Skaning laserowy – zastosowanie w geodezji

Skaning laserowy to najnowsze osiągnięcie w zakresie technik pozyskiwania informacji geoprzestrzennych. Historia skaningu laserowy sięga lat dziewięćdziesiątych ubiegłego wieku.

Początkowo system LiDAR (z ang. Light Detection and Ranging) obejmował wyłącznie urządzenia montowane na statkach powietrznych, czyli skaning lotniczy (z ang. ALS – Airborne Laser Scanning). Prawdziwym przełomem w technikach pozyskiwania informacji geoprzestrzennych był rok 1998, kiedy firma Zoller+Fröhlich pokazała pierwsze na świecie urządzenie do naziemnego skaningu laserowego (z ang. TLS – Terrestrial Laser Scanning).

Zobacz naszą nowoczesną Mapę Geoportal360

Skaning laserowy a tradycyjne metody pomiaru

Skaning laserowy to technika pozyskiwania obrazowych danych geoprzestrzennych z wykorzystaniem światła lasera. Historia skaningu laserowego rozpoczęła się w 1993 r. i od tamtej pory rozwija się obejmując wiele dziedzin gospodarki.

Technologia skaningu laserowego reprezentowana jest przez naziemne skanery 3D, które za pomocą lasera są w stanie pozyskać miliony punktów 3D, z których każdy posiada określone współrzędne x, y, z oraz parametry intensywności odbicia. Pozyskane dane mogą zostać zaimportowane do aplikacji typu CAD lub 3D i być dowolnie przetwarzane jako chmura punktów.

Metoda skaningu laserowego pozwala nie tylko na uzyskanie wizualizacji mierzonego obiektu w różnych rzutach, ale również na takie przetwarzanie danych, które pozwalają na przeprowadzenie pomiarów bezpośrednich oraz obliczeń np. objętości tych obiektów.

Terenowy system pomiarowy (ang. Terrestrial Laser Scanning – TLS) dostarczający chmury punktów pomiarowych w układzie X, Y, Z składa się z:

• nadajnika, tj. modułu generującego światło lasera (diody),
• systemu wirujących luster, zadaniem których jest równomierne odchylenie kątowe (pionowe i poziome) wiązki lasera i jej rozrzucenie po powierzchni obiektów,
• teleskopu optycznego, skupiającego powracające odbite promieniowanie,
• oraz detektora, zamieniającego energię światła na impuls zapisywany w module rejestracji (HDD, karta pamięci) i kontroli.

Pomiary wykonane przy użyciu skaningu laserowego w odróżnieniu od pomiarów wykonanych instrumentami geodezyjnymi, nawet najbardziej zaawansowanymi, są znacznie bardziej efektywne. Wiąże się to z częstotliwością wysyłania światła lasera, które mogą mieścić się w przedziale od 1 kHz (rejestracja 1000pkt./s do nawet 1MHz (ok. 1 mln pkt./s).

Pomiary wykonywane metodą skaningu laserowego są dokładniejsze od tych wykonywanych instrumentami geodezyjnymi. Wystarczy zaznaczyć, że pomiary odległości wykonywane metodą skaningu laserowego osiągają dokładność 1-3 mm, a maksymalny zasięg pomiaru sięga od około 20 metrów w skanerach CW, do ponad 1300 metrów w skanerach pulsacyjnych.

Urządzenia skanujące charakteryzują się możliwością rejestrowania nawet kilku tysięcy punktów na 1m2, co w porównaniu z ALS w ramach projektu ISOK rejestruje ≥4 pkt./m2 dla Standardu I (z wyjątkiem obszarów priorytetowych) i ≥12 pkt./m2 dla Standardu II (obszary miejskie).

Rejestracja i pomiar obiektów za pomocą urządzeń skanujących posiada zalety takie jak:

• jest całkowicie niezależna od warunków oświetleniowych – jako urządzenia aktywne, a nie pasywne, mogą pracować w całkowitej ciemności, a na obrazie nie występują cienie;
• pomiary nie są zależne od przejrzystości – dokładność pomiaru pozostaje nienaruszona, a zmniejszeniu ulega jedynie zasięg;
• dane pomiarowe są pozyskiwane automatycznie, co ma wpływ na zminimalizowanie ewentualnych błędów, które może spowodować, tym samym zostaje wyeliminowany subiektywizm operatora;
• możliwość pomiarów obiektu z różnych jego stron – w zespole maksymalnie 2-3 osobowym można dotrzeć niemal w każde miejsce;
• natychmiastowe wykonanie rejestracji stanu obiektu lub zjawiska;
• znaczna „kompatybilność” z technologią ALS, co daje dużo większe możliwości interpretacyjne;
• możliwość integracji z technologią ALS, która posiada istotne znaczenie w kontekście w projektu ISOK („Informatyczny System Osłony Kraju przed nadzwyczajnymi zagrożeniami”), który obejmie nieco ponad 60% powierzchni kraju;
• możliwość pozyskania praktycznie nieograniczonej ilości danych bez kosztów bezpośrednich.

Zastosowanie skaningu laserowego

Pomiary z zastosowaniem skaningu laserowego znalazły bardzo szerokie zastosowanie. Na szczególną uwagę zasługuje wykorzystanie technologii skaningu laserowego w geodezji naziemnej, w szczególności do:

• kontroli produktów, np. prefabrykatów;
• inspekcji, budowy i przebudowy obiektów inżynierskich, a w szczególności dróg, linii kolejowych, wiaduktów, mostów, estakad;
• monitoringu robót budowlanych;
• pomiaru rzeźby terenu i mas ziemnych, hałd wysypisk;
• inwentaryzacji obiektów przemysłowych i infrastruktury technicznej;
• monitoringu obiektów podziemnych, np. chodników kopalnianych, jaskiń i innych wyrobisk podziemnych,
• inwentaryzacji zabytków,
• inwentaryzacji drzewostanów w zakresie określenia ich zasobności i zdrowotności,
• inwentaryzacji upraw rolnych.

W obecnych czasach nie można już wyobrazić sobie pomiaru rzeźby terenu bez zastosowania skanera laserowego (zob. Pomiar objętości mas ziemnych). Pomiary rzeźby terenów górskich, czy chociażby wszelkiego rodzaju składowisk materiałów, hałd węgla żwiru, soli itp., pozwalają na tworzenie numerycznego modelu terenu, który następnie jest wykorzystywany w projektowaniu wszelkiego rodzaju infrastruktury naziemnej czy chociażby do określania ich objętości.

Skaning laserowy posiada nieocenione znaczenie w inwentaryzacji obiektów zabytkowych. Prace ze skaningiem laserowym na obiektach zabytkowych pozwalają na dotarcie do najbardziej skomplikowanych architektonicznie miejsc obiektu, tworzenia modelu 3D danego obiektu, który umożliwia przeprowadzenie oceny zdrowotności danego obiektu. Dokładność i wierność odtworzenia modelu 3D obiektu zabytkowego pozwala na realizację prac konserwatorskich.

Technologia skaningu laserowego wykorzystywana w budowie obiektów podziemnych koncentruje się w szczególności na sporządzaniu przekrojów drążonych tuneli, obliczaniu mas ziemnych tych tuneli, przygotowaniu dokumentacji z przebiegu robót ziemnych i budowlanych.

Bez wątpienia na dzień dzisiejszy można wymienić wiele dziedzin gospodarki gdzie prowadzenie prac geodezyjnych nie może się już odbyć bez wykorzystania skaningu laserowego. Dzieje się tak dlatego, że prace z wykorzystaniem skaningu laserowego pozwalają na bezkontaktowe pozyskanie w bardzo krótkim czasie wielu precyzyjnych danych pomiarowych umożliwiających tworzenie modelu 3D badanego obiektu.

Pomimo znacznego zastosowania skaningu laserowego tak naprawdę system ten nie został jeszcze do końca odkryty i doceniony, jako obiecująca metoda pomiarowo-badawcza. Prace nad możliwościami wykorzystania skaningu laserowego trwają.

Rodzaje skaningu laserowego

Skaning laserowy ze względu na położenie urządzenia dokonującego pomiaru i utworzenie przestrzennej chmury punktów, dzieli się na skaning laserowy naziemny, lotniczy mobilny oraz satelitarny.

• skaner naziemny (ang. Terrestrial Laser Scanner, TLS) – umieszczony na statywie geodezyjnym, służy do bardzo dokładnych pomiarów na niewielkich obszarowo obiektach, na przykład pojedynczych osuwiskach (Cebulski, 2015);
• skaner mobilny (ang. Mobile Laser Scanner, MLS) – urządzenie przenoszone ręcznie przez pomiarowego lub z użyciem pojazdu w trakcie skanowania, służy do tworzenia trójwymiarowych modeli przestrzennych wzdłuż trasy przemieszczania się użytkownika;
• skaner lotniczy (ang. Airborne Laser Scanner, ALS) – umieszczony na pokładzie samolotu, śmigłowca lub urządzenia bezzałogowego (tzw. drona); w ten sposób powstała chmura punktów ALS obejmująca powierzchnie większości Polski w ramach projektu ISOK (http://www.isok.gov.pl/);
• skaner satelitarny (ang. Satellite Laser Scanner, SLS) – umieszczony na pokładzie satelity okołoziemskiego, dokonuje pomiaru z mniejszą dokładnością, za to bardzo dużych powierzchni w skali całej planety, przykładem jest misja i satelita NASA ICESat, służące między innymi do monitorowania powierzchni obszarów zlodowaconych na Ziemi (http: //www.icesat.gsfc.nasa.gov/), (Polskie Towarzystwo Informacji Przestrzennej, Roczniki Geomatyki, 2016 r.).

Jak działa skaner laserowy?

Działanie naziemnego skanera laserowego polega na pomiarze odległości oraz kąta pomiędzy urządzeniem a badanym obiektem (celem), które pozwalają na wyznaczenie współrzędnych X, Y, Z, tworzących tzw. chmurę punktów.

Pomiar odległości celu od urządzenia odbywa się poprzez wysyłanie przez urządzenie (skaner) w kierunku obiektu wiązki świetlnej (w zakresie bliskiej podczerwieni) o określonej długości fali, odbiciu się od obiektu i powrotu do urządzenia rejestrującego.

Każde odbicie się światła od obiektu jest rejestrowane, a punktowi odbicia przypisane są współrzędne X, Y, Z (3D), które tworzą tzw. chmurę punktów reprezentującą np. powierzchnię badanego obiektu (np. pień drzewa).

W fazie pracy urządzenia w terenie współrzędne X, Y, Z są przypisane do danego punktu odbicia w układzie lokalnym skanera, a następnie w układzie docelowym współrzędnych geodezyjnych prostokątnych płaskich. Urządzenia wyposażone w sensor optyczny, zazwyczaj w postaci wbudowanego lub zewnętrznego aparatu fotograficznego, rejestrują także składowe RGB – modelu przestrzennego barw [(R – red (czerwonej),  G – green (zielonej) i B – blue (niebieskiej)] każdego punktu, które wykorzystywane są m.in. do tworzenia map potencjału solarnego miast.

Źródła:

1. Mateusz Bielecki, Zastosowanie skaningu laserowego w geodezji i kartografii, Nowa Sarzyna 2013 r.
2. Polskie Towarzystwo Informacji Przestrzennej, Roczniki Geomatyki, 2016 r.

Zdjęcie: Pexels.com