішнього живлення: 11 ... 32 В постійного струму;

    - споживана потужність 85 Вт (макс. 110 Вт);

    - світлодіодні індикатори стану харчування батарей;

    - опціонально додатковий набір акумуляторів NiMH великої потужності і ємності.

    Технічні характеристики RIEGL VZ-2000 представлені на рис. 6.

    Установка сканера здійснюється на точці з хорошим оглядом на необхідну ділянку.

    Краще поставити штатив якомога вище і ближче до краю уступу, але при цьому він повинен стояти надійно і безпечно (рис. 7).

    Класифікація лазерної продукції

    Дальність вимірювань 1)

    принцип вимірювання

    Режими роботи

    Клас лазера 1 (безпечний для очей) відповідно до IEC60825-1 2007

    Датяюе полажу «поширюється так« «на» вжтруиенти. дослалaewe в США Відповідно до 21 CFR 1040 10 і 104011 за виключним видом * «еііем застережень містяться в Las« Noll се No 50. ot 24 Июня 2007 'ода

    вимір часу між імпульсами, оцифровка відображених. I сигналів, аналіз форми сигналу в режимі реального часу, дозвіл неодназначно багаторазових відображень сигналу, експорт всієї форми сигналу (опціонально, до 300 кГц PRR). вимірювання за допомогою одиночних імпульсів

    Частота імпульсів "Швидкість сканування (вим. / Сек) 9 50 кГц 21.000 100 кГц 42.000 300 кГц 122.000 550 кГц 230.000 1 МГц 396.000

    Найбільше вимірювана відстань "до мети з коеф. Відбиття р г 90% до мети з коеф. Відбиття р г 20% 2.050 м 1.050 м 1.800 м" 930 М41 1,000 мо 500 м "750 м" 370 м "580 м" 280 м "

    Кількість прийнятих відбитих сигналів одного імпульсу практично необмежену 51

    точність

    Повторяемость'1 *

    Найменша вимірювана відстань

    Довжина хвилі лазери

    Кут розбіжності променя

    1) Обробка форми хвилі а режимі реального времеаі

    2) Округлі значення, обрані програмою вимірювань

    3) Типові дані для середник умови Максимальна дальність вказана для ллоскік ланцюгів з розміром перевищує діаметр лазерної плями, перпепдікупяртк куту падіння для атмосфери при

    8 мм 5 мм

    2.5 м

    ближній інфрачервоний діапазон О.Змрад9

    видимості 23 км При яскравому сонячному світлі, макс діапазон може бути менше ніж а похмуру «ходу

    4. Неодкззіачіостьдаііих усувається в програмному забезпеченні RjMTA 3D

    5. Детальна інформація надається за запитом Середня каадратіческая помилка одного виміру

    7) Розкид результатів вимірі однієї і тієї ж мети 8 CKO на 150 м дистанції за умовами випробувань RIEGL

    9) О 3 мрад відповідають увепіченію діаметра лазерного плями на 30 мм кожні 100 м дистанції

    Мал. 6. Технічні характеристики RIEGL VZ-2000

    Мал. 7. Установка лазерного сканера на станції

    Для отримання більш достовірних і точних результатів сканування, необхідно кілька скан-позицій, тобто станцій установки сканера. Як правило, вибирають кілька найбільш підходящих точок, з яких хороша видимість на необхідні ділянки. Також в процесі сканування ділянки кар'єра фотографують, щоб можна було орієнтуватися в деталях місцевості при створенні 3D моделі.

    Для встановлення зв'язку і управління на сканер закріплюється GPS тарілка, з її допомогою потрібно визначити координати скан-позиції. Потім в налаштуваннях сканера задати область, крок і режим сканування, щоб відсканувати саме необхідну ділянку. Потім почекати поки сканер

    «Впорається» з завданням і переходити на наступну станцію.

    Далі проводиться обробка результатів через програму Riscan Pro.

    * Робота виконана в рамках реалізації Програми розвитку опорного університету на базі БГТУ ім. В.Г. Шухова.

    БІБЛІОГРАФІЧНИЙ СПИСОК

    1. Гусєв В.М. Лазерно-скануючі технології зйомки гірських виробок. Кафедра маркшейдерської справи. СПб, 2013.

    2. Середович В.А., Комісарів А.В., Комісарів Д.В., Широкова Т.А. Наземне лазерне сканування. Новосибірськ: СМДА, 2009. 261 с.

    3. Ковров А.А. Про Riscan Pro і його можливості по обробці даних лазерного сканування. 59 з.

    REFERENCES

    1. Gusev V.N. Lazerno-skaniruyushchie tekhnologii s "emki gornyh vyrabotok. Kafedra markshejderskogo dela. SPb, 2013.

    2. Seredovich V.A., Komissarov A.V., Komissarov D.V., SHirokova T.A. Nazemnoe lazernoe skanirovanie. Novosibirsk: SGGA, 2009. 261 s.

    3. Kovrov A.A. Pro Riscan Pro i ego vozmozhnosti po obrabotke dannyh lazernogo skanirovaniya. 59 s.

    LASER SCANNING SYSTEM IN THE INFORMATION MODELING OF THE

    CAREER "VERNINSKY». PART 1

    Kurbatova V. V.

    Annotation: the technical capabilities of the three-dimensional laser scanning system RIEGL VZ-2000 with the aim of using the Verninsky quarry in information modeling are considered. Key words: laser scanning system, scanner, surveying measurements, modeling.

    © Курбатова В.В., 2019

    Курбатова В.В. Лазерно-сканирующая система в інформаційному моделюванні кар'єра «Вернінскій». Частина 1 // Вектор геонаук. 2019. Т.2. №4. С. 38-44.

    Kurbatova V.V., 2019. Laser scanning system in the information modeling of the career «Verninsky». Рart 1. Vector of Geosciences. 2 (4): 38-44.


    Ключові слова: Лазерні-сканувальної системи / СКАНЕР / МАРКШЕЙДЕРСЬКІ ВИМІРЮВАННЯ / МОДЕЛЮВАННЯ

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити