Scanare Laser

Sisteme de scanare 3D --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Scanare Laser – O nou ă tehnică în Măsurătorile Terestre Principii generale

În documentarea unor construcţii şi instalaţii existente, precum şi restaurarea unor monumente istorice, cunoaşterea geometriei obiectului este de cea mai mare importanţă. Documentarea complex ă a construcţiilor are astăzi loc de regulă într-un GIS, reprezentarea spaţială a obiectului bazându-se pe un număr limitat de forme elementare de modelare, cum ar fi linii, poligoane şi corpuri. Prin ele sunt reprezentate muchii, colţuri, plane şi elemente de volum ale obiectului real. În func ţie de scopul urmărit, modelul rezultat trebuie să corespundă în limita unei anumite precizii cu obiectul real. Dealungul timpului s-au elaborat o serie de metode pentru ridicarea punctelor spaţiale, pornind de la metodele tahimetrice, unde ridicarea era realizat ă punct cu punct şi cu atribute pentru fiecare punct, până la ridicarea în masă a punctelor obiect prin metode fotogrametrice şi scanare laser. La m ăsur ătorile tahimetrice, timpul pentru discretizarea punctuală a obiectelor şi inserarea de atribute fiecărui punct este foarte mare comparativ cu metodele fotogrametrice şi de scanare laser, care asigur ă o preluare rapidă, însă f ăr ă atribute. Scanarea Laser este o nou ă tehnică geodezică, prin intermediul căreia poate fi măsurată complet automat (mai mult sau mai puţin) geometria unei structuri, f ăr ă ajutorul unui mediu reflectorizant, cu înaltă precizie şi cu viteză ridicată. Rezultatul măsur ătorilor este reprezentat de o mulţime (considerabilă) de puncte, numit ă în literatura de specialitate nor de puncte. puncte. Până în momentul de fa ţă nu a fost dat ă o defini ţ ie ie general acceptat ă în ceea ce prive şte instrumentele (mijloacele de m ă surare) care pot fi considerate scanere 3D. Datorit ă faptului că sunt utilizate diferite principii tehnice la m ă surarea elementelor necesare calculului coordonatelor 3D, o serie de speciali şti au încercat să delimiteze scanerele 3D de alte instrumente bazate pe propriul lor mod tehnic de operare. Acest punct de vedere, pe lânga alte dezavantaje, a condus la discu ţ ii ii de prisos şi inutile dac ă scanarea 3D apar ţ ine ine mă sur ătorilor geodezice sau fotogrametriei. Pentru utilizator, de altfel, rezltatul este singurul care conteaz ă , indiferent de metoda utilizat ă pentru ob ţ inerea inerea lui. Din punctul lui de vedere, un scaner 3D este orice dispozitiv care colecteaz ă coordonatele 3D ale suprafe ţ ei ei terenului sau ale uni obiect: - automat ş şi într-un model sistematic; - cu o rat ă / frecven ţă ridicat ă (sute sau mii de puncte pe secund ă ); in în timp - cu livrarea rezultatelor (coordonatele 3D) mai mult sau mai pu ţ in real. Scanerul poate sau nu să livreze valori ale reflectivit ăţ ii suprafe ţ ei ei scanate, ca ăţ ii informa ţ ie ie suplimentar ă la coordonatele 3D. Tehnologia curentă de scanare laser poate fi clasificată în două categorii: statică şi dinamică. 1

Sisteme de scanare 3D ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Scanarea laser statică este definită în cazul în care scanerul este instalat într-o poziţie fixă pe durata achiziţionării datelor. Avantajele utilizării acestei metode se regăsesc în precizia ridicată a rezultatelor şi în densitatea relativ mare a punctelor. Scanerele laser statice mai sunt întâlnite şi sub denumirea de scanere laser terestre, însă nu există o delimitare o delimitare clar ă între aceste două noţiuni. În cazul scanării laser dinamice, scanerul laser este montat pe o platformă mobilă. Această platformă poate fi un avion (scanare laser aeriană) sau un vehicul în mişcare. Aceste sisteme sunt însă mult mai complexe şi mai costisitoare, pentru că lucrează de cele mai multe ori în combina ţie cu sisteme adi ţionale de poziţionare (INS – Sisteme de Navigaţie Iner ţiale, GPS – Sisteme de Poziţionare Globală). Scanerul laser terestru înregistrează punctele tridimensional, prin măsurarea unghiului orizontal şi vertical, precum şi a distanţei spaţiale spre fiecare punct. DOMENIUL DE Măsurarea distanţei se face electro-optic, MASURARE în cele mai frecvente cazuri prin procedeul impulsului sau comparaţiei de fază, în funcţie de tipul instrumentului. Prin folosirea unor funcţii trigonometrice R E N simple se obţin coordonatele punctelor, A C S într-un sistem cartezian de coordonate propriu scanerului. Unghiul orizontal şi vertical sunt modificate în mod automat LASER cu intervale prestabilite. Y

OGLINGA DEVIATOARE

RAZA EMISA SI RECEPTIONATA

FOTODIODA CU AMPLIFICATOR

x

x

E D A A D E N T A A M T O I N C U R O T A L U C L A C

314 MHz / 10 MHz

DIRIJAREA SCANERULUI

MODEM A/D

A/D FAZA

Fig. 1 Principiul Scan ării Laser terestre

INTENSITATE

UNITATEA CENTRALA

Scanarea laser constă în devierea unei raze laser prin intermediul unei oglinzi (prin baleere sau rotaţie), reflectarea razei laser de pe suprafaţa obiectului măsurat şi receptarea razei laser reflectate. Faţă de măsurarea distanţelor utilizând un mediu reflectorizant, precizia de măsurare în această situaţie depinde de intensitatea razei laser reflectate (Figura (Figura 1). 1). Legături funcţionale între precizie şi intensitate sunt descrise de legile fizicii. Parametrii principali în această funcţie sunt distanţa de la scaner pân ă la obiect, unghiul de incidenţă şi proprietăţile reflectorizante ale suprafeţelor. Un scanner laser terestru, staţionar, presupune existenţa unui mecanism complex care să permită măsurarea pe două direcţii a unui spaţiu obiect oarecare. Aceste direcţii pot fi considerate ca fiind cea verticală şi cea orizontală. Acest principiu este sugerat în Figura 2. 2. Raza modulată de lumină este emisă de o unitate electronică (A) şi întâlneşte elementul optic (D), care se roteşte cu o viteză foarte mare. De pe suprafaţa acestui mediu optic (care are proprietăţile unie oglinzi) raza laser este reflectată şi se propagă XYZ, I

PROCESOR

MEMORARE MASURATORI

2


sub un unghi specific (B). În momentul în care scanerul a parcurs întreg profilul din spaţiul obiect, partea superioar ă a scanerului (C) se roteşte cu un mic unghi (a) în jurul axei verticale, în scopul de a începe parcurgerea unui alt profil, adiacent primului. Operaţiunile se repetă până la parcurgerea tuturor profilelor, prestabilite, ale spaţiului obiect supus investigării. Fig. 2 Principiul de măsurare

Combinaţia între elementele optice rotative şi mecanismele în mi şcare ale instrumentului ofer ă razei laser reflectate posibilitatea de a crea o reţea ( grid grid / gril ă) uniformă. Descrierea suprafeţei unui obiect se face printr-un număr cît mai mare de puncte preluate (măsurate), distanţa dintre aceste puncte (dimensiunea grilei) poate fi de ordinul milimetrilor până la centimetri. Rezoluţia sau dimensiunea laturilor grilei grilei de puncte care să descrie suprafaţa unui obiect poate fi de ordinul milimetrilor pân ă la centimetri, în funcţie de poziţia instrumentului (distanţa între punctul de staţie şi obiectul de scanat), precum şi de înclinarea suprafeţelor de pe obiect faţă de direcţia de scanare. Comparativ cu înregistr ările fotogrametrice rezoluţia este mult mai sc ăzută, fapt pentru care, exist ă tendinţa de combinare a celor dou ă tehnici de preluare în masă a punctelor. Precizia determinării poziţiei spaţiale a punctelor poate fi de ordinul milimetrilor. Coordonatele carteziene 3D ale fiecărui punct măsurat sunt furnizate prin intermediul măsur ării distanţelor, a direcţiilor orizontale şi a unghiurilor verticale. Acesta este principiul cunoscut în tehnica măsur ătorilor terestre sub denumirea de metoda coordonatelor polare. polare. Este important de remarcat că aceste coordonate au ca sistem de referinţă un sistem intern, definit (x, y, z) al instrumentului, care apoi, prin georeferenţiere poate fi încadrat într-un sistem de coordonate extern (X, Y, Z), dac ă acest lucru este necesar. Fig. 3 Nor de puncte cu informa ţ iiii referitoare la intensitate 3


De cele mai multe ori, alături de informaţiile cu caracter geometric (determinarea coordonatelor 3D) sunt oferite înregistr ări ale intensităţii norului de puncte (informaţii radiometrice) iar cu ajutorul unei camerei fotografice încorporate se poate obţine o fotografie a spaţiului obiect (Figura (Figura 3). 3). 1 Se poate vorbi în acest caz chiar de LiDAR (Light Detecting And R anging), anging), definită ca o tehnologie de teldetecţie optică, prin intermediul căreia se măsoar ă proprietăţile luminii difuze pentru a găsi distanţa şi/sau alte informaţii referitoare la o ţint ă îndepărtată. Determinarea coordonatelor se realizează prin metoda polar ă, raza laser emisă de aparat fiind reflectată de obiect şi se măsoar ă distanţa, direcţia în spaţiu şi intensitatea luminii reflectate. În concluzie, se poate spune c ă Scanarea Laser Terestr ă este o metodă de conversie a datelor spaţiale de înaltă rezoluţie în modele geometrice (2D sau 3D) de date de măsur ători precise. Măsurători de distanţe utilizând tehnica Laser. Principii generale.

O posibilă clasificare a tipurilor de scanere laser terestre se poate face în funcţie de principiul de m ăsurare a distanţelor utilizat. În acest sens se pot enumera cele trei principii, cele mai utilizate la construcţia acestor tipuri de aparate: 1. Principiul măsurării timpului , întâlnit în literatura de specialitate sub denumirea de time of fight sau laser pulsed . În acest caz, distan ţa de la instrument la obiect este determinată în funcţie de timpul de parcurgere a acesteia sau timpul între emitere şi recepţie a undei laser. reflector (obiect)

transmiţă transmiţător tor

interfaţă interfaţă

postprocesare

procesare semnal

receptor

Fig. 4 Principiul de măsurare al senzorului Laser (metoda time of flight) 1

Cea mai utilizat ă metod ă de determinare a distan ţ ei ei până la un obiect sau o suprafa ţă este metoda pulsului laser. Similar cu tehnologia radar, care utilizeaz ă undele radio, distan ţ a este determinat ă prin măsurarea diferen ţ ei ei de timp între momentul transmiterii pulsului şi al detect ării semnalului reflectat. Tehnologia LIDAR are aplica ţ ii ii în geologie, seismologie, teledetec ţ ie, ie, fizica atmosferei, etc. O alt ă defini ţ ie ie pentru LIDAR include ALSM (Airborne Laser Swath Mapping) şi altimetrie laser. Acronimul LADAR (Laser Detection and Ranging) este deseori utilizat în context militar. Este deasemenea utilizat termenul laser radar dar trebuie evitat ă utilizarea acestui termen, pentru c ă poate crea o confuzie, deoarece se folose şte raza laser şi nu undele radio.

4


În principiu, o diodă emite un impuls laser, cu o frecvenţă dată, către un obiect din teren. Această undă este reflectată difuz de pe suprafaţa obiectului şi o parte din ea se întoarce la receptor (Figura (Figura 4). 4). Pentru fiecare impuls este măsurat timpul între emitere şi recepţie. Distanţa rezultată combinată măsur ătorile de unghiuri (ale oglinzilor, prismelor, axelor motoarelor) ofer ă posibilitatea determinării poziţiei 3D a punctului de intersecţie dintre raza laser şi suprafaţa investigată. Trăsăturile principale ale senzorului Laser Pulsed - metoda: măsurarea timpului (time of flight ); ); - lungime de undă în domeniul infraroşu; - diodă pulsatoare ca transmiţător laser;

-

receptor optic senzitiv; detector de semnal pentru pulsuri multiple; microprocesor pentru postprocesare; interfaţă; mecanism de scanare optico-mecanic corespunzător

Avantaje:

-

mărime redusă; fiabilitate sporită; imunitate ridicată la interferenţe; precizie ridicată; domeniu mare de măsurare; culegerea rapidă a datelor; raza laser puternic colimată; raport performanţă/preţ excelent

Influenţe asupra domeniului de m ăsurare Reducerea razei de acţiune poate fi cauzată de:  str ălucirea puternică a luminii zilei;  vizibilitate proastă;  praf sau murd ărie pe lentile Modul de lucru la m ăsurarea distanţelor

Un generator de puls electric acţionează asupra unei diode laser care emite pulsuri de lumină infraroşii, care sunt strânse într-un fascicul paralel prin intermediul unor lentile. Prin lentilele receptoare, parte din semnalul rezultat reflectat de ţintă love şte (atinge) o fotodiodă care generează un semnal electric receptat. Intervalul de timp între transmiterea şi recepţia pulsaţiilor este contorizat prin intermediul unui stabilizator de frecvenţă cu quar ţ. Valoarea calculată a razei de acţiune (a intervalului) este preluată de un microcomputer intern care procesează datele măsurate şi le afişează pe display ca date de ieşire (Figura (Figura 5). 5). Distanţa rezultă din relaţia: 5

Sisteme de scanare 3D --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------c d = o ∗t

2

unde: d – distanţa; co - este viteza luminii în vid (299 792 458 m/s); t - timpul contorizat pe traseul dus – întors .

Fig. 5 Principiul de măsurare al senzorului Laser (metoda time of flight) 2. Principiul măsurării diferenţei de fază, întâlnit în literatura de specialitate sub denumirea de phase sau phase difference sau phase comparison. Această metodă este bine cunoscută şi de la staţiile totale care utilizează acest principiu. Din punctul de vedere al unui utilizator, această metodă nu este foarte diferită de cea prezentată anterior. Diferenţa constă într-o analiză mai complicată a semnalului receptat, rezultatul acesteia reflectându-se în criteriul de precizie al măsur ătorilor. În principiu, distanţa de la instrument (emiţător) la obiect este determinată în funcţie de diferenţa de fază între semnalul emis şi cel recepţionat (Figura (Figura 6 ). ). Distanţa rezultată combinată cu măsur ătorile de unghiuri (ale oglinzilor, prismelor, axelor motoarelor) ofer ă posibilitatea determinării poziţiei 3D a punctului de intersecţie dintre raza laser şi suprafaţa investigată. d = N∗ Semnal transmis

Δ 2 2 +

Fig. 6 Pricipiul diferen ţ ei ei de faz ă

Δt Semnal receptionat

Fiind vorba despre o emitere continuă de unde laser (continuous wave, cw), intensitatea laserului este 6


modulată de o funcţie bine definită, sinusoidală sau pătratică. Modulaţia semnalului este repetată continuu cu o perioadă de timp Tp. Laserul emite continuu o lumină cu nivele moderate de putere (cw). Timpul în care semnalul parcurge distanţa TL este determinat prin măsurarea diferenţei de fază Δt între semnalul transmis şi cel recepţionat. Perioada de timp Tp sau echivalentul ei frecvenţa f sau lungimea de undă definesc domeniul maxim (distanţa) R un un (unambiguous range), care este egal ă cu /2 pentru domeniul parcurs dus-întors şi rezoluţia domeniului Δs. Pentru o rezoluţie de fază cunoscută (Δ ), rezoluţia domeniului se calculează cu relaţia:

Δs = ∗ Δ 2

Relaţia de mai sus relevă faptul că rezoluţia domeniului poate fi îmbunătăţită rpin utilizarea de semnale cu lungime de undă scurte, în condiţiile păstr ării constante a rezoluţiei fazei. În aceste condi ţii, atingerea unei rezoluţii înalte pentru distanţă este posibilă numai în condiţiile utilizării a mai multor semnale modulate, cu frecvenţe diferite. O astfel de metodă este cunoscută sub denumirea de frecven ţ e multiple . În acest caz, frecvenţa cea mai înaltă determină rezoluţia şi acurateţea (precizia) iar frecvenţa cea mai joasă defineşte distanţa. Precizia este determinată cu relaţia: 1 = ∗ R 4 SNR unde: SNR raportul semnal – zgomot ( signal-to-noise signal-to-noise ratio ). Principiul metodei poate fi uşor realizat utilizând o diodă laser semiconductor, datorită faptului că lumina poate fi direct modulată. Datorită lărgimii înalte a benzii realizată de dioda laser este posibilă realizarea unei frecvenţe înalte, mai mare de 10 Hz. Pornind de la aceste ultime considerente, este de men ţionat că metoda este aplicabilă la sistemele de măsurare (scanare) în domeniul apropiat. Pornind de la considerentele teoretice, pur fizice, se poate afirma că prin intermediul acestei metode modulul receptor recuperează intensitatea luminii laser difuze reflectate şi o detectează f ăr ă radiaţiile disturbatoare ale mediului reflectant. Aceasta înseamnă că semnalul reflectat nu este influenţat, de exemplu, de lumina solar ă sau de alete surse externe de lumină. 3. Măsurarea distanţei pe principiul triangulaţiei. Este o metod ă pentru măsurarea precisă a distanţelor, utilizând senzori de triangula ţ ie ie laser . Denumirea este sugerată de faptul că raza laser emisă şi cea reflectată, împreună cu baza (distanţa între emiţătorul laser şi camera CCD) formeaz ă un triunghi.

a. Solu ţ ia ia cu o singur ă camer ă. În principiu, la această metodă, un fascicul de raze laser este emis de instrument şi este reflectat de pe suprafaţa obiectului spre o lentilă colectoare, situată pe instrument la o distanţă cunoscută faţă de emiţător. Lentila focusează imaginea spotului laser reflectat, care este detectată şi colectată de o camer ă video, de regulă un 7


harged C oupled oupled Device). În funcţie de model, camera cuprinde un senzor CCD (C (C harged domeniu de măsurare între 45o şi 65o faţă de centrul de măsurare. Poziţia spotului imagine pe pixelii camerei este apoi procesată pentru a determina distanţa până la obiect (Figura (Figura 7 ). ). Unghiul fascicolului laser emis este înregistrat de aparat (poate fi definit şi schimbat incremental), deasemenea distanţa între sursa laser şi camera video este cunoscută de la calibrare. Distanţa de la instrument până la obiect (D) este determinată geometric din lungimea S u r bazei (b) şi unghiurile înregistrate (α s a L şi ). Poziţia 3D a elementului de A S suprafaţă de pe care se reflect ă raza E R laser derivă din rezolvarea triunghiului. Oglinda β γ

Baza D C C r o z n e S

α Lentila colectoare

Obiect

D=b∗

sin sin

=b∗

sin sin(

+

)

Fig. 7 Principiul triangula ţ iei. iei. Solu ţ ia ia cu o singur ă camer ă

Acest principiu este deja cunoscut din măsur ătorile clasice: intersecţia înainte cu bază cunoscută. De aici este deasemenea cunoscut faptul că precizia de determinare a distanţei între instrument şi obiect descreşte propor ţional cu pătratul acestei distanţei. În acest caz, din considerente practice, nici lungimea bazei nu poate fi atât de mare pe cât s-ar dori. Din acest motiv, acest principiu este aplicabil pentru distanţe mici şi pentru obiecte de mici dimensiuni. b. Solu ţ ia ia cu camer ă dubl ă. O altă soluţie, bazată pe acelaşi principiu, este cu utilizarea a două camere CCD, situate la capetele bazei. Spotul laser care trebuie detectat este generat de o sursă separată, care nu are nici o func ţie de măsurare (Figura (Figura 8). 8). Soluţia geometrică este identică cu cea de la cazul precedent, solu ţia cu o singur ă camer ă, astfel că se păstrează aceleaşi caracteristici de precizie. Nu toţi senzorii care utilizează principiul cu camer ă dublă ofer ă posibilitatea unei rate înalte de măsurare şi de livrare a coordonatelor 3D în timp real. Atunci când sunt îndeplinite cele două condiţii (număr mare de puncte măsurate şi procesare în timp real) aceste instrumente pot fi considerate o alternativă pentru scanerele laser terestre 3D.

8


Fig. 8 Principiul triangula ţ iei. iei. Solu ţ ia ia cu camer ă dubl ă

D C C r o z n e S

Baza

Lentila colectoare

Obiect

Sursa LASER

D C C r o z n e S

Lentila colectoare

Componentele unui sistem de scanare terestru

Un sistem de scanare laser terestru are următoarele componente: unitatea de scanare; unitatea de control; sursa de energie; accesorii. Unitatea de scanare, sau scanerul propriu-zis are trei componente principale: sistemul de măsurare a distanţelor şi a reflectanţei, sistemul de măsurare a unghiurilor şi sistemul de deflecţie. a.

a.1 Sistemul de m ăsurare a distanţelor. Acesta se poate baza pe unul din cele trei principii de măsurare descrise în capitolul anterior. Obiectul este scanat pe ambele direcţii (orizontal şi vertical), cu viteze de la mii până la sute de mii de puncte pe secundă, în funcţie de distanţala care se afl ă obiectul faţă de scaner. Raza laser reflectată este detectată de o fotodioadă iar amplitudinea semnalului detectat reprezintă intensitatea. Intensitatea poate fi considerată ca o a patra dimensiune a punctului scanat şi ea depinde de o serie de parametrii, dintre care cei mai importanţi sunt unghiul de incidenţă şi proprietăţile suprafeţei (culoare, rugozitate, etc.); Observa ţ ie: ie: Parametrii atmosferici (temperatur ă , presiune, umiditate) pot influen ţ ţ a undele electromagnetice. În consecin ţă , pot apărea abera ţ ii ii optice, cum ar fi: refrac ţ ia ia (raza laser nu mai este o linie dreapt ă ci o curb ă ), scintila ţ ia ia (varia ţ ia ia intensit ăţ ăţ ii ii razei laser datorat ă fenomenelor de vibra ţ ie ie a atmosferei), dispersia (dependen ţ a vitezei de propagare de lungimea de und ă )

9

Sisteme de scanare 3D --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------a.2 Sistemul de m ăsurare a unghiurilor. În scanarea laser terestr ă

orientarea razei laser este măsurată electro-optic prin intermediul unor codificatori, în funţie de direcţia orizontală şi verticală. Metoda se bazează pe energia luminoasă transmisă sau reflectată. Această energie este transformată de o fotodiodă în energie electrică, apoi semnalul analog este convertit într-un semnal de ieşire digital, care poate fi citit ca un num ăr zecimal. În cele mai multe cazuri se foloseşte o codificare binar ă. Pentru rezoluţii mai ridicate se foloseşte codificarea incrementală;

a.3 Sistemul de deflec ţie. Elementul principal al acestui sistem este oglinda de scanare, care produce deflecţia razei laser pe o direc ţie verticală şi – uneori – pe o direcţie orizontală. Deflecţia razei laser furnizează măsur ători unghiulare, aceasta corespunzând cu citirile la cercurile orizontal şi vertical, în accepţiune clasică a metodei. Rezultatul deflecţiei razei laser în ambele direcţii (orizontală şi verticală), folosind un unghi incremental constant, este acea re ţea de

puncte care definesc în final norul de puncte. puncte. ţ ie: Defini ţ ie: ie de puncte, definite ca pozi ţ ie ie prin Norul de puncte este o colec ţ ie coordonatele XYZ într-un sistem de referin ţă comun, care relevă observatorului informa ţ ii ii referitoare la forma, pozi ţ ia ia şi distribu ţ ia ia spa ţ ial ial ă a unui obiect sau grup de obiecte. Acesta poate con ţ ine ine şi informa ţ ii ii adi ţ ionale, ionale, cum ar fi intensitatea. Se poate trage concluzia c ă norul de puncte con ţ ine ine două tipuri de informa ţ ii: ii: iile spa ţ iele iele ale  metrice , care descriu geometria obiectului şi rela ţ iile acestuia cu mediul înconjur ător; ăţ ile ile suprafe ţ elor elor  tematice , care sunt utilizate pentru a descrie propriet ăţ obiectelor scanate şi pentru a estima încrederea acordat ă datelor achizi ţ ionate. ţ ionate. b. Unitatea de control este de regulă un calculator portabil (laptop) cu o componentă software specifică, cu ajutorul căruia este condus întregul proces de scanare şi înregistrare a datelor. O caracteristică importantă a sistemului trebuie să fie capacitatea de stocare a datelor (memoria hard), ţinând seama de cantitatea foarte mare de date colecţionate în timpul procedurilor de scanare.

c. Sursa de energie este reprezentată de una sau mai multe baterii. d. Accesoriile sunt reprezentate de trepied pentru aplicaţiile statice, ţinte de

vizare, bastoane, etc.

10

Sisteme de scanare 3D --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Consideraţii asupra preciziei.

Pornind de la numeroasele domenii de activitate în care scanarea laser terestr ă îşi dovedeşte utilitatea se pot face o serie de observaţii privitoare la precizie. Acest parametru nu este întotdeauna cerinţa predominantă în unele domenii. O abatere standard de câţiva milimetrii pentru un punct al unei suprafeţe scanate nu iese atât de mult în evidenţă dacă acest punct este parte a unui element care prin procesare are o geometrie regulată (plan, cilindru, etc.) şi este utilizat doar la găsirea parametrilor care descriu acest element într-o reprezentare CAD. Dacă trebuie modelate suprafeţe neregulate (uzual prin reprezentări de tip plasă sau grilă mesh), norii de puncte de tip zgomot pot crea dificultăţi în procesare, în special la netezirea muchiilor sau a marginilor. Din acest motiv, procedurile de scanare trebuie executate cu cel mai precis scaner raportat la mărimea obiectului şi la distanţa la care se situeaz ă acesta. Deşi majoritatea specialiştilor tind să privească parametrii de precizie ca pe consideraţii predominante în cazul compar ării echipamentelor de măsurare, pentru utilizări practice sunt numeroase alte caracteristici care pot fi decisive în realizarea unui proiect. Consideraţii suplimentare. Viteza.

Chiar dacă rata de achiziţie a datelor este foarte mare, scanarea laser terestr ă poate deveni un proces consumator de timp în momentul în care este necesar ă o rezoluţie ănaltă a obiectului, respectiv o mai mare densitate de puncte. Înregistrarea a 100 de puncte pe secundă poate fi considerată o rată de înregistrare destul de mică. O rată de înregistrare de aproximativ 1000 de puncte pe secundă poate fi considerată satisfacătoare în multe cazuri. La aceasta se mai adaug ă şi timpul aditional necesar operaţiunilor suplimentare, strict necesare: transportul aparatelor în diverse puncte de observaţie, setarea procesului de scanare, controlul punctelor măsurate, etc. Aceste operaţiuni nu pot fi accelerate prea mult pentru că unele dintre ele sunt standard. Din aceste motive, un salt spre zeci de mii de măsur ători pe secundă nu reprezintă în realitate o imbunătăţire substanţială. Rezoluţia şi mărimea spotului Rezoluţia unui obiect este – teoretic – funcţie de mărimea incrementului unghiular dat pentru mişcarea razei de măsurare. De o mare importanţă practică este mărimea ariei reflectante (mărimea spotului), deoarece aceasta va limita rezoluţia locală. Dacă se doreşte o rezoluţie mare (cazul cel mai frecvent de altfel), trebuie verificat cu atenţie cât de bine este focusată raza de măsurare şi dacă procedura de focusare automată este dată pentru diferite distanţe.

11

Sisteme de scanare 3D --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Limite de distan ţe şi influenţa radiaţiilor interferate

Nu totdeauna te poţi baza pe specificaţiile de distanţe. Distanţele posibile de măsurat depind într-un grad foarte mare de reflectivitatea materialului, de claritatea (cur ăţ ăţenia) atmosferei şi de radiaţiile adiţionale cauzate de refletarea luminii solare sau radiaţii artificiale pe obiect ori interferate de la surse situate în apropierea obiectului. În general, instrumentele care funcţionează pe principiul time-of-flight sunt relativ robuste, în timp ce instrumentele care folosesc principiul măsur ării fazei ( phase phase) si detectarea semnalului pe senzorul CCD (principiul triangulaţiei) sunt mult mai sensibile. In acest ultim caz, pentru evitarea factorilor perturbatori, se poate cere efectuarea măsur ătorilor pe timp de noapte. Câmpul de vedere Scanerele fixe, f ăr ă axe motorizate pentru rotaţie, au un câmp de vedere limitat,

ele putând scana o arie de aproximativ 40o / 40o. Scanerele cu o axă motorizată acoper ă o arie de 45o / 320o. Scanerele cu două axe motorizate (scanere panoramice) pot scana oriunde, exceptând o arie conică de aprox. 30o la nadir. Câmpul mare de vedere poate avea o mare semnificaţie în spaţii (camere) închise, unde scanerul poate colecta o mare parte de date dintr-un singur punct de observaţie, f ăr ă alte operaţii suplimentare din partea operatorului. ie Dispozitive necesare pentru registra ţ ie În cazul în care scanările par ţiale se efectuează din diverse puncte de observaţie este necesar ca acestea s ă fie combinate şi / sau transformate într-un sistem de coordonate comun (operaţiune cunoscută sub denumirea de registra ţ ie). ie). Pentru aceasta este nevoie de ţinte de vizare speciale, amplasate în spaţiul obiect, care pot fi uşor detectate de componenta software a scanerului. Producătorii de instrumente de acest tip livrează ţinte speciale (sfere, tinte plane cu mare reflectivitate) care sunt adaptate propriilor componente hard- şi software. Aceste ţinte sunt valabile şi pentru măsur ători tahimetrice şi pentru preluări de imagini fotogrametrice. Camere foto

Pentru multe aplicaţii, în afar ă de definirea geometrică a obiectului, sunt necesare şi informaţii adiţionale referitoare la textura acestuia. Daca aceste texturi sunt integrate în modelul 3D, rezultă o vedere foto-realistică a obiectului. O serie de scanere înregistrează şi valori ale intensităţii semnalului recepţionat. În mod uzual, aceasta nu este suficient pentru a furniza destule informa ţii despre textur ă necesare cartografierii acesteia. Este exemplul camerelor de la scanerele care funcţionează pe principiul triangulaţiei, camere care sunt optimizate pentru detectarea spotului şi nu pentru preluarea de imagini. Unii utilizatori solicită includerea în echipamentul scanerului a unei camere (color) de înaltă calitate. Alţii însă nu sunt pregătiţi să plătească un astfel de extrasupliment. O soluţie ar putea fi adaptoarele de fixare a unei camere pe scaner. În acest 12


caz, poziţia relativă a scanerului şi a camerei poate fi calibrată, ceea ce ar permite o integrare a imaginilor preluate cu rezultatele scanării. Componenta software a unui scaner Această componentă diferenţiază diferitele tipuri de instrumente, produse de diferite companii constructoare. În general, componenta software trebuie să asigure o serie de funcţii de bază necesare efectuării măsur ătorilor, să fie o interfaţă rapidă şi simplă pentru definirea ferestrelor de scanare şi a valorilor rezoluţiei. Este util să ofere posibilitatea contorizării timpului de scanare şi estimarea timpului r ămas până la finalul operaţiunii. Sunt de asemenea utile funcţiile de recunoaştere automată a ţintelor speciale de vizare şi a punctelor de control, precum şi rectificarea dinamică a rezoluţiei. În cazul scanării obiectelor de mari dimensiuni, când scanarea se efectuează din mai multe puncte de staţie, trebuie să asigure o registraţie completă a norilor de puncte preluaţi din staţii diferite, în scopul verificării complete a scanării. Principalele opera ţiuni ale etapelor de scanare laser terestr ă

Noţiune de scanare statică presupune ca atât scanerul cât şi obiectul care urmează a fi scanat sunt fixe pe tot parcursul de achi ţionare a datelor. Produsele finale ale procesului de scanare se obţin prin post-procesarea informaţiilor oferite de norii de puncte, utizând componente software adecvate. În general, aceste componente software sunt puse la dispoziţie de firmele producătoare, fiecare dintre acestea purtând amprenta firmei respective şi diferenţiindu-se esenţial de la o firmă la alta. În general, achiziţionarea datelor se realizează într-un timp foarte scurt, lucru care confer ă un avantaj esenţial acestor sisteme în raport cu sistemele tahimetrice, de exemplu. Post-procesarea datelor poate însă să dureze mai mult, ţinând seama de volumul imens de date care se pot achiziţiona într-o campanie de scanare (exemplu: pot fi zeci de milioane de puncte conţinute într-un nor de puncte care pot caracteristiza deplin unui obiect) şi – nu în ultimul rând – de abilitatea operatorilor care participă la pos-procesare. Experien ţ a a relevat faptul c ă raportul dintre opera ţ iunile iunile de post-procesare şi cele de achizi ţ ionare ionare a datelor poate fi de 10:1 sau chiar mai mult. 1. Proiectarea măsurătorilor

Similar cu orice proces de măsurare întâlnit în tehnica măsur ătorilor topografice inginereşti şi în acest caz proiectarea sau planificarea preliminar ă reprezintă o etapă extrem de importantă, decisivă de cele mai multe ori în ob ţinerea rezultatelor, respectiv a informaţiilor necesare pentru a descrie obiectul ce urmează a fi scanat. Etapa de proiectare este indispensabilă desf ăş ăşur ării procesului de măsurare şi datorită faptului că în această etapă sunt puse în balanţă forma şi m ărimea obiectului, poziţia acestuia în mediul înconjur ător şi – nu în ultimul rând - cerinţele 13


beneficiarului în ceea ce priveşte precizia care trebuie obţinută în final la reprezentarea obiectului. Pornind de la aceste considerente, se pot contura urm ătoarele etape ale proiectării:  Definirea ariei de scanat şi investigaţiile preliminare;  Stabilirea rezoluţiei şi acurateţii necesare (solicitate) pentru punctele care alcătuiesc norii de puncte, în funcţie de cerinţele beneficiarului;  Selectarea tipului de scaner laser care urmeaz ă a fi utilizat, funcţie de specificul lucr ării pe care ne propunem să o realizăm (alegerea instrumentelor ş şi accesoriilor ); );  Proiectarea poziţiilor optime ale punctelor de staţie (pentru scanare), pornind de la premisa asigur ării acoperirilor necesare asigur ării acurateţii şi de la necesitatea scanării întregului obiect;  Alegerea tipurilor de ţinte care vor fi utilizate în operaţiunile de registraţie şi georeferenţiere şi a poziţiilor în care ele vor fi amplasate, în aşa fel încât să fie asigurate premisele unei configuraţii geometrice optime pentru georeferenţiere;  Estimarea volumului de date care vor fi achiziţionate în timpul procesului de scanare. 2. Scanarea propriu-zisă

Această etapă presupune câteva operaţiuni preliminare:  Aşezarea în staţie a aparatului, cu toate operaţiunile impuse (centrare, calare);  Definirea secţiunii 3D care urmeaz ă a fi scanată;  Selectarea opţiunilor specifice în softul scanerului pentru lucrarea respectivă. După parcurgerea acestor etape operaţiunea de scanare este condusă în totalitate de softul specializat al instrumentului, nefiind necesar ă intervenţia operatorului. Scanarea în progres poate fi urmărită pe ecranul calculatorului. După scanarea completă a secţiunii, datele se salvează în fişiere create pentru lucrarea respectivă. 3. Registraţia

În funcţie de mărimea, forma şi complexitatea obiectelor care se scanează se impune amplasarea scanerului laser în poziţii (puncte de staţie) diferite, pentru ca scanarea acestuia să fie completă. În foarte puţine cazuri se poate realiza scanarea unui obiect dintr-o singur ă staţie. La fiecare scanare, dintr-un punct de staţie, se obţine un set de coordonate (nor de puncte) într-un sistem de coordonate local, intern al instrumentului de scanare.

14

Sisteme de scanare 3D --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ii Registra ţ ia ia reprezint ă procesul de combinare a rezultatelor din diferite pozi ţ ii nori de puncte diferi ţ i i ) sau transformarea acestor rezultate ale scanerului laser ( nori

într-un sistem comun de coordonate ( nor nor de puncte comun ). Această transformare, din punct de vedere teoretic, se def ăş ăşoar ă după algoritmul descris, matematic, de relaţia: xc

= R ∗ x s + t

în care: R – este matricea de rotaţie; t – vectorul care descrie translaţiile; xc – coordonate în sistem comun; xs – coordonate în sistem scaner.

Practic, pentru realizarea registraţiei există mai multe variante: a. Registra ţ ia ia bazat ă pe ţ inte inte de vizare:

Una din variante ar putea fi utilizarea de ţinte artificiale (special concepute) care sunt scanate din mai multe puncte de sta ţie, aşa numitele puncte de legătură (tie points). Pentru ţintele comune, vizate din mai multe sta ţii de scanare diferite, se calculează coordonatele, care sunt folosite apoi la determinarea parametrilor de transformare. Această procedur ă de registraţie se realizează, de regulă, prin intermediul componentei software al instrumentului. Poziţia ţintelor care definesc punctele de legătur ă poate fi determinată prin intermediul uneia din tehnologiile cunoscute: utilizând staţiile totale sau tehnologia G.P.S. Acest lucru este util mai ales în cazurile în care se solicit ă încadrarea măsur ătorilor într-un sisteme de coordonate predefinit (local, global, de referinţă, etc.). Tipul şi forma ţintelor de vizare se stabileşte în funcţie de sistemul de scanare, de precizia solicitată şi de accesoriile pe care le avem la dispozi ţie. Acestea pot fi: sfere, cilindri retrorelectivi sau ţinte plane. b. Registra ţ ia ia folosind nori de puncte:

Acest procedeu permite transformarea a două sau a mai multor seturi de date în unul singur, f ăr ă a folosi ţinte de vizare. Condiţia de realizare a acestei modalit ăţi de registraţie este ca seturile de date rezultate din norii de puncte să aibă zone de suprapunere. Calitatea norilor de puncte poate influenţa decisiv rezultatul registraţiei. Este necesar ă, din acest motiv, o filtrare, printr-o pre-procesare a seturilor de date, a zgomotului şi a erorilor grosolane. Unul din dezavantajele acestei metode provine din faptul că un obiect nu poate fi achiziţionat (scanat) în mod identic a doua oar ă, dintr-o poziţie diferită a scanerului. 15

Sisteme de scanare 3D --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------4. Georeferenţierea

În principiu, fiecare operaţiune de scanare generează un nor de puncte, puncte ale căror poziţie este caracterizată de coordonatele (x, y, z) într-un sistem propriu (intern) al scanerului. În majoritatea cazurilor, scanarea unui obiect se efectuaeză din mai multe puncte (staţii de scanare) şi este necesar ca acesta s ă fie reprezentat într-un sistem unic de coordonate (X, Y, Z): sistem extern ales, sistem local definit, sistem global sau sistem naţional. Acest proces de cuplare a norilor de puncte într-un sistem unic (nor de puncte comun) mai poartă denumirea de georeferen ţ iere. iere. Registraţia, expusă în detaliu în subcapitolul anterior, poate fi considerată ca o fază preliminar ă a georeferenţierii, existând însă şi cazuri (situaţii) în care aceasta este asimilată cu georeferenţierea, atunci când registraţia norilor individuali de puncte se realizează direct în sistemul extern de coordonate ales. În concluzie, se poate spune că nu există o delimitate decisivă între aceste două operaţiuni. Operaţiunea de georeferenţiere, care se efectuează în mod obişnuit în faza de post-procesare, poate fi evitată, dacă registraţia se execută în sistemul de coordonate ales (definit). În practica scanării laser terestre se regăsesc două procedee de georeferenţiere: a. Georeferen ţ ere ere direct ă

Acest punct de vedere este ilustrat în Figura 9, 9, în contextul unei georeferen ţ ieri ieri directe a scanerului, prin staţionarea într-un punct de coordonate cunoscute (centrat, calat) şi vizarea unui alt punct de coordonate cunoscute, pe care este amplasată o ţintă de vizare. După cum s-a mai afirmat, coordonatele punctelor se pot determina anterior operaţiunilor de scanare, utilizând procedee cunoscute: măsur ători utilizând staţii totale sau tehnologie G.P.S. Fig. 9 Principiul georeferen ţ ierii ierii directe Din punct de vedere teoretic, acest procedeu, care matematic se traduce prin transformarea unui punct din sistem scaner într-un sistem extern, este descris de ecuaţia: →

→

→

= r o + R 3 ( ) ∗ r s unde: rg

16

Sisteme de scanare 3D --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------→

- r s este vectorul din spaţiul scaner; →

- r g este vectorul din spaţiul georeferenţiat; →

- r o este vectorul din spaţiul obiect; - k este unghiul de rotaţie dintre staţia în spaţiul obiect şi staţia în spaţiul de scanare. b. Georeferen ţ ere ere indirect ă (utilizând ţ inte de vizare) ţ inte

Georeferenţierea norului de puncte rezultat în urma m ăsur ătorilor este posibilă şi prin intermediul unor puncte de coordonate cunoscute, amplasate în aria de scanare, respectiv în spaţiul obiect ( georeferen georeferen ţ iere iere indirect ă). Pentru această operaţiune sunt necesare puncte omoloage (puncte de constrângere – tie points) sau obiecte de forme geometrice elementare (ex.: sfer ă, cilindru). În acest mod, la fiecare scanare trebuie s ă existe vizibilitate spre minim trei puncte de coordonate cunoscute (puncte de constrângere Ţinte de vizare marcate prin ţinte de vizare sau sfere, cilindri, etc.). Astfel, este posibilă integrarea sistemului de coordonate local al scanerului în sistemul de referinţă extern (Figura (Figura 10). 10). Fig. 10 Principiul georeferen ţ ierii ierii indirecte Din punct de vedere teoretic, această situaţie coincide cu premisele realizării transformării de coordonate (transformarea Helmert) sau transformarea conformă tridimensională din sistem scaner într-un sistem de coordonate extern. Modelul funcţional este dat de relaţia: X e = X 0 + m ∗ Ri e ∗ X i sau ⎛ r 11 r 12 r 13 ⎞ ⎛ X i ⎞ ⎛ X e ⎞ ⎛ X 0 ⎞ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ Y Y m r r r = + ∗ ⎜ 21 22 23 ⎟ ∗ ⎜ Y i ⎟ ⎜ e⎟ ⎜ 0⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ Z e ⎠ ⎝ Z 0 ⎠ ⎝ r 31 r 32 r 33 ⎠ ⎝ Z i ⎠ unde: - X e şi X i sunt vectorii coordonatelor punctelor în sistemul extern (e), respectiv în sistemul intern al scanerului (i); - X 0 este vectorul translaţiilor; - m este factorul de scar ă;

17

Sisteme de scanare 3D --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Ri e este matricea de rotaţie dintre cele dou ă sisteme de coordonate, care caracterizează unghiurile de rotaţie în jurul celor trei t rei axe de coordonate.

Pentru trei sau mai multe puncte de control (comune), cei şapte parametrii ai transformării Helmert pot fi determinaţi folosind principiul metodei pătratelor minime. Observa ţ ii: ii: 1. Este de preferat ca repartizarea punctelor de control s ă corespund ă unei geometrii optime, în sensul amplas ării lor cât mai uniform în spa ţ iul iul de scanare. În caz contrar, pot ap ărea situa ţ ii ii de incompatibilitate la transformare (exemplu: puncte amplasate aproximativ în aliniament, în lungul direc ţ iei iei de scanare); 2. Procedeul este oarecum similar cu sta ţ ionarea ionarea liber ă (free station) la sta ţ iile iile totale, caz în care punctul de sta ţ ie ie este ales pe dou ă considerente: vizibilitate spre punctele “vechi” din care s ă fie posibil ă determinarea coordonatelor punctului de sta ţ ie ie şi posibilitatea de a “viza”cât mai multe puncte de detaliu;

După compensare, valorile estimate ale parametrilor sunt utilizate la georeferenţierea norilor de puncte, potrivit modelului funcţional prezentat mai sus. Coordonatele punctelor de control (constrângere) din spaţiul obiect (de scanare) se pot determina prin metode cunoscute: măsur ători cu staţii totale sau utilizând tehnologie G.P.S.. Precizia de determinare a coordonatelor acestor puncte contribuie decisiv la realizarea unei georeferenţieri corecte. c. Georeferen ţ ere ere indirect ă (utilizând tr ă sături comune)

În principiu, acest procedeu constă în utilizarea tr ăsăturilor morfologice comune ale unor detalii topografice care se regăsesc şi sunt vizibile în nori de puncte diferiţi: colţuri de geamuri, limite vizibile de elemente de construcţii, puncte de legătur ă sau control, etc. În mod curent, aceste detalii se identifică manual, la post procesarea datelor. d. Georeferen ţ ere ere indirect ă (utilizând suprapuneri de suprafe ţ e) e)

Procedeul constă în suprapunerea de suprafeţe comune din norii de puncte vecini. Operaţiunea este oarecum identică cu cea descrisă anterior, având însă avantajul obţinerii unor soluţii mai bune decât în cazul utilizării la transformare a punctelor discrete. 5. Modelarea şi vizualizarea

În urma operaţiunilor de registraţie şi georeferenţiere, norul de puncte comun rezultat poate intra în procesul de modelare. Produsul final al acestei operaţiuni este reprezentat de modelul 3D al obiectului scanat. Procedurile de modelare sunt 18


specifice aplicaţiei practice şi componentei software a firmei producătoare a instrumentului utilizat la scanare. 6. Descrierea datelor ob ţinute folosind tehnologia de scanare laser 2 terestră

În urma operaţiunilor de scanare descrise mai sus, operaţiuni efectuate în faza de teren, rezultă un număr foarte mare de puncte, definite ca poziţie prin coordonatele lor într-un sistem de coordonate generat de instrument sau definit de utilizator, definit în literatura de specialitate nor de puncte.Toate informaţiile referitoare la caracteristicile norului de puncte pot fi grupate în fişiere de diverse tipuri: 1. Fişiere în format ASCII a. Fişiere ASCII XYZ Sunt fişiere text standard pentru date referitoare la puncte. Sunt constituite din linii, fiecare dintre ele conţinând datele referitoare la poziţia punctelor, caracterizată prin coordonatele X, Y şi Z; b. Fişiere SVY (Sur VeY File) Componenta software exportă coordonatele 3D ale punctelor (Easting, Northing, Elevation. Opţional, se pot exporta şi coloane suplimentare (adiacente), pentru a se putea ad ăuga alte comnetarii (ex.: denumirea punctului, alte comentarii); c. Fişiere PTS Pentru fiecare nor de puncte, componenta software export ă numărul total de puncte din nor, urmat de un şir de coordonate (XYZ), valoarea intensităţii luminii (radiaţia incidentă reflectată de pe suprafaţa scanată) şi de culorile punctelor (R – roşu, G – verde, B – albastru); d. Fişiere PTX Pentru fiecare nor de puncte, componenta sotware export ă coordonatele XYZ şi valoarea intensităţii luminii pentru fiecare punct, cu informaţiile legate de transformările asociate înregistrate; e. Fişiere TXT

Pentru fiecare nor de puncte se pot exporta coordonatele XYZ ale punctelor, sub formă de fişier text; 2. Fişiere în format Binar

Sunt fişiere care pot fi citite şi interpretate numai de computer, spre deosebire de fişierele ASCII care pot fi interpretate şi de operator. Dacă un fişier binar este deschis cu un editor de texte, fiecare grup de 8 biţi va fi tradus ca un singur caracter iar pe ecran va apărea un text ilizibil. Dacă fişierul este deschis cu o altă aplicaţie, aceasta foloseşte în mod separat fiecare byte în parte şi pe ecran apare rezultatul interpretării; 2

Toate definiţiile din acest subcapitol se refer ă la componenta software Cyclone a firmei Leica firmei Leica

19

Sisteme de scanare 3D --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------3. Fişiere caracteristice pentru geometria norului de puncte: a. Fişiere DXF (Drawing EXchange Format) Acestea sunt fişiere standard ASCII şi pot fi citite cu un editor de texte. Pot fi traduse cu uşurinţă în formate pentru diverse platforme CAD sau pot cedate altor

programe; b. Fişier STL (STereoLithography) Fişierul STL este o reprezentare triunghiular ă a unei suprafeţe geometrice 3D. fa ţ ete ete). Fiecare faţetă Suprafaţa este împăr ţită într-un set de triunghiuri orientate ( fa este descrisă de direcţia normalei la suprafaţă şi de trei puncte care reprezintă vârfurile triunghiului. Într-un fişier STL este descrisă doar geometria obiectelor 3D. Nu sunt prezente alte informaţii despre culoare, textur ă sau alte atribute obişnuite

pentru modelele de tip CAD. Fişierele STL standard includ ambele formate (ASCII şi Binar). Formatul ASCII este descriptiv, însă mai utilizat este formatul Binar datorită faptului că în urma salvării unei aplicaţii CAD rezultă o mărime mai mică a fişerului; eality Modeling Language) c. Fişier VRML (Virtual R eality Acest tip de fişier este un format standard pentru reprezentări 3D, destinat în mod special aplicaţiilor WEB. VRML este un fişier text în care pot fi specificate vârfurile şi laturile unui poligon 3D, împreună cu specificaţii referitoare la culoarea suprafeţei, texturi, luminozitate, transparenţă, etc. Fi şierele de acest tip mai sunt cunoscute sub denumirea de worlds şi au extensia *.wrl. Clasificarea scanerelor laser terestre

În prezent, scanarea laser terestr ă a devenit o tehnică suplimentar ă pentru aplicaţiile geodezice. Utilizarea scanerelor laser este în continuă creştere, diferite sisteme provenind de la diverse companii fiind prezente astăzi pe piaţa instrumentelor şi sistemelor de măsurare. O clasificare a scanerelor laser terestre este destul de problematică, deoarece ar trebui definită baza acestei clasificări. Posibile clasificări se pot face după următoarele criterii: - domeniul de măsurare a distanţelor; - principiul sistemului de măsurare a distanţelor; - densitatea punctelor; - precizia determinării poziţiei spaţiale a punctelor; - domeniul de scanare. Pornind de la aceste afirma ţii, se poate lua în discu ţie o modalitate de clasificare a scanerelor laser terestre. În primul rând, se poate spune c ă nu există un scaner laser universal, pentru orice aplicaţie tehnică. Unele sunt potrivite pentru domenii mici ale distanţelor (în incinte, unde distanţele nu depăşesc 100 m), altele pentru domenii ale distan ţelor care depăşesc cu mult 100 m. În concluzie, tipul de aplica ţ ie ie tehnică decide tipul de scaner laser. 20

Sisteme de scanare 3D --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Scanerele laser terestre pot fi clasificate după principiul sistemului de măsurare a distanţelor. Acesta corelează, în principiu, atât domeniul de m ăsurare

cât şi precizia. Cele mai multe scanere laser se bazează pe principiul măsur ării timpului (time (time of flight ). ). Această tehnică permite măsurarea distanţelor până la câteva sute de metrii. Este posibilă chiar măsurarea unor distanţe de peste un kilometru (ex.: Mensi, Trimble, Riegl ), însă acest avantaj implică o precizie mai scăzută, de aproximativ un centimetru. Fig. 11 Sistemele de scanare laser LMS-Z210, Riegl (dreapta) şi Trimble GX 3D (stânga)

Un alt principiu este cel al măsur ării fazei ( phase measurement ), ), reprezentând cealaltă tehnică comună pentru domeniul mediu de măsurare a distanţelor. Domeniul este limitat la 100 m (ex.: Zoller+Froehlich, Faro, IQSun ). În acest caz, faţă de principiul enunţat mai sus, precizia măsur ării distanţelor se încadrează în domeniul milimetric. Fig. 12 Sistemele de scanare laser Imager 5003 (Zöller+Fröhlich) (Zöller+Fröhlich) (dreapta) şi Faro LS 420 Trimble GX 3D (stânga)

Pentru ca această clasificare să fie completă, trebuie amintite şi scanerele laser concepute pentru un domeniu restrâns (sub 10 m), utilizate mai ales în aplicaţii din industrie. Principiile de măsurare a distanţelor în acest caz sunt laser radar şi optical triangulation. triangulation. Precizia unor astfel de sisteme este de domeniul submilimetric (zecime sau sutime de milimetru). De altfel, aceste tipuri de sisteme nu se reg ăsesc în clasificările scanerelor laser terestre. O altă posibilă clasificare ar putea fi f ăcută, funcţie de proprietăţile tehnice ale instrumentelor. Diferenţieri ale scanerelor laser terestre, din punct de vedere tehnic pot consta în: modul de scanare: o o o

scanare 360o; scanare pe secţiuni specifice, datorită limitării câmpului de vedere (acţiune); scanare pe profile; 21

Sisteme de scanare 3D --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------o

etc.

sistemul de deflecţie a razei laser: o oglind ă care se roteşte sau care baleaz ă; combinarea cu alte dispozitive montate pe scanerul laser: o camer ă foto digitală, GPS; Diferenţieri în tehnica de Scanare Laser:

În principiu, un scaner laser terestru este un sistem care funcţionează pe principiul metodei polare de determinare a coordonatelor, raza laser emis ă de aparat este reflectată de obiect şi se măsoar ă distanţa, direcţia spaţială şi intensitatea (LIDAR – Light Detecting and Ranging). Diferenţieri între tehnici de scanare ( selec selec ţ ie ie): - referitor la dimensiuni : 1D ( point wise ), 2D ( profile profile), 3D ( picture); - domeniul de m ăsurare: a) < 10 m, sisteme oferite de majoritatea firmelor producătoare (ex.: COMET, Steinbichler, Germania); b) de la 10 la 150 m, Long Range Scanning (ex.: HDS 2500 – Leica (Cyrax 2500, Cyra, USA); USA ); c) > 150 15 0 m (ex.: (ex .: LMS-Z210, Riegl, Austria); Austria); - referitor la tehnica de m ăsurare a distanţelor: a) M ăsurarea timpului ti mpului – ex.: Callidus V1.1, Callidus, Germania Germania b) Comparaţie de fază – ex.: IMAGER 5003, Zöller & Fröhlich, Ger-mania; c) Triangulare – ex.: SOISIC, Mensi, Franţa; - referitor la tipul aparatului : a) Camera Scanner – ex.: HDS 2500, Leica (Cyrax ( Cyrax 2500, Cyra, USA); b) Panorama Scanner – ex.: IMAGER 5003, Zöller & Fröhlich, Germania; Exemplificări: Scaner 3D: HDS 2500, respectiv Cyrax 2500

Camera Scanner (40° x 40°), măsurarea timpului ca principiu de măsurare a distanţelor şi camer ă foto digitală integrată (480 x 480 Pixel) - Figura 7 .

Fig. 7

22


Sistemul de măsurare laser HDS 2500 respectiv Cyrax Specificaţii tehnice: • Domeniul de m ăsurare ... 1,5 - 150 m • Viteza maximă de măsurare ... 1000 points/s • Precizia de m ăsurare a distanţelor (1σ )…+/- 4 mm • Precizia de m ăsurare a unghiurilor...+/- 60 µrad (3 mm/50 m) • Precizia poziţiei unui punct…6 mm / 50 m • Mărimea spotului …< 6 mm / 50 m • Lungimea de und ă...532 nm (verde) • Informaţii asupra intensităţii...codate pe culori Alţi producători de instrumente de acest tip (Laser Scanner) Imager 5003, respectiv HDS 4500, Zöller & Fröhlich GmbH, Germania

8): (Figura 8): Fig. 8 Sistemul de măsurare laser Imager 5003

Sistemul Leica HDS 4500

- Tehnologia utilizată la măsurarea distanţelor: Phasing - Domeniul de m ăsurare: 0,4 – 53,5 m - Viteza de m ăsurare (exprimată în număr de puncte pe secund ă): peste 625000 - Timpul de scanare: • (36000 x 15000 puncte): 13 min 50 s • (5000 x 2500 puncte): 1 min 40 s - Precizia: 3 mm + 2 mm /10m Vezi: www.zofre.de 23

Sisteme de scanare 3D --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------( Figura 9): 9): LMS-Z210, RIEGL Laser Measurement Systems GmbH, Austria (Figura

- Tehnologia utilizată la măsurarea distanţelor: Time of flight - Domeniul de m ăsurare: 2 – 700 m - Viteza de măsurare (exprimată în număr de puncte pe secund ă): peste 6700 - Timpul de scanare: • (444 x 1800 points): cca. 2 min - Precizia: 25 – 100 mm Vezi: www.riegl.co.at Fig. 9 Sistemul de măsurare laser LMSZ210, Riegl

Sistemul de măsurare laser LMS-Z420i, Riegl

24

Sisteme de scanare 3D --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Scaner Laser 3D – Callidus, Trimble o o o o

Complet panoramic Robust Laser de clasa 1 Demn de încredere o

Precis

Fig. 10 Sistemul de măsurare laser scanner 3D Callidus

Utilizând un sistem de scanare complet panoramic şi camer ă video, scanerul laser 3D Callidus automat combină date din distanţe măsurate f ăr ă contact direct, senzori de unghiuri şi senzori de înclinare pentru a măsura coordonatele tuturor punctelor şi suprafeţelor apar ţinând mediului apropiat. Norul de puncte rezultat, constând în mod normal din milioane de puncte, poate fi vizalizat şi procesat cu un computer de teren robust şi o componentă software uşor de utilizat (Callidus 3D Extractor ®). Componenta software este compatibilă cu alte pachete de programe al companiei Trimble, cum ar fi Terramodel, livrat cu soluţie copletă Integrated Survezing TM. Scanerul Laser 3D Callidus acoper ă un excepţional câmp de vedere, cu o baleere de 360o pe orizontală şi de la ± 90 o la – 60o pe verticală. Aceasta înseamnând mai puţine aşezări în staţie şi mai puţine scanări decât cu alte tipuri de scanere. În plus, construcţia solidă permite transportul mai uşor al aparatului, f ăr ă teama de pierdere a parametrilor de calibrare (Figura ( Figura 10). 10). Ce este HDS (High-Definition Surveying™)?

Este un nou concept, o nouă tehnică, care tinde să revoluţioneze modalităţile de determinare a pozi ţiei spaţiale a punctelor, implicit a obiectelor sau detaliilor topografice, inclusiv o reprezentare spaţială a acestora într-un timp substanţial mai scurt, în comparaţie cu metodele clasice şi cu o precizie ridicată. Conceptul High-Definition SurveyingTM (HDSTM) este o descriere mai exact ă f ăcută de firma Leica, a ceea ce este cunoscut frecvent ca scanare laser 3D. Leica a ales această nouă descriere din două motive: - în primul rând, acest termen (definiţie) indică mai precis cum difer ă această tehnologie fundamental faţă de metodele topografice clasice. 25


- în al doilea rând, cu noua familie de produse HDS, pe lâng ă faptul că Leica a adus această tehnologie la un nivel extrem de interesant, dar este acum o metod ă de măsurare pe deplin dezvoltată, pentru un larg evantai de măsur ători inginereşti (Figura 11). 11). Fig. 11 Familia HDS

High Density – unul din avantajele tehnologiei High-Definition.

Densitatea mare de puncte (definite prin coordonatele lor) diferen ţiază fundamental această tehnologie faţă de metodele clasice ale m ăsur ătorilor inginereşti. Apariţia pe ecranul calculatorului a datelor cu mare densitate ( norul de puncte), la care se adaugă culoarea proprie şi posibilitatea de vizualizare 3D asigur ă for ţa acestor informaţii. Aceasta ofer ă utilizatorului o mare încredere în precizia şi caracterul complet al rezultatelor măsur ătorilor. Densitatea datelor digitale şi calitatea ridicată conduc, printre altele, la facilităţi deosebite la proiectare, reducerea riscului în construcţii, economie de timp şi costuri scăzute prin accesul direct la date şi la procesarea automată. Staţiile totale (TPS - Terrestrial Positioning Systems) şi tehnologia GPS (Global Positioning System) reprezintă exemple a modului în care soluţiile tehnologice pot îmbunătăţi fundamental modul de lucru în domeniul m ăsur ătorilor inginereşti. High-Definition Surveying reprezintă acum un alt avantaj major în domeniu. Punerea la punct a tehnologiei pentru m ăsurători: Familia noilor produse HDS

Descriind această tehnologie prin termenul High-Definition Surveying, firma Leica confirmă că noua ei familie de produse hardware şi software este total adecvată pentru măsur ători inginereşti, precum şi pentru alte măsur ători specializate, din alte domenii. Noua familie de produse HDS include scanere laser, bazate pe principiul măsur ării timpului (time-of-flight ) şi pe principiul fazei ( phase), precum şi produse software pentru procesarea şi utilizarea datelor rezultate în urma măsur ătorilor. 26

Sisteme de scanare 3D --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Leica HDS3000 – prietenos şi eficient.

HDS3000 poate fi numit nava amiral a familiei HDS. Pe lângă faptul ca are alura unui instrument de măsurare, acest sistem suportă proceduri standard de măsurare, cum ar fi trepiedul pentru aşezarea deasupra unui punct topografic şi posibilitatea posibilitatea m ăsur ării înălţimii aparatului.

Fig. 12 Sistemul Leica HDS3000

Combinând posibilitatea unei arii de scanare maximă (360o x 270o) cu tehnologia SmartScan , sistemul HDS3000 duce scanarea laser spre un înalt nivel de productivitate. Beneficiile esenţiale se refer ă la reducerea semnificativă a costurilor lucr ărilor de teren şi de birou (Figura (Figura 12). 12). Caracteristici tehnice principale: Panorama Scanner ); - aria maximă de scanare: 360o x 270o, două ferestre ( Panorama ); - camer ă digitală integrată coaxial, pentru preluarea (generarea) automată a fotografiilor obiectelor măsurate; - staţionarea pe puncte de coordonate cunoscute; - orientarea spre puncte de coordonate cunoscute (principiul staţionării libere de la staţiile totale); - toate cablurile conectate la instrument; - tehnologia utilizată la măsurarea distanţelor: Time of Flight ; - precizia de determinare a pozi ţiei spaţiale a punctelor: 6 mm; - domeniul de măsurare cu această precizie: > 100 m; 27

Sisteme de scanare 3D --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Alţi membrii ai familiei HDS :

Admiţând importanţa apariţiei scanerelor laser care funcţionează pe principiul fazei , Leica, în parteneriat cu Zoller&Fröhlich, a adăugat familiei HDS sistemul HDS4500. Rata de scanare ultra-rapidă a unui astfel de sistem s-a dovedit avantajoasă, de exemplu, pentru capturi rapide de imagini din interiorul unor instalaţii, clădiri, tunele, etc., în exploatare, în cazul în care pentru colectarea datelor din teren nu ai la dispoziţie decât un timp foarte scurt. Al treilea membru al familiei, HDS2500 are la bază conceptul scanerului Cyrax 2500, cel mai cunoscut scaner în industrie. Cyra Techologies, Inc., California (www.cyra.com ( www.cyra.com)) este o companie specializată în dezvoltarea, realizarea şi comercializarea de sisteme HDSTM (cunoscute şi sub denumirea de scanere laser 3D) şi platforme software. Aceste produse sunt utilizate la realizarea de măsur ători tehnice, în construcţii, măsur ători inginereşti şi topografice, pentru o mare varietate de planuri şi aplicaţii de modelare 2D şi 3D. Generaţia de software: Cyclone 5.0

Familia de produse HDS – Leica este completat ă cu ultimele versiuni ale produselor software CycloneTM şi CloudWorxTM. Acestea ofer ă un set complet de facilităţi pentru măsur ători şi inginerie, pentru crearea calităţii produselor livrate, specifică Leica şi administrarea unor seturi mari de date cu incomparabilă uşurinţă şi eficienţă. Prin integrarea în sisteme CAD, seturile de date HDS sunt u şor accesibile pentru o largă seri de profesii, inclusiv arhitectura, ingineria civilă, proiectarea instalaţiilor, etc. Evoluţia sistemelor de scanare Laser (din domeniul m ăsurătorilor inginere şti) Prima generaţie: Primul prototip - 1993:

Cyrax – California, USA; A doua genera ţie: Rezultat ă în urma colabor ării cu Leica Geosystems, 1998 ;

Dezvoltarea pachetului de programe Cyclone;

A treia generaţie: Definirea conceptului HDS (High Definition Surveying), 2003; O nouă generaţie de componente Harware; O nouă dezvoltare a componentelor Sofware:

Cyclone COE, CloudWorx. 28


Fig. 13 Evoluţia sistemelor de scanare Laser - HDS Ţinte de vizare standard Leica Ţintele de vizare sunt accesorii ideale pentru realizarea suprapunerii imaginilor preluate din sta ţii diferite şi asigurarea calităţii. Ele se utilizează pentru georeferenţierea precisă a scanării pe puncte de control cunoscute, acurate ţea scanărilor multiple (din mai multe puncte de sta ţie) şi pentru asigurarea calităţii scanărilor individuale. Ţintele Leica HDS pot fi scanate şi măsurate cu instrumente de măsurare tradiţionale. Ele sunt uşor de plasat în spaţiul virtual al oricărei suprafeţe şi pot fi frecvent chiar în locul punctelor de referinţă utile. Ţintele plate, albastre HDS permit identificarea şi extracţia automată de către componenta software Cyclone, mulţumită diferenţelor atent proiectate în capacitatea de reflectare între centrul ţintei şi întreaga suprafaţă a ţintei, plus robusteţea toleranţelor de execuţie.

Ţinte de vizare plate (pentru HDS2500 şi HDS3000) Ţintele plate sunt disponibile cu diverse sisteme de prindere, pentru plasarea pe diverse suprafeţe: - ţinte cu suprafaţa din spate adezivă; - ţinte cu magnet Ţinte de mărime mică pentru utilizare uşoar ă în spaţii aglomerate (cu foarte multe detalii) şi plasarea pe structuri înguste. Ţinte mari, mai avantajoase la raze mai mari de ac ţiune sau densitate de scanare mai mică (Figura 14). 14).

Fig. 14

Ţinte circulare 6"

Ţinte pătrate 3"x 3"

29

Sisteme de scanare 3D --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Ţinte mobile Leica Geosystems HDS

Noile ţinte standard Leica HDS sunt astfel concepute încât se pot roti şi înclina. Ele sunt prevăzute cu un filet interior care permit montarea lor pe un baston sau pe un suport magnetic. Ele pot fi rotite şi înclinate pentru o precisă orientare spre scaner. Ele sunt disponibile în două mărimi diferite: - ţinte pătrate plane, cu posibilitatea de rotaţie şi înclinare (Figura (Figura 15); 15); - ţinte circulare plane, cu posibilitatea de rotaţie şi înclinare;

Fig.15 Ţinte pătrate (3"x 3") – cu posibilităţi de rotire şi

înclinare

Fig.16 Jalon (baston) cu prisme duble Jalon Leica Geosystems HDS cu ţinte duble

Sistemul jalon cu prisme duble (pereche) conţine două prisme plate HDS şi o nivelă sferică (20’) pentru poziţionarea precisă a bastonului pe punctul de control. Acesta permite o orientare rapidă a scanării pe verticală, georeferenţierea rapidă a amplasamentelor mici şi o prismă – eventual – la partea superioar ă, pentru măsurarea uşoar ă a poziţiei ţintei (Figura (Figura 16 ). ). Procesul de m ăsurare asistat de componenta Software Cyclone:

a. Modalităţi convenţionale de determinare (realizare) a geometriei obiectelor (prin intermediul principiilor tahimetriei clasice) selectarea punctelor reprezentative (caracteristice) ale obiectului; o alegerea punctelor selectate de către operator; o o codarea informaţiilor după atributele acestora; ional ); măsurarea distanţelor până la aceste puncte (f ăr ă reflector – op ţ ional ); o o Interpolarea liniar ă între punctele caracteristice în vederea reprezentării în ansamblu a obiectului. 30


b. Determinarea (reprezentarea) suprafeţelor apar ţinând unui obiect prin intermediul tehnicii Laser Scanning: reprezentarea obiectului prin intermediul punctelor accidentale, o rezultate în urma operaţiunii de alegere a dimensiunilor dimensiunilor grilei de scanare (nor de puncte); parametrizarea (atribuirea de coduri) norului de puncte; o nu este necesar ă parametrizarea Evaluarea standard presupune următoarele etape: înregistrare, o georeferen ţiere, modelare, export date. c. Rezultatele imediate (primare) ale scanării: Informaţii geometrice 3D la scara 1:1 (nor de puncte cu informaţii o nestructurate); Informaţii referitoare la intensitate (f ăr ă informaţii privitoare la culoarea o reală sau textur ă); Reprezentarea obiectului măsurat conform grilei de puncte aleasă (f ăr ă o puncte caracteristice, ca de exemplu colţuri sau sfâr şit de detaliu); Evaluarea datelor m ăsurate (cu programul Cyclone)

Înregistrarea diferitelor obiecte (ScanWorlds) utilizând puncte de constrângere (Cloud Constraint ), ), care pot fi puncte sau plane identice. Punctele identice pot fi: - puncte naturale; - ţinte de vizare amplasate în spaţiul obiect (tie points ). Scanare Laser a obiectelor cu minim 4 puncte de sta ţie (ScanWorlds ) şi înregistrare prin intermediul punctelor vizate (tie points). Georeferenţierea este posibilă dacă valorile coordonatelor (3D) sunt cunoscute. Următoarele etape ale model ării: - analiza formei şi poziţiei obiectelor în spaţiu, definind obiectele ca sfere, cuburi, cilindrii, plane, etc.; - opţional, exportul într-o platformă software CAD- and Design.

31

Sisteme de scanare 3D --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Aplicaţii practice tipice ale Scan ării Laser:

Documentaţii în ingineria civil ă; o Arhitectur ă, Arheologie, restaurarea situ-rilor istorice; o Construc ţii de tunele; o Documenta ţii pentru instalaţii tehnice (industria petrochimică, centarale termice, centrale nucleare); o Aplica ţii în realitatea virtual ă; tehnice pentru domeniul criminalisticii, accidente de o Documenta ţii circulaţie, etc. (Figura 17 ) o

Fig. 17 Exemple de aplicaţii practice ale Scanării Laser

32

Scanare Laser

Recommend Documents