ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СУЩНОСТИ НАЗЕМНОГО ЛАЗЕРНОГО СКАНИРОВАНИЯ
Метод и технология наземного лазерного сканирования
Лазерное сканирование представляет собой передовую бесконтактную технологию трёхмерного измерения объектов и поверхностей. Результатом сканирования является трёхмерное облако точек.
Облако точек – набор вершин в трёхмерной системе координат, определяемых координатами X, Y, Z и предназначенных для представления внешней поверхности объектов.
В зависимости от сложности объекта сканирования, его величины и местоположения, могут применяться следующие виды лазерного сканирования:
1) воздушное лазерное сканирование (ВЛС) – топографо-геодезический метод сбора пространственных данных с летательного аппарата;
2) мобильное лазерное сканирование (МЛС) – высокотехнологичная технология съемки, выполняющаяся при движении сканера, установленного на транспортное средство;
3) наземное лазерное сканирование (НЛС) – метод определения пространственных координат точек по выбранному фрагменту местности при помощи стационарных приборов.
На сегодняшний день НЛС является самым оперативным и высокопроизводительным методом получения точной и наиболее полной информации о пространственных объектах. Данный метод позволяет выполнять съёмку не только снаружи, но и внутри сложных инженерных сооружений при помощи наземного лазерного сканера.
Наземный лазерный сканер – съемочная система, измеряющая с высокой скоростью (до пары миллионов точек в секунду) расстояния от сканера до поверхности объекта и регистрирующая соответствующие направления (вертикальные и горизонтальные углы) с последующим формированием трёхмерного изображения (скана) в виде облака точек [9].
Метод наземного лазерного сканирования открывает целый ряд новых, ранее недоступных возможностей. Связано это, прежде всего, с более полным использованием современных компьютерных технологий [8].
Получаемые сканированием результаты в виде облака точек можно быстро передвигать, масштабировать и вращать. Есть возможность виртуального путешествия по изображению с записью для дальнейшего показа. При этом работа происходит не просто с изображением, а именно с моделью, сохраняющей полное геометрическое соответствие форм и размеров реального объекта. Это значительно упрощает процесс управления информацией и дает возможность получать разнообразные данные из единого источника [10].
К преимуществам метода наземного лазерного сканирования стоит отнести следующие его особенности:
1. Мгновенная визуализация результатов. Трёхмерная визуализация происходит в режиме реального времени, соответственно, не придется тратить дополнительное время на обработку данных.
2. Высокая точность. Погрешность правильно настроенных приборов находится на минимальном уровне.
3. Полнота информации. Лазерные сканеры создают облака из миллионов точек, а значит, даже самые мелкие детали объекта будут учтены в цифровой модели.
4. Безопасность. Принцип дистанционного получения информации обеспечивает безопасность исполнителя при съёмке труднодоступных и опасных районов.
5. Высокая производительность. Лазерное сканирование сокращает время полевых работ по сравнению с другими технологиями. Также работы можно выполнять при любых условиях освещения, так как сканеры являются активными съёмочными системами.
6. Автоматизация. Правильная настройка оборудования исключает практически все внешние влияния на результат инженерно-геодезических работ.
Все возможности метода НЛС реализуются лишь за счёт непростой технологии наземных лазерных сканеров. По принципу работы лазерный сканер представляет комбинацию теодолита, лазерного дальномера и сканирующего элемента, последовательно отклоняющего лазерный луч (рис 1).
Рисунок 1 – Принципиальная схема наземного лазерного сканера
Процесс сканирования выполняется с помощью измерения расстояний до всех определяемых точек посредством лазерного дальномера. На пути к объекту импульсы дальномера сканера проходят через систему, которая состоит из одного подвижного зеркала. Именно оно отвечает за вертикальное смещение луча.
Горизонтальное смещение луча лазера осуществляется путем поворота верхней части сканера относительно нижней, жестко прикрепленной к штативу. Зеркало и верхняя часть сканера управляются высокоточными сервомоторами. В конечном итоге именно они обеспечивают точность направления луча лазера на снимаемый объект. Зная угол разворота зеркала и верхней части сканера в момент наблюдения и измеренное расстояние, процессор вычисляет координаты каждой точки [11].
Координаты точек объекта относятся к прямоугольной системе координат лазерного сканера, которая в общем случае произвольно ориентирована в пространстве (рис 2).
Рисунок 2 – Система координат наземного лазерного сканера
Пространственные координаты точек объекта вычисляются по формулам:
Х=R•cos?•sin?
Y=R•sin?•sin? (1)
Z=R•cos?
где R – измеренная дальность от точки стояния сканера до объекта;
? – горизонтальный угол измеренного направления лазерного луча R;
? – вертикальный угол направления R ?, отсчитываемый от оси Z до вектора R ? (зенитное расстояние направления лазерного луча).
По принципу действия наземные лазерные сканеры разделяют на 3 вида: импульсные, фазовые и триангуляционные.
1. Импульсные лазерные сканеры. В данном виде сканеров реализован метод определения расстояний, основанный на точном определении времени прохождения сигнала от приемо-передающего устройства до объекта и обратно. Зная скорость распространения электромагнитных волн ?, можно определить расстояние как:
R=(?•?)/2,м, (2)
где ? – время, измеряемое с момента подачи импульса на лазерный диод до момента приема отраженного сигнала.
Структурная схема работы импульсного лазерного сканера представлена на рисунке 3.
Рисунок 3 – Структурная схема работы импульсного лазерного сканера
Основное преимущество импульсных сканеров заключается в дальности выполняемых измерений, которая обеспечивается достаточно высокой мощностью лазера. Точность измерений импульсными сканерами может достигать нескольких миллиметров, но с увеличением расстояния до объекта она снижается.
2. Фазовые лазерные сканеры. Структурная схема работы фазового лазерного сканера точно такая же, как и у импульсного, однако в сканерах данного типа реализован метод определения расстояний, основанный на определении разности фаз посылаемых и принимаемых модулированных сигналов. В этом случае расстояние вычисляется по формуле:
R=(?_2R•?)/(4?•f),м, (3)
где ?2R ? разность фаз между опорным и рабочим сигналом;
? – скорость распространения электромагнитных волн;
f – частота модуляции.
Так как в данном типе сканеров используется модулированный световой сигнал, для определения расстояния не требуется слишком большой мощности лазера, и поэтому расстояния могут быть измерены с точностью до первых миллиметров, однако дальность действия сканеров этого типа весьма ограничена.
3. Триангуляционные лазерные сканеры. Особенность устройства таких сканирующих систем состоит в том, что излучатель и приемник сигнала разнесены в них на известное расстояние (базис). Определение пространственного положения точки объекта сводится, таким образом, к решению обычного треугольника, в котором известна длина одной из сторон и два прилегающих к ней угла (рис 4).
Рисунок 4 – Триангуляционный метод определения положения точки объекта
Триангуляционные лазерные сканеры позволяют выполнять измерения с высочайшей точностью (до десятых и даже сотых долей миллиметра), но на очень небольшой дистанции, не превышающей нескольких метров.
Таким образом, благодаря своему разнообразию, наземные лазерные сканеры находят широкое применение во многих областях науки, техники и отраслях народного хозяйства.
Особенности наземного лазерного сканирования в землеустройстве и кадастрах
На протяжении нескольких последних лет метод наземного лазерного сканирования активно начинают применять для получения трёхмерных растровых и векторных моделей земельных участков, территориальных зон, лесных и водных массивов, а также зданий и сооружений, описанные огромным количеством точек, каждая из которых имеет координаты X, У, Z .
Подобное увеличение сведений об объекте недвижимости не только позволяет более мобильно и эффективно исправлять имеющиеся кадастровые ошибки, но и предоставляет дополнительные возможности для пользователя информации. С одной стороны, создание трёхмерных цифровых моделей методом наземного лазерного сканирования позволяет более точно и достоверно осуществлять государственный земельный надзор. С другой стороны, появляется возможность оценить объем объекта как фактор, влияющий на его рыночную стоимость, что является несомненной ценностью для целей кадастровой оценки, ведь именно она впоследствии определяет налогообложение [16].
Однако результаты наземного лазерного сканирования в кадастре актуальны лишь тогда, когда они могут дойти до конечного потребителя – будь то физическое лицо, юридическое лицо или государственный орган. Такое доведение до конечного потребителя регулируется законодательством [13].
Следует выделить несколько технологических задач, средством решения которых является наземное лазерное сканирование:
а) исправление множества кадастровых ошибок в государственном кадастре недвижимости (ГКН) как в отношении координат земельных участков, так и в отношении координат объектов капитального строительства (ОКС) [1];
б) устранение наложения границ при постановке на государственный кадастровый учёт (ГКУ) новых объектов в связи с ошибками в постановке на ГКУ имеющихся объектов [14].
В связи с этим можно выделить производные задачи:
а) упрощение достижения нормативной точности и удешевление процесса получения данных;
в) создание методики определения правомочий собственников ОКС по вертикальному параметру: как определить границы владения «в высоту» [15];
б) увеличение нормативной точности при сохранении издержек. Каждый конечный потребитель информации ГКН заинтересован в высокой нормативной точности данных (рис. 5).
Рисунок 5 – Точность в использовании информации ГКН
Кроме того, наземное лазерное сканирование, определяя точные параметры отдельных объектов, предоставляет возможность осуществлять задачи прогнозирования в отношении технического состояния объектов капитального строительства и состояния земель.
Следовательно, метод наземного лазерного сканирования позволяет:
– фиксировать права на объекты, расположенные в границах замкнутой линии, образуемой проекцией внешних границ ограждающих конструкций (стен) построек на горизонтальную плоскость, проходящую на уровне примыкания построек к поверхности земли, но различающихся по высоте [12];
– упорядочить взаимоотношения правообладателей участков и пользователей;
– систематизировать сведения об объектах, расположенных на разной высоте, и их правообладателях;
– упростить процессы оповещения и согласования создания, изменения и прекращения существования объектов и прав на них в отношениях объектов, имеющих одинаковые «горизонтальные» сведения и различные «вертикальные» [17].
Исходя из всего вышесказанного, можно с уверенностью заявить о перспективности использования метода наземного лазерного для целей землеустройства и кадастра.
Потребность создания трёхмерного кадастра в России
На сегодняшний день для гармоничного решения вопросов логистики и комфорта городской жизни всё чаще используется метод многоуровневой застройки объектов недвижимости по вертикали (подземный, наземный и надземный). Инженерные коммуникации, подземные парковки, метрополитен, многоуровневые автомобильные дороги и многие другие объекты недвижимости могут находиться на разных высотных отметках одного и того же земельного участка, как следствие корректное двухмерное представление такой застройки не является возможным [18]. В то же время технический прогресс в сфере геодезического оборудования и расширения возможностей геоинформационных систем сделал очевидным выходом из этой ситуации – программу по внедрению трёхмерного кадастра во многих странах [19].
Самыми успешными первопроходцами в этом вопросе по праву считаются Нидерланды и Китай, которые уже ведут функционирующую форму 3D-кадастра. В то же время в ряде других стран (Сингапур, Швеция, Австралия) имеются серьёзные наработки в этой области, но для полноценного функционирования ещё существует ряд ограничений, для учёта и регистрации 3D-объектов.
Россия также проявляет определённый интерес к внедрению трёхмерного кадастра недвижимости, как со стороны профессионального сообщества, так и государственных служб.
Необходимость ввода трёхмерного обусловлена следующими причинами:
- регистрация недвижимости в трёхмерном измерении позволит оптимизировать использование пространства;
- цифровые данные получаются в краткие сроки, и их обработка занимает непродолжительное время;
- появляется возможность достоверно осуществить учёт пространственных объектов недвижимости, имеющие объём, таких как земельные участки, здания, сооружения, помещения и объекты незавершенного строительства;
- внедрение 3D-кадастра облегчит поиск и получение информации об объекте недвижимости, а также разрешит конфликты, возникающие между владельцами.
В 2010 году Росреестром объявлено о реализации проекта по разработке трёхмерного кадастра недвижимости РФ.
В апреле 2011 года была сформирована рабочая группа для реализации российсконидерландского проекта сотрудничества «Создание модели трёхмерного кадастра объектов недвижимости в России», целью которого являлась создание прототипа трёхмерного кадастра, для последующего внедрения на всей территории РФ.
Проект выполнялся в рамках программы «Правительство для правительства» (G2G) Федеральной службой государственной регистрации, кадастра и картографии России и Агентством кадастра, регистрации земель и картографии Нидерландов. Партнером по проекту значилось Министерство экономического развития Российской Федерации.
Первым объектом стало здание «Теледом», располагаемое по адресу: г. Нижний Новгород, ул. Белинского, д. 9/1. Объект представляет собой многоуровневое офисное здание с подземной автостоянкой, включающее большое количество помещений с различными видами зарегистрированных прав на них (рис 6).
Рисунок 6 – Здание "Теледом"
Часть здания нависает над проезжей частью улицы, другая часть здания расположена над иным зданием, находящимся на смежном земельном участке. При этом на двумерной кадастровой карте на земельном участке отображается только основание здания [20].
При создании трёхмерных объектов для прототипа использовался программный комплекс GoogleSketchUp, представляющий собой программу для моделирования трёхмерных объектов (рис 7). Опираясь на опыт зарубежных стран, было решено, что точность определения координат характерных точек границ для 3D-объекта должна быть равна точности для 2D-объекта или выше. Что касается высотной координаты (Z), то для неё требуется вертикальная привязка, относительная привязка (по сравнению с поверхностью Земли) не является обязательной [20].
Рисунок 7 – Трёхмерная модель пилотного объекта «Теледом»
Реализация данного проекта предусматривала проведение исследования международного опыта в создании трёхмерного кадастра, анализа законодательной базы в сфере государственной регистрации прав на недвижимое имущество и сделок с ним, а также разработку предложений и рекомендаций по правовым и организационным аспектам в целях создания благоприятных условий для развития трёхмерного кадастра в России.
Результаты и итоги пилотного проекта показали положительное отношение к возможностям ведения трёхмерного кадастра в РФ. Поэтому в настоящее время начинается постепенный переход к трёхмерному кадастру недвижимости в крупнейших городах России [21].
Полученная, в конечном итоге, система позволит оперативно управлять любыми изменениями на объекте. Каждая правка, вносимая в базу данных, будет отображаться в системе, благодаря чему она всегда будет актуальна.
?
ИССЛЕДОВАНИЕ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ РАБОТ МЕТОДОМ НАЗЕМНОГО ЛАЗЕРНОГО СКАНИРОВАНИЯ
Анализ нормативно-правовой базы технологии наземного лазерного сканирования
Несмотря на большое количество преимуществ, наземное лазерное сканирование не получило широкого распространения в РФ. Можно предположить, что это связано, в первую очередь, с высокой стоимостью оборудования – средняя стоимость качественной системы сканирования составляет несколько миллионов рублей.
Вместе с тем, в России до сих пор отсутствует полноценная нормативно-правовая база по технологии выполнения работ методом наземного лазерного сканирования, оценке точности получаемых материалов и расчёту стоимости работ, проводимых данным способом. Необходимо отметить, что все-таки НЛС в последнее время постепенно набирает все большую популярность. Многие компании пытаются внедрить данную технологию в свой рабочий процесс.
Даже если учесть, что время камеральной обработки результатов НЛС сопоставимо со временем, затрачиваемым на проведение съемок традиционными методами, данные, получаемые таким образом, обладают большей детальностью и позволяют проводить комплексный анализ территории объекта выполняемых работ [22].
В основном, организации, применяющие наземное лазерное сканирование для решения топографо-геодезических задач, разрабатывают собственные внутренние нормы и правила проведения работ, основанные на технических паспортах наземных лазерных сканеров и сопутствующей технической литературе по эксплуатации и рекомендациям выполнения работ, разработанные компаниями, изготавливающими оборудование. Сюда относятся: должностные инструкции, временные расценки на работы по данным наземного лазерного сканирования, а также технические предписания на выполнение работ.
Параллельно, организации также используют нормативно-правовые документы, регулирующие деятельность в сфере геодезии, кадастра, картографии, фотограмметрии и изысканий. Соответственно, в этих документах не прописано количество пунктов опорной сети для привязки облака точек, не указано необходимое (достаточное) количество реперов для сшивки полос сканирования, количества контрольных реперов для уравнивания сканов и с каким шагом они должны устанавливаться. Следовательно, организациям, выполняющим данные виды услуг, приходится согласовывать работы с заказчиком, опираясь на свой личный опыт [23].
Однако среди законодательной основы можно отметить МИ СМК 71.12.12 Инструкцию по проведению работ в области геодезии с применением 3D-сканера, введенную 28 июня 2012 г.
Требования данной инструкции обязательны для применения сотрудниками организации, оказывающей услуги по контролю качества работ при проектировании и строительстве объекта и услуги по организации и проведению негосударственной экспертизы проектной документации и результатов проектных изысканий [3].
Согласно инструкции, в процессе проведения работ в области геодезии, применение 3D-сканеров позволяет:
– проводить сканирование геометрически сложных фасадов зданий с целью проектирования навесных фасадов, выполнение исполнительной съемки фасадов с навесной фасадной системой и без;
– актуализировать исполнительную документацию промышленных и энергетических объектов, подлежащих реконструкции;
– проводить мониторинг деформации зданий и сооружений;
– осуществлять топографическую съемку местности;
– определять объемы котлованов, складов сыпучих материалов и т.д.
В инструкции также установлена точность измерения расстояния и СКО (среднее квадратическое отклонение) при работе с 3D-сканером (табл. 1).
Альбедо является показателем отражательной способности поверхности снимаемого объекта. Значения показывают, насколько измеренная величина может отличаться от истинного значения.
Таблица 1 - Точность измерения расстояния и СКО при работе с 3D-сканером
Расстояние Альбедо 14% Альбедо 37% Альбедо 80%
10 м 0,5 мм 0,4 мм 0,3 мм
25 м 1 мм 0,6 мм 0,5 мм
50 м 2,7 мм 1,2 мм 0,8 мм
100 м 10 мм 3,8 мм 2 мм
По мимо всего прочего, на территории РФ с 1 января 2021 года вводится в действие ГОСТ Р 58941-2020 Система обеспечения точности геометрических параметров в строительстве [2]. В содержании правил выполнения измерений про лазерное сканирование упомянуто лишь частично (табл. 2).
Таблица 2 - Измерения отклонений от плоскостности поверхностей
Измерения методами фотограмметрии, лазерного сканирования или безотражательными электронными тахеометрами комплекса геометрических параметров при выполнении архитектурно-технических обмеров и приемочном контроле строительных конструкций, зданий и сооружений а) аналитический метод: вычисление пространственных координат точек объекта по формулам соответствующего случая съемки и определение по координатам действительных значений геометрических параметров;
б) аналоговый метод: вычерчивание на специальном приборе графического изображения проекций объекта в соответствующем масштабе и определение геометрических параметров с точностью графических построений
Таким образом, на сегодняшний день использование наземного лазерного сканирования полноценно не регламентировано. Поэтому активное внедрение технологии НЛС, в том числе путем проектирования и выпуска оборудования отечественного производства, невозможно осуществить без введения соответствующей нормативно-правовой базы. По этой причине, разработка правил проведения работ методом наземного лазерного сканирования, методики оценки точности измерений и указаний по определению стоимости выполнения работ должно стать приоритетным направлением государственных служб и проектных институтов.
Сравнение характеристик и эффективности применения современных моделей наземных лазерных сканеров
Метод наземного лазерного сканирования является наиболее перспективной технологией ведения городского кадастра, кроме того, тотальное лазерное сканирование позволит увидеть полную картину изменения квартала, следовательно, выберем сканер наиболее подходящий для работы в условиях плотной городской застройки, на основании следующих технических условий:
1) с углом обзора: вертикальный 270° и более, горизонтальный 360°;
2) с дальностью: более 100 м, а также 0,1-0,6 м от рабочей станции;
3) с точностью измерений: до 5 мм на 50 м (по расстоянию);
4) с классом лазера по степени опасности: I (полностью безопасные) [25].
Для этого сравним между собой конструкционные особенности и технические характеристики пяти наиболее современных моделей наземных лазерных сканеров, с учётом предъявляемых к ним требований.
1. Riegl vz-2000i – импульсный лазерный сканер. Представляет собой систему дальнего радиуса действия, основанную на перспективной, инновационной архитектуре обработки данных, возможности подключения к интернету и новейшей технологии RIEGL обработки формы сигнала. Принадлежит к лазерам I класса. Луч лазера, таким образом, оценивается как безопасный [26]. Средняя цена прибора составляет 6 000 000 рублей.
Внешний вид сканера представлен на рисунке 8.
