Scanare Laser

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

Scanare Laser O nou tehnic n Msurtorile Terestre Principii generale n documentarea unor construcii i instalaii existente, precum i restaurarea unor monumente istorice, cunoaterea geometriei obiectului este de cea mai mare importan. Documentarea complex a construciilor are astzi loc de regul ntr-un GIS, reprezentarea spaial a obiectului bazndu-se pe un numr limitat de forme elementare de modelare, cum ar fi linii, poligoane i corpuri. Prin ele sunt reprezentate muchii, coluri, plane i elemente de volum ale obiectului real. n funcie de scopul urmrit, modelul rezultat trebuie s corespund n limita unei anumite precizii cu obiectul real. Dealungul timpului s-au elaborat o serie de metode pentru ridicarea punctelor spaiale, pornind de la metodele tahimetrice, unde ridicarea era realizat punct cu punct i cu atribute pentru fiecare punct, pn la ridicarea n mas a punctelor obiect prin metode fotogrametrice i scanare laser. La msurtorile tahimetrice, timpul pentru discretizarea punctual a obiectelor i inserarea de atribute fiecrui punct este foarte mare comparativ cu metodele fotogrametrice i de scanare laser, care asigur o preluare rapid, ns fr atribute. Scanarea Laser este o nou tehnic geodezic, prin intermediul creia poate fi msurat complet automat (mai mult sau mai puin) geometria unei structuri, fr ajutorul unui mediu reflectorizant, cu nalt precizie i cu vitez ridicat. Rezultatul msurtorilor este reprezentat de o mulime (considerabil) de puncte, numit n literatura de specialitate nor de puncte. Pn n momentul de fa nu a fost dat o definiie general acceptat n ceea ce privete instrumentele (mijloacele de msurare) care pot fi considerate scanere 3D. Datorit faptului c sunt utilizate diferite principii tehnice la msurarea elementelor necesare calculului coordonatelor 3D, o serie de specialiti au ncercat s delimiteze scanerele 3D de alte instrumente bazate pe propriul lor mod tehnic de operare. Acest punct de vedere, pe lnga alte dezavantaje, a condus la discuii de prisos i inutile dac scanarea 3D aparine msurtorilor geodezice sau fotogrametriei. Pentru utilizator, de altfel, rezltatul este singurul care conteaz, indiferent de metoda utilizat pentru obinerea lui. Din punctul lui de vedere, un scaner 3D este orice dispozitiv care colecteaz coordonatele 3D ale suprafeei terenului sau ale uni obiect: - automat i ntr-un model sistematic; - cu o rat / frecven ridicat (sute sau mii de puncte pe secund); - cu livrarea rezultatelor (coordonatele 3D) mai mult sau mai puin n timp real. Scanerul poate sau nu s livreze valori ale reflectivitii suprafeei scanate, ca informaie suplimentar la coordonatele 3D. Tehnologia curent de scanare laser poate fi clasificat n dou categorii: static i dinamic.1


Scanarea laser static este definit n cazul n care scanerul este instalat ntr-o poziie fix pe durata achiziionrii datelor. Avantajele utilizrii acestei metode se regsesc n precizia ridicat a rezultatelor i n densitatea relativ mare a punctelor. Scanerele laser statice mai sunt ntlnite i sub denumirea de scanere laser terestre, ns nu exist o delimitare o delimitare clar ntre aceste dou noiuni. n cazul scanrii laser dinamice, scanerul laser este montat pe o platform mobil. Aceast platform poate fi un avion (scanare laser aerian) sau un vehicul n micare. Aceste sisteme sunt ns mult mai complexe i mai costisitoare, pentru c lucreaz de cele mai multe ori n combinaie cu sisteme adiionale de poziionare (INS Sisteme de Navigaie Ineriale, GPS Sisteme de Poziionare Global). Scanerul laser terestru nregistreaz punctele tridimensional, prin msurarea unghiului orizontal i vertical, precum i a distanei spaiale spre fiecare punct. DOMENIUL DE Msurarea distanei se face electro-optic, MASURARE n cele mai frecvente cazuri prin procedeul impulsului sau comparaiei de faz, n funcie de tipul instrumentului. Prin folosirea unor funcii trigonometrice simple se obin coordonatele punctelor, ntr-un sistem cartezian de coordonate propriu scanerului. Unghiul orizontal i vertical sunt modificate n mod automat LASER cu intervale prestabilite.Y OGLINGA DEVIATOARE RAZA EMISA SI RECEPTIONATA

SCANER

FOTODIODA CU AMPLIFICATOR

x

x

UNITATEA DE COMANDA

314 MHz / 10 MHz

MODEM A/DFAZA

DIRIJAREA SCANERULUI A/DINTENSITATE

Fig. 1 Principiul Scanrii Laser terestre

CALCULATOR

UNITATEA CENTRALA XYZ, I

Scanarea laser const n devierea unei raze laser prin intermediul unei oglinzi (prin baleere sau rotaie), reflectarea razei laser de pe suprafaa obiectului msurat i receptarea razei laser reflectate. Fa de msurarea distanelor utiliznd un mediu reflectorizant, precizia de msurare n aceast situaie depinde de intensitatea razei laser reflectate (Figura 1). Legturi funcionale ntre precizie i intensitate sunt descrise de legile fizicii. Parametrii principali n aceast funcie sunt distana de la scaner pn la obiect, unghiul de inciden i proprietile reflectorizante ale suprafeelor. Un scanner laser terestru, staionar, presupune existena unui mecanism complex care s permit msurarea pe dou direcii a unui spaiu obiect oarecare. Aceste direcii pot fi considerate ca fiind cea vertical i cea orizontal. Acest principiu este sugerat n Figura 2. Raza modulat de lumin este emis de o unitate electronic (A) i ntlnete elementul optic (D), care se rotete cu o vitez foarte mare. De pe suprafaa acestui mediu optic (care are proprietile unie oglinzi) raza laser este reflectat i se propagPROCESOR MEMORARE MASURATORI

2


sub un unghi specific (B). n momentul n care scanerul a parcurs ntreg profilul din spaiul obiect, partea superioar a scanerului (C) se rotete cu un mic unghi (a) n jurul axei verticale, n scopul de a ncepe parcurgerea unui alt profil, adiacent primului. Operaiunile se repet pn la parcurgerea tuturor profilelor, prestabilite, ale spaiului obiect supus investigrii. Fig. 2 Principiul de msurare

Combinaia ntre elementele optice rotative i mecanismele n micare ale instrumentului ofer razei laser reflectate posibilitatea de a crea o reea (grid / gril) uniform. Descrierea suprafeei unui obiect se face printr-un numr ct mai mare de puncte preluate (msurate), distana dintre aceste puncte (dimensiunea grilei) poate fi de ordinul milimetrilor pn la centimetri. Rezoluia sau dimensiunea laturilor grilei de puncte care s descrie suprafaa unui obiect poate fi de ordinul milimetrilor pn la centimetri, n funcie de poziia instrumentului (distana ntre punctul de staie i obiectul de scanat), precum i de nclinarea suprafeelor de pe obiect fa de direcia de scanare. Comparativ cu nregistrrile fotogrametrice rezoluia este mult mai sczut, fapt pentru care, exist tendina de combinare a celor dou tehnici de preluare n mas a punctelor. Precizia determinrii poziiei spaiale a punctelor poate fi de ordinul milimetrilor. Coordonatele carteziene 3D ale fiecrui punct msurat sunt furnizate prin intermediul msurrii distanelor, a direciilor orizontale i a unghiurilor verticale. Acesta este principiul cunoscut n tehnica msurtorilor terestre sub denumirea de metoda coordonatelor polare. Este important de remarcat c aceste coordonate au ca sistem de referin un sistem intern, definit (x, y, z) al instrumentului, care apoi, prin georefereniere poate fi ncadrat ntr-un sistem de coordonate extern (X, Y, Z), dac acest lucru este necesar. Fig. 3 Nor de puncte cu informaii referitoare la intensitate3


De cele mai multe ori, alturi de informaiile cu caracter geometric (determinarea coordonatelor 3D) sunt oferite nregistrri ale intensitii norului de puncte (informaii radiometrice) iar cu ajutorul unei camerei fotografice ncorporate se poate obine o fotografie a spaiului obiect (Figura 3). Se poate vorbi n acest caz chiar de LiDAR 1 (Light Detecting And Ranging), definit ca o tehnologie de teldetecie optic, prin intermediul creia se msoar proprietile luminii difuze pentru a gsi distana i/sau alte informaii referitoare la o int ndeprtat. Determinarea coordonatelor se realizeaz prin metoda polar, raza laser emis de aparat fiind reflectat de obiect i se msoar distana, direcia n spaiu i intensitatea luminii reflectate. n concluzie, se poate spune c Scanarea Laser Terestr este o metod de conversie a datelor spaiale de nalt rezoluie n modele geometrice (2D sau 3D) de date de msurtori precise. Msurtori de distane utiliznd tehnica Laser. Principii generale. O posibil clasificare a tipurilor de scanere laser terestre se poate face n funcie de principiul de msurare a distanelor utilizat. n acest sens se pot enumera cele trei principii, cele mai utilizate la construcia acestor tipuri de aparate: 1. Principiul msurrii timpului, ntlnit n literatura de specialitate sub denumirea de time of fight sau laser pulsed. n acest caz, distana de la instrument la obiect este determinat n funcie de timpul de parcurgere a acesteia sau timpul ntre emitere i recepie a undei laser.reflector (obiect) transmitor

interfa

postprocesare

procesare semnal

receptor

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

Cea mai utilizat metod de determinare a distanei pn la un obiect sau o suprafa este metoda pulsului laser. Similar cu tehnologia radar, care utilizeaz undele radio, distana este determinat prin msurarea diferenei de timp ntre momentul transmiterii pulsului i al detectrii semnalului reflectat. Tehnologia LIDAR are aplicaii n geologie, seismologie, teledetecie, fizica atmosferei, etc. O alt definiie pentru LIDAR include ALSM (Airborne Laser Swath Mapping) i altimetrie laser. Acronimul LADAR (Laser Detection and Ranging) este deseori utilizat n context militar. Este deasemenea utilizat termenul laser radar dar trebuie evitat utilizarea acestui termen, pentru c poate crea o confuzie, deoarece se folosete raza laser i nu undele radio.

4


n principiu, o diod emite un impuls laser, cu o frecven dat, ctre un obiect din teren. Aceast und este reflectat difuz de pe suprafaa obiectului i o parte din ea se ntoarce la receptor (Figura 4). Pentru fiecare impuls este msurat timpul ntre emitere i recepie. Distana rezultat combinat msurtorile de unghiuri (ale oglinzilor, prismelor, axelor motoarelor) ofer posibilitatea determinrii poziiei 3D a punctului de intersecie dintre raza laser i suprafaa investigat. Trsturile principale ale senzorului Laser Pulsed - metoda: msurarea timpului (time of flight); - lungime de und n domeniul infrarou; - diod pulsatoare ca transmitor laser; - receptor optic senzitiv; - detector de semnal pentru pulsuri multiple; - microprocesor pentru postprocesare; - interfa; - mecanism de scanare optico-mecanic corespunztor Avantaje: - mrime redus; - fiabilitate sporit; - imunitate ridicat la interferene; - precizie ridicat; - domeniu mare de msurare; - culegerea rapid a datelor; - raza laser puternic colimat; - raport performan/pre excelent Influene asupra domeniului de msurare Reducerea razei de aciune poate fi cauzat de: strlucirea puternic a luminii zilei; vizibilitate proast; praf sau murdrie pe lentile Modul de lucru la msurarea distanelor Un generator de puls electric acioneaz asupra unei diode laser care emite pulsuri de lumin infraroii, care sunt strnse ntr-un fascicul paralel prin intermediul unor lentile. Prin lentilele receptoare, parte din semnalul rezultat reflectat de int lovete (atinge) o fotodiod care genereaz un semnal electric receptat. Intervalul de timp ntre transmiterea i recepia pulsaiilor este contorizat prin intermediul unui stabilizator de frecven cu quar. Valoarea calculat a razei de aciune (a intervalului) este preluat de un microcomputer intern care proceseaz datele msurate i le afieaz pe display ca date de ieire (Figura 5). Distana rezult din relaia:5


d=

unde: d distana; co - este viteza luminii n vid (299 792 458 m/s); t - timpul contorizat pe traseul dus ntors.

co t 2

Fig. 5 Principiul de msurare al senzorului Laser (metoda time of flight) 2. Principiul msurrii diferenei de faz, ntlnit n literatura de specialitate sub denumirea de phase sau phase difference sau phase comparison. Aceast metod este bine cunoscut i de la staiile totale care utilizeaz acest principiu. Din punctul de vedere al unui utilizator, aceast metod nu este foarte diferit de cea prezentat anterior. Diferena const ntr-o analiz mai complicat a semnalului receptat, rezultatul acesteia reflectndu-se n criteriul de precizie al msurtorilor. n principiu, distana de la instrument (emitor) la obiect este determinat n funcie de diferena de faz ntre semnalul emis i cel recepionat (Figura 6). Distana rezultat combinat cu msurtorile de unghiuri (ale oglinzilor, prismelor, axelor motoarelor) ofer posibilitatea determinrii poziiei 3D a punctului de intersecie dintre raza laser i suprafaa investigat. d = N + 2 2Semnal transmis t Semnal receptionat

Fig. 6 Pricipiul diferenei de faz Fiind vorba despre o emitere continu de unde laser (continuous wave, cw), intensitatea laserului este6


modulat de o funcie bine definit, sinusoidal sau ptratic. Modulaia semnalului este repetat continuu cu o perioad de timp Tp. Laserul emite continuu o lumin cu nivele moderate de putere (cw). Timpul n care semnalul parcurge distana TL este determinat prin msurarea diferenei de faz t ntre semnalul transmis i cel recepionat. Perioada de timp Tp sau echivalentul ei frecvena f sau lungimea de und definesc domeniul maxim (distana) Run (unambiguous range), care este egal cu /2 pentru domeniul parcurs dus-ntors i rezoluia domeniului s. Pentru o rezoluie de faz cunoscut (), rezoluia domeniului se calculeaz cu relaia: s = 2 Relaia de mai sus relev faptul c rezoluia domeniului poate fi mbuntit rpin utilizarea de semnale cu lungime de und scurte, n condiiile pstrrii constante a rezoluiei fazei. n aceste condiii, atingerea unei rezoluii nalte pentru distan este posibil numai n condiiile utilizrii a mai multor semnale modulate, cu frecvene diferite. O astfel de metod este cunoscut sub denumirea de frecvene multiple. n acest caz, frecvena cea mai nalt determin rezoluia i acurateea (precizia) iar frecvena cea mai joas definete distana. Precizia este determinat cu relaia: 1 R = 4 SNR unde: SNR raportul semnal zgomot (signal-to-noise ratio). Principiul metodei poate fi uor realizat utiliznd o diod laser semiconductor, datorit faptului c lumina poate fi direct modulat. Datorit lrgimii nalte a benzii realizat de dioda laser este posibil realizarea unei frecvene nalte, mai mare de 10 Hz. Pornind de la aceste ultime considerente, este de menionat c metoda este aplicabil la sistemele de msurare (scanare) n domeniul apropiat. Pornind de la considerentele teoretice, pur fizice, se poate afirma c prin intermediul acestei metode modulul receptor recupereaz intensitatea luminii laser difuze reflectate i o detecteaz fr radiaiile disturbatoare ale mediului reflectant. Aceasta nseamn c semnalul reflectat nu este influenat, de exemplu, de lumina solar sau de alete surse externe de lumin. 3. Msurarea distanei pe principiul triangulaiei. Este o metod pentru msurarea precis a distanelor, utiliznd senzori de triangulaie laser. Denumirea este sugerat de faptul c raza laser emis i cea reflectat, mpreun cu baza (distana ntre emitorul laser i camera CCD) formeaz un triunghi. a. Soluia cu o singur camer. n principiu, la aceast metod, un fascicul de raze laser este emis de instrument i este reflectat de pe suprafaa obiectului spre o lentil colectoare, situat pe instrument la o distan cunoscut fa de emitor. Lentila focuseaz imaginea spotului laser reflectat, care este detectat i colectat de o camer video, de regul un7


senzor CCD (Charged Coupled Device). n funcie de model, camera cuprinde un domeniu de msurare ntre 45o i 65o fa de centrul de msurare. Poziia spotului imagine pe pixelii camerei este apoi procesat pentru a determina distana pn la obiect (Figura 7). Unghiul fascicolului laser emis este nregistrat de aparat (poate fi definit i schimbat incremental), deasemenea distana ntre sursa laser i camera video este cunoscut de la calibrare. Distana de la instrument pn la obiect (D) este determinat geometric din lungimea bazei (b) i unghiurile nregistrate ( i ). Poziia 3D a elementului de suprafa de pe care se reflect raza laser deriv din rezolvarea triunghiului.Sursa LASER Oglinda Obiect

D=b

BazaSenzor CCD

sin sin =b sin sin( + )

Lentila colectoare

Fig. 7 Principiul triangulaiei. Soluia cu o singur camer

Acest principiu este deja cunoscut din msurtorile clasice: intersecia nainte cu baz cunoscut. De aici este deasemenea cunoscut faptul c precizia de determinare a distanei ntre instrument i obiect descrete proporional cu ptratul acestei distanei. n acest caz, din considerente practice, nici lungimea bazei nu poate fi att de mare pe ct s-ar dori. Din acest motiv, acest principiu este aplicabil pentru distane mici i pentru obiecte de mici dimensiuni. b. Soluia cu camer dubl. O alt soluie, bazat pe acelai principiu, este cu utilizarea a dou camere CCD, situate la capetele bazei. Spotul laser care trebuie detectat este generat de o surs separat, care nu are nici o funcie de msurare (Figura 8). Soluia geometric este identic cu cea de la cazul precedent, soluia cu o singur camer, astfel c se pstreaz aceleai caracteristici de precizie. Nu toi senzorii care utilizeaz principiul cu camer dubl ofer posibilitatea unei rate nalte de msurare i de livrare a coordonatelor 3D n timp real. Atunci cnd sunt ndeplinite cele dou condiii (numr mare de puncte msurate i procesare n timp real) aceste instrumente pot fi considerate o alternativ pentru scanerele laser terestre 3D.

8


Senz o

Fig. 8 Principiul triangulaiei. Soluia cu camer dubl

r CC D

Lentila colectoare

Baza Sursa LASER

Obiect

CD

Componentele unui sistem de scanare terestru Un sistem de scanare laser terestru are urmtoarele componente: unitatea de scanare; unitatea de control; sursa de energie; accesorii. a. Unitatea de scanare, sau scanerul propriu-zis are trei componente principale: sistemul de msurare a distanelor i a reflectanei, sistemul de msurare a unghiurilor i sistemul de deflecie. a.1 Sistemul de msurare a distanelor. Acesta se poate baza pe unul din cele trei principii de msurare descrise n capitolul anterior. Obiectul este scanat pe ambele direcii (orizontal i vertical), cu viteze de la mii pn la sute de mii de puncte pe secund, n funcie de distanala care se afl obiectul fa de scaner. Raza laser reflectat este detectat de o fotodioad iar amplitudinea semnalului detectat reprezint intensitatea. Intensitatea poate fi considerat ca o a patra dimensiune a punctului scanat i ea depinde de o serie de parametrii, dintre care cei mai importani sunt unghiul de inciden i proprietile suprafeei (culoare, rugozitate, etc.);Observaie: Parametrii atmosferici (temperatur, presiune, umiditate) pot influena undele electromagnetice. n consecin, pot aprea aberaii optice, cum ar fi: refracia (raza laser nu mai este o linie dreapt ci o curb), scintilaia (variaia intensitii razei laser datorat fenomenelor de vibraie a atmosferei), dispersia (dependena vitezei de propagare de lungimea de und)

Se

rC nzo

Lentila colectoare

9


a.2 Sistemul de msurare a unghiurilor. n scanarea laser terestr orientarea razei laser este msurat electro-optic prin intermediul unor codificatori, n funie de direcia orizontal i vertical. Metoda se bazeaz pe energia luminoas transmis sau reflectat. Aceast energie este transformat de o fotodiod n energie electric, apoi semnalul analog este convertit ntr-un semnal de ieire digital, care poate fi citit ca un numr zecimal. n cele mai multe cazuri se folosete o codificare binar. Pentru rezoluii mai ridicate se folosete codificarea incremental; a.3 Sistemul de deflecie. Elementul principal al acestui sistem este oglinda de scanare, care produce deflecia razei laser pe o direcie vertical i uneori pe o direcie orizontal. Deflecia razei laser furnizeaz msurtori unghiulare, aceasta corespunznd cu citirile la cercurile orizontal i vertical, n accepiune clasic a metodei. Rezultatul defleciei razei laser n ambele direcii (orizontal i vertical), folosind un unghi incremental constant, este acea reea de puncte care definesc n final norul de puncte. Definiie: Norul de puncte este o colecie de puncte, definite ca poziie prin coordonatele XYZ ntr-un sistem de referin comun, care relev observatorului informaii referitoare la forma, poziia i distribuia spaial a unui obiect sau grup de obiecte. Acesta poate conine i informaii adiionale, cum ar fi intensitatea. Se poate trage concluzia c norul de puncte conine dou tipuri de informaii: metrice, care descriu geometria obiectului i relaiile spaiele ale acestuia cu mediul nconjurtor; tematice, care sunt utilizate pentru a descrie proprietile suprafeelor obiectelor scanate i pentru a estima ncrederea acordat datelor achiziionate. b. Unitatea de control este de regul un calculator portabil (laptop) cu o component software specific, cu ajutorul cruia este condus ntregul proces de scanare i nregistrare a datelor. O caracteristic important a sistemului trebuie s fie capacitatea de stocare a datelor (memoria hard), innd seama de cantitatea foarte mare de date colecionate n timpul procedurilor de scanare. c. Sursa de energie este reprezentat de una sau mai multe baterii. d. Accesoriile sunt reprezentate de trepied pentru aplicaiile statice, inte de vizare, bastoane, etc.

10


Consideraii asupra preciziei. Pornind de la numeroasele domenii de activitate n care scanarea laser terestr i dovedete utilitatea se pot face o serie de observaii privitoare la precizie. Acest parametru nu este ntotdeauna cerina predominant n unele domenii. O abatere standard de civa milimetrii pentru un punct al unei suprafee scanate nu iese att de mult n eviden dac acest punct este parte a unui element care prin procesare are o geometrie regulat (plan, cilindru, etc.) i este utilizat doar la gsirea parametrilor care descriu acest element ntr-o reprezentare CAD. Dac trebuie modelate suprafee neregulate (uzual prin reprezentri de tip plas sau gril mesh), norii de puncte de tip zgomot pot crea dificulti n procesare, n special la netezirea muchiilor sau a marginilor. Din acest motiv, procedurile de scanare trebuie executate cu cel mai precis scaner raportat la mrimea obiectului i la distana la care se situeaz acesta. Dei majoritatea specialitilor tind s priveasc parametrii de precizie ca pe consideraii predominante n cazul comparrii echipamentelor de msurare, pentru utilizri practice sunt numeroase alte caracteristici care pot fi decisive n realizarea unui proiect. Consideraii suplimentare. Viteza. Chiar dac rata de achiziie a datelor este foarte mare, scanarea laser terestr poate deveni un proces consumator de timp n momentul n care este necesar o rezoluie nalt a obiectului, respectiv o mai mare densitate de puncte. nregistrarea a 100 de puncte pe secund poate fi considerat o rat de nregistrare destul de mic. O rat de nregistrare de aproximativ 1000 de puncte pe secund poate fi considerat satisfactoare n multe cazuri. La aceasta se mai adaug i timpul aditional necesar operaiunilor suplimentare, strict necesare: transportul aparatelor n diverse puncte de observaie, setarea procesului de scanare, controlul punctelor msurate, etc. Aceste operaiuni nu pot fi accelerate prea mult pentru c unele dintre ele sunt standard. Din aceste motive, un salt spre zeci de mii de msurtori pe secund nu reprezint n realitate o imbuntire substanial. Rezoluia i mrimea spotului Rezoluia unui obiect este teoretic funcie de mrimea incrementului unghiular dat pentru micarea razei de msurare. De o mare importan practic este mrimea ariei reflectante (mrimea spotului), deoarece aceasta va limita rezoluia local. Dac se dorete o rezoluie mare (cazul cel mai frecvent de altfel), trebuie verificat cu atenie ct de bine este focusat raza de msurare i dac procedura de focusare automat este dat pentru diferite distane.

11


Limite de distane i influena radiaiilor interferate Nu totdeauna te poi baza pe specificaiile de distane. Distanele posibile de msurat depind ntr-un grad foarte mare de reflectivitatea materialului, de claritatea (curenia) atmosferei i de radiaiile adiionale cauzate de refletarea luminii solare sau radiaii artificiale pe obiect ori interferate de la surse situate n apropierea obiectului. n general, instrumentele care funcioneaz pe principiul time-of-flight sunt relativ robuste, n timp ce instrumentele care folosesc principiul msurrii fazei (phase) si detectarea semnalului pe senzorul CCD (principiul triangulaiei) sunt mult mai sensibile. In acest ultim caz, pentru evitarea factorilor perturbatori, se poate cere efectuarea msurtorilor pe timp de noapte. Cmpul de vedere Scanerele fixe, fr axe motorizate pentru rotaie, au un cmp de vedere limitat, ele putnd scana o arie de aproximativ 40o / 40o. Scanerele cu o ax motorizat acoper o arie de 45o / 320o. Scanerele cu dou axe motorizate (scanere panoramice) pot scana oriunde, exceptnd o arie conic de aprox. 30o la nadir. Cmpul mare de vedere poate avea o mare semnificaie n spaii (camere) nchise, unde scanerul poate colecta o mare parte de date dintr-un singur punct de observaie, fr alte operaii suplimentare din partea operatorului. Dispozitive necesare pentru registraie n cazul n care scanrile pariale se efectueaz din diverse puncte de observaie este necesar ca acestea s fie combinate i / sau transformate ntr-un sistem de coordonate comun (operaiune cunoscut sub denumirea de registraie). Pentru aceasta este nevoie de inte de vizare speciale, amplasate n spaiul obiect, care pot fi uor detectate de componenta software a scanerului. Productorii de instrumente de acest tip livreaz inte speciale (sfere, tinte plane cu mare reflectivitate) care sunt adaptate propriilor componente hard- i software. Aceste inte sunt valabile i pentru msurtori tahimetrice i pentru preluri de imagini fotogrametrice. Camere foto Pentru multe aplicaii, n afar de definirea geometric a obiectului, sunt necesare i informaii adiionale referitoare la textura acestuia. Daca aceste texturi sunt integrate n modelul 3D, rezult o vedere foto-realistic a obiectului. O serie de scanere nregistreaz i valori ale intensitii semnalului recepionat. n mod uzual, aceasta nu este suficient pentru a furniza destule informaii despre textur necesare cartografierii acesteia. Este exemplul camerelor de la scanerele care funcioneaz pe principiul triangulaiei, camere care sunt optimizate pentru detectarea spotului i nu pentru preluarea de imagini. Unii utilizatori solicit includerea n echipamentul scanerului a unei camere (color) de nalt calitate. Alii ns nu sunt pregtii s plteasc un astfel de extrasupliment. O soluie ar putea fi adaptoarele de fixare a unei camere pe scaner. n acest

12


caz, poziia relativ a scanerului i a camerei poate fi calibrat, ceea ce ar permite o integrare a imaginilor preluate cu rezultatele scanrii. Componenta software a unui scaner Aceast component difereniaz diferitele tipuri de instrumente, produse de diferite companii constructoare. n general, componenta software trebuie s asigure o serie de funcii de baz necesare efecturii msurtorilor, s fie o interfa rapid i simpl pentru definirea ferestrelor de scanare i a valorilor rezoluiei. Este util s ofere posibilitatea contorizrii timpului de scanare i estimarea timpului rmas pn la finalul operaiunii. Sunt de asemenea utile funciile de recunoatere automat a intelor speciale de vizare i a punctelor de control, precum i rectificarea dinamic a rezoluiei. n cazul scanrii obiectelor de mari dimensiuni, cnd scanarea se efectueaz din mai multe puncte de staie, trebuie s asigure o registraie complet a norilor de puncte preluai din staii diferite, n scopul verificrii complete a scanrii. Principalele operaiuni ale etapelor de scanare laser terestr Noiune de scanare static presupune ca att scanerul ct i obiectul care urmeaz a fi scanat sunt fixe pe tot parcursul de achiionare a datelor. Produsele finale ale procesului de scanare se obin prin post-procesarea informaiilor oferite de norii de puncte, utiznd componente software adecvate. n general, aceste componente software sunt puse la dispoziie de firmele productoare, fiecare dintre acestea purtnd amprenta firmei respective i difereniindu-se esenial de la o firm la alta. n general, achiziionarea datelor se realizeaz ntr-un timp foarte scurt, lucru care confer un avantaj esenial acestor sisteme n raport cu sistemele tahimetrice, de exemplu. Post-procesarea datelor poate ns s dureze mai mult, innd seama de volumul imens de date care se pot achiziiona ntr-o campanie de scanare (exemplu: pot fi zeci de milioane de puncte coninute ntr-un nor de puncte care pot caracteristiza deplin unui obiect) i nu n ultimul rnd de abilitatea operatorilor care particip la pos-procesare. Experiena a relevat faptul c raportul dintre operaiunile de post-procesare i cele de achiziionare a datelor poate fi de 10:1 sau chiar mai mult. 1. Proiectarea msurtorilor Similar cu orice proces de msurare ntlnit n tehnica msurtorilor topografice inginereti i n acest caz proiectarea sau planificarea preliminar reprezint o etap extrem de important, decisiv de cele mai multe ori n obinerea rezultatelor, respectiv a informaiilor necesare pentru a descrie obiectul ce urmeaz a fi scanat. Etapa de proiectare este indispensabil desfurrii procesului de msurare i datorit faptului c n aceast etap sunt puse n balan forma i mrimea obiectului, poziia acestuia n mediul nconjurtor i nu n ultimul rnd - cerinele

13


beneficiarului n ceea ce privete precizia care trebuie obinut n final la reprezentarea obiectului. Pornind de la aceste considerente, se pot contura urmtoarele etape ale proiectrii: Definirea ariei de scanat i investigaiile preliminare; Stabilirea rezoluiei i acurateii necesare (solicitate) pentru punctele care alctuiesc norii de puncte, n funcie de cerinele beneficiarului; Selectarea tipului de scaner laser care urmeaz a fi utilizat, funcie de specificul lucrrii pe care ne propunem s o realizm (alegerea instrumentelor i accesoriilor); Proiectarea poziiilor optime ale punctelor de staie (pentru scanare), pornind de la premisa asigurrii acoperirilor necesare asigurrii acurateii i de la necesitatea scanrii ntregului obiect; Alegerea tipurilor de inte care vor fi utilizate n operaiunile de registraie i georefereniere i a poziiilor n care ele vor fi amplasate, n aa fel nct s fie asigurate premisele unei configuraii geometrice optime pentru georefereniere; Estimarea volumului de date care vor fi achiziionate n timpul procesului de scanare. 2. Scanarea propriu-zis Aceast etap presupune cteva operaiuni preliminare: Aezarea n staie a aparatului, cu toate operaiunile impuse (centrare, calare); Definirea seciunii 3D care urmeaz a fi scanat; Selectarea opiunilor specifice n softul scanerului pentru lucrarea respectiv. Dup parcurgerea acestor etape operaiunea de scanare este condus n totalitate de softul specializat al instrumentului, nefiind necesar intervenia operatorului. Scanarea n progres poate fi urmrit pe ecranul calculatorului. Dup scanarea complet a seciunii, datele se salveaz n fiiere create pentru lucrarea respectiv. 3. Registraia n funcie de mrimea, forma i complexitatea obiectelor care se scaneaz se impune amplasarea scanerului laser n poziii (puncte de staie) diferite, pentru ca scanarea acestuia s fie complet. n foarte puine cazuri se poate realiza scanarea unui obiect dintr-o singur staie. La fiecare scanare, dintr-un punct de staie, se obine un set de coordonate (nor de puncte) ntr-un sistem de coordonate local, intern al instrumentului de scanare.

14


Registraia reprezint procesul de combinare a rezultatelor din diferite poziii ale scanerului laser (nori de puncte diferii) sau transformarea acestor rezultate ntr-un sistem comun de coordonate (nor de puncte comun). Aceast transformare, din punct de vedere teoretic, se defoar dup algoritmul descris, matematic, de relaia: xc = R xs + t n care: R este matricea de rotaie; t vectorul care descrie translaiile; xc coordonate n sistem comun; xs coordonate n sistem scaner. Practic, pentru realizarea registraiei exist mai multe variante: a. Registraia bazat pe inte de vizare: Una din variante ar putea fi utilizarea de inte artificiale (special concepute) care sunt scanate din mai multe puncte de staie, aa numitele puncte de legtur (tie points). Pentru intele comune, vizate din mai multe staii de scanare diferite, se calculeaz coordonatele, care sunt folosite apoi la determinarea parametrilor de transformare. Aceast procedur de registraie se realizeaz, de regul, prin intermediul componentei software al instrumentului. Poziia intelor care definesc punctele de legtur poate fi determinat prin intermediul uneia din tehnologiile cunoscute: utiliznd staiile totale sau tehnologia G.P.S. Acest lucru este util mai ales n cazurile n care se solicit ncadrarea msurtorilor ntr-un sisteme de coordonate predefinit (local, global, de referin, etc.). Tipul i forma intelor de vizare se stabilete n funcie de sistemul de scanare, de precizia solicitat i de accesoriile pe care le avem la dispoziie. Acestea pot fi: sfere, cilindri retrorelectivi sau inte plane. b. Registraia folosind nori de puncte: Acest procedeu permite transformarea a dou sau a mai multor seturi de date n unul singur, fr a folosi inte de vizare. Condiia de realizare a acestei modaliti de registraie este ca seturile de date rezultate din norii de puncte s aib zone de suprapunere. Calitatea norilor de puncte poate influena decisiv rezultatul registraiei. Este necesar, din acest motiv, o filtrare, printr-o pre-procesare a seturilor de date, a zgomotului i a erorilor grosolane. Unul din dezavantajele acestei metode provine din faptul c un obiect nu poate fi achiziionat (scanat) n mod identic a doua oar, dintr-o poziie diferit a scanerului.15


4. Georeferenierea n principiu, fiecare operaiune de scanare genereaz un nor de puncte, puncte ale cror poziie este caracterizat de coordonatele (x, y, z) ntr-un sistem propriu (intern) al scanerului. n majoritatea cazurilor, scanarea unui obiect se efectuaez din mai multe puncte (staii de scanare) i este necesar ca acesta s fie reprezentat ntr-un sistem unic de coordonate (X, Y, Z): sistem extern ales, sistem local definit, sistem global sau sistem naional. Acest proces de cuplare a norilor de puncte ntr-un sistem unic (nor de puncte comun) mai poart denumirea de georefereniere. Registraia, expus n detaliu n subcapitolul anterior, poate fi considerat ca o faz preliminar a georeferenierii, existnd ns i cazuri (situaii) n care aceasta este asimilat cu georeferenierea, atunci cnd registraia norilor individuali de puncte se realizeaz direct n sistemul extern de coordonate ales. n concluzie, se poate spune c nu exist o delimitate decisiv ntre aceste dou operaiuni. Operaiunea de georefereniere, care se efectueaz n mod obinuit n faza de post-procesare, poate fi evitat, dac registraia se execut n sistemul de coordonate ales (definit). n practica scanrii laser terestre se regsesc dou procedee de georefereniere: a. Georeferenere direct Acest punct de vedere este ilustrat n Figura 9, n contextul unei georeferenieri directe a scanerului, prin staionarea ntr-un punct de coordonate cunoscute (centrat, calat) i vizarea unui alt punct de coordonate cunoscute, pe care este amplasat o int de vizare. Dup cum s-a mai afirmat, coordonatele punctelor se pot determina anterior operaiunilor de scanare, utiliznd procedee cunoscute: msurtori utiliznd staii totale sau tehnologie G.P.S. Fig. 9 Principiul georeferenierii directe Din punct de vedere teoretic, acest procedeu, care matematic se traduce prin transformarea unui punct din sistem scaner ntr-un sistem extern, este descris de ecuaia:r g = r o + R 3 () r s unde:16


- r s este vectorul din spaiul scaner; - r g este vectorul din spaiul georefereniat; - r o este vectorul din spaiul obiect; - k este unghiul de rotaie dintre staia n spaiul obiect i staia n spaiul de scanare. b. Georeferenere indirect (utiliznd inte de vizare) Georeferenierea norului de puncte rezultat n urma msurtorilor este posibil i prin intermediul unor puncte de coordonate cunoscute, amplasate n aria de scanare, respectiv n spaiul obiect (georefereniere indirect). Pentru aceast operaiune sunt necesare puncte omoloage (puncte de constrngere tie points) sau obiecte de forme geometrice elementare (ex.: sfer, cilindru). n acest mod, la fiecare scanare trebuie s existe vizibilitate spre minim trei puncte de coordonate cunoscute (puncte de constrngere inte de vizare marcate prin inte de vizare sau sfere, cilindri, etc.). Astfel, este posibil integrarea sistemului de coordonate local al scanerului n sistemul de referin extern (Figura 10). Fig. 10 Principiul georeferenierii indirecte Din punct de vedere teoretic, aceast situaie coincide cu premisele realizrii transformrii de coordonate (transformarea Helmert) sau transformarea conform tridimensional din sistem scaner ntr-un sistem de coordonate extern. Modelul funcional este dat de relaia: X e = X 0 + m Rie X i sau r11 r12 r13 X i Xe X0 Ye = Y0 + m r21 r22 r23 Yi r Z Z 31 r32 r33 Z i e 0 unde: - X e i X i sunt vectorii coordonatelor punctelor n sistemul extern (e), respectiv nsistemul intern al scanerului (i); - X 0 este vectorul translaiilor; - m este factorul de scar;

17

Sisteme de scanare 3D --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Rie este matricea de rotaie dintre cele dou sisteme de coordonate, care caracterizeaz unghiurile de rotaie n jurul celor trei axe de coordonate.

Pentru trei sau mai multe puncte de control (comune), cei apte parametrii ai transformrii Helmert pot fi determinai folosind principiul metodei ptratelor minime.Observaii: 1. Este de preferat ca repartizarea punctelor de control s corespund unei geometrii optime, n sensul amplasrii lor ct mai uniform n spaiul de scanare. n caz contrar, pot aprea situaii de incompatibilitate la transformare (exemplu: puncte amplasate aproximativ n aliniament, n lungul direciei de scanare); 2. Procedeul este oarecum similar cu staionarea liber (free station) la staiile totale, caz n care punctul de staie este ales pe dou considerente: vizibilitate spre punctele vechi din care s fie posibil determinarea coordonatelor punctului de staie i posibilitatea de a vizact mai multe puncte de detaliu;

Dup compensare, valorile estimate ale parametrilor sunt utilizate la georeferenierea norilor de puncte, potrivit modelului funcional prezentat mai sus. Coordonatele punctelor de control (constrngere) din spaiul obiect (de scanare) se pot determina prin metode cunoscute: msurtori cu staii totale sau utiliznd tehnologie G.P.S.. Precizia de determinare a coordonatelor acestor puncte contribuie decisiv la realizarea unei georeferenieri corecte. c. Georeferenere indirect (utiliznd trsturi comune) n principiu, acest procedeu const n utilizarea trsturilor morfologice comune ale unor detalii topografice care se regsesc i sunt vizibile n nori de puncte diferii: coluri de geamuri, limite vizibile de elemente de construcii, puncte de legtur sau control, etc. n mod curent, aceste detalii se identific manual, la postprocesarea datelor. d. Georeferenere indirect (utiliznd suprapuneri de suprafee) Procedeul const n suprapunerea de suprafee comune din norii de puncte vecini. Operaiunea este oarecum identic cu cea descris anterior, avnd ns avantajul obinerii unor soluii mai bune dect n cazul utilizrii la transformare a punctelor discrete.

5. Modelarea i vizualizarean urma operaiunilor de registraie i georefereniere, norul de puncte comun rezultat poate intra n procesul de modelare. Produsul final al acestei operaiuni este reprezentat de modelul 3D al obiectului scanat. Procedurile de modelare sunt18


specifice aplicaiei practice i componentei software a firmei productoare a instrumentului utilizat la scanare.

6. Descrierea datelor obinute folosind tehnologia de scanare laser terestr 2n urma operaiunilor de scanare descrise mai sus, operaiuni efectuate n faza de teren, rezult un numr foarte mare de puncte, definite ca poziie prin coordonatele lor ntr-un sistem de coordonate generat de instrument sau definit de utilizator, definit n literatura de specialitate nor de puncte.Toate informaiile referitoare la caracteristicile norului de puncte pot fi grupate n fiiere de diverse tipuri: 1. Fiiere n format ASCII

a. Fiiere ASCII XYZ Sunt fiiere text standard pentru date referitoare la puncte. Sunt constituite din linii, fiecare dintre ele coninnd datele referitoare la poziia punctelor, caracterizat prin coordonatele X, Y i Z; b. Fiiere SVY (SurVeY File) Componenta software export coordonatele 3D ale punctelor (Easting, Northing, Elevation. Opional, se pot exporta i coloane suplimentare (adiacente), pentru a se putea aduga alte comnetarii (ex.: denumirea punctului, alte comentarii); c. Fiiere PTS Pentru fiecare nor de puncte, componenta software export numrul total de puncte din nor, urmat de un ir de coordonate (XYZ), valoarea intensitii luminii (radiaia incident reflectat de pe suprafaa scanat) i de culorile punctelor (R rou, G verde, B albastru); d. Fiiere PTX Pentru fiecare nor de puncte, componenta sotware export coordonatele XYZ i valoarea intensitii luminii pentru fiecare punct, cu informaiile legate de transformrile asociate nregistrate; e. Fiiere TXT Pentru fiecare nor de puncte se pot exporta coordonatele XYZ ale punctelor, sub form de fiier text; 2. Fiiere n format BinarSunt fiiere care pot fi citite i interpretate numai de computer, spre deosebire de fiierele ASCII care pot fi interpretate i de operator. Dac un fiier binar este deschis cu un editor de texte, fiecare grup de 8 bii va fi tradus ca un singur caracter iar pe ecran va aprea un text ilizibil. Dac fiierul este deschis cu o alt aplicaie, aceasta folosete n mod separat fiecare byte n parte i pe ecran apare rezultatul interpretrii;2

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

19


3. Fiiere caracteristice pentru geometria norului de puncte: a. Fiiere DXF (Drawing EXchange Format) Acestea sunt fiiere standard ASCII i pot fi citite cu un editor de texte. Pot fi traduse cu uurin n formate pentru diverse platforme CAD sau pot cedate altor programe; b. Fiier STL (STereoLithography) Fiierul STL este o reprezentare triunghiular a unei suprafee geometrice 3D. Suprafaa este mprit ntr-un set de triunghiuri orientate (faete). Fiecare faet este descris de direcia normalei la suprafa i de trei puncte care reprezint vrfurile triunghiului. ntr-un fiier STL este descris doar geometria obiectelor 3D. Nu sunt prezente alte informaii despre culoare, textur sau alte atribute obinuite pentru modelele de tip CAD. Fiierele STL standard includ ambele formate (ASCII i Binar). Formatul ASCII este descriptiv, ns mai utilizat este formatul Binar datorit faptului c n urma salvrii unei aplicaii CAD rezult o mrime mai mic a fierului; c. Fiier VRML (Virtual Reality Modeling Language) Acest tip de fiier este un format standard pentru reprezentri 3D, destinat n mod special aplicaiilor WEB. VRML este un fiier text n care pot fi specificate vrfurile i laturile unui poligon 3D, mpreun cu specificaii referitoare la culoarea suprafeei, texturi, luminozitate, transparen, etc. Fiierele de acest tip mai sunt cunoscute sub denumirea de worlds i au extensia *.wrl. Clasificarea scanerelor laser terestren prezent, scanarea laser terestr a devenit o tehnic suplimentar pentru aplicaiile geodezice. Utilizarea scanerelor laser este n continu cretere, diferite sisteme provenind de la diverse companii fiind prezente astzi pe piaa instrumentelor i sistemelor de msurare. O clasificare a scanerelor laser terestre este destul de problematic, deoarece ar trebui definit baza acestei clasificri. Posibile clasificri se pot face dup urmtoarele criterii: - domeniul de msurare a distanelor; - principiul sistemului de msurare a distanelor; - densitatea punctelor; - precizia determinrii poziiei spaiale a punctelor; - domeniul de scanare. Pornind de la aceste afirmaii, se poate lua n discuie o modalitate de clasificare a scanerelor laser terestre. n primul rnd, se poate spune c nu exist un scaner laser universal, pentru orice aplicaie tehnic. Unele sunt potrivite pentru domenii mici ale distanelor (n incinte, unde distanele nu depesc 100 m), altele pentru domenii ale distanelor care depesc cu mult 100 m. n concluzie, tipul de aplicaie tehnic decide tipul de scaner laser.

20


Scanerele laser terestre pot fi clasificate dup principiul sistemului de msurare a distanelor. Acesta coreleaz, n principiu, att domeniul de msurare ct i precizia. Cele mai multe scanere laser se bazeaz pe principiul msurrii timpului (time of flight). Aceast tehnic permite msurarea distanelor pn la cteva sute de metrii. Este posibil chiar msurarea unor distane de peste un kilometru (ex.: Mensi, Trimble, Riegl), ns acest avantaj implic o precizie mai sczut, de aproximativ un centimetru. Fig. 11 Sistemele de scanare laser LMS-Z210, Riegl (dreapta) i Trimble GX 3D (stnga)

Un alt principiu este cel al msurrii fazei (phase measurement), reprezentnd cealalt tehnic comun pentru domeniul mediu de msurare a distanelor. Domeniul este limitat la 100 m (ex.: Zoller+Froehlich, Faro, IQSun). n acest caz, fa de principiul enunat mai sus, precizia msurrii distanelor se ncadreaz n domeniul milimetric.

Fig. 12 Sistemele de scanare laser Imager 5003 (Zller+Frhlich) (dreapta) i Faro LS 420 Trimble GX 3D (stnga)

Pentru ca aceast clasificare s fie complet, trebuie amintite i scanerele laser concepute pentru un domeniu restrns (sub 10 m), utilizate mai ales n aplicaii din industrie. Principiile de msurare a distanelor n acest caz sunt laser radar i optical triangulation. Precizia unor astfel de sisteme este de domeniul submilimetric (zecime sau sutime de milimetru). De altfel, aceste tipuri de sisteme nu se regsesc n clasificrile scanerelor laser terestre. O alt posibil clasificare ar putea fi fcut, funcie de proprietile tehnice ale instrumentelor. Diferenieri ale scanerelor laser terestre, din punct de vedere tehnic pot consta n: modul de scanare: o scanare 360o; o scanare pe seciuni specifice, datorit limitrii cmpului de vedere (aciune); o scanare pe profile;21


o etc. sistemul de deflecie a razei laser: o oglind care se rotete sau care baleaz; combinarea cu alte dispozitive montate pe scanerul laser: o camer foto digital, GPS;

Diferenieri n tehnica de Scanare Laser:n principiu, un scaner laser terestru este un sistem care funcioneaz pe principiul metodei polare de determinare a coordonatelor, raza laser emis de aparat este reflectat de obiect i se msoar distana, direcia spaial i intensitatea (LIDAR Light Detecting and Ranging). Diferenieri ntre tehnici de scanare (selecie): - referitor la dimensiuni: 1D (point wise), 2D (profile), 3D (picture); - domeniul de msurare: a) < 10 m, sisteme oferite de majoritatea firmelor productoare (ex.: COMET, Steinbichler, Germania); b) de la 10 la 150 m, Long Range Scanning (ex.: HDS 2500 Leica (Cyrax 2500, Cyra, USA); c) > 150 m (ex.: LMS-Z210, Riegl, Austria); - referitor la tehnica de msurare a distanelor: a) Msurarea timpului ex.: Callidus V1.1, Callidus, Germania b) Comparaie de faz ex.: IMAGER 5003, Zller & Frhlich, Ger-mania; c) Triangulare ex.: SOISIC, Mensi, Frana; - referitor la tipul aparatului: a) Camera Scanner ex.: HDS 2500, Leica (Cyrax 2500, Cyra, USA); b) Panorama Scanner ex.: IMAGER 5003, Zller & Frhlich, Germania; Exemplificri: Scaner 3D: HDS 2500, respectiv Cyrax 2500 Camera Scanner (40 x 40), msurarea timpului ca principiu de msurare a distanelor i camer foto digital integrat (480 x 480 Pixel) - Figura 7.

Fig. 7

22


Sistemul de msurare laser HDS 2500 respectiv Cyrax Specificaii tehnice: Domeniul de msurare ... 1,5 - 150 m Viteza maxim de msurare ... 1000 points/s Precizia de msurare a distanelor (1 )+/- 4 mm Precizia de msurare a unghiurilor...+/- 60 rad (3 mm/50 m) Precizia poziiei unui punct6 mm / 50 m Mrimea spotului < 6 mm / 50 m Lungimea de und...532 nm (verde) Informaii asupra intensitii...codate pe culori

Ali productori de instrumente de acest tip (Laser Scanner) Imager 5003, respectiv HDS 4500, Zller & Frhlich GmbH, Germania (Figura 8): Fig. 8 Sistemul de msurare laser Imager 5003

Sistemul Leica HDS 4500

- Tehnologia utilizat la msurarea distanelor: Phasing - Domeniul de msurare: 0,4 53,5 m - Viteza de msurare (exprimat n numr de puncte pe secund): 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.de23


LMS-Z210, RIEGL Laser Measurement Systems GmbH, Austria (Figura 9):- Tehnologia utilizat la msurarea distanelor: Time of flight - Domeniul de msurare: 2 700 m - Viteza de msurare (exprimat n numr de puncte pe secund): 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 msurare laser LMSZ210, Riegl

Sistemul de msurare laser LMS-Z420i, Riegl

24


Scaner Laser 3D Callidus, Trimble o Complet panoramic o Robust o Laser de clasa 1 o Demn de ncredere o Precis Fig. 10Sistemul de msurare laser scanner 3D Callidus

Utiliznd un sistem de scanare complet panoramic i camer video, scanerul laser 3D Callidus automat combin date din distane msurate fr contact direct, senzori de unghiuri i senzori de nclinare pentru a msura coordonatele tuturor punctelor i suprafeelor aparinnd mediului apropiat. Norul de puncte rezultat, constnd n mod normal din milioane de puncte, poate fi vizalizat i procesat cu un computer de teren robust i o component software uor de utilizat (Callidus 3D Extractor). Componenta software este compatibil cu alte pachete de programe al companiei Trimble, cum ar fi Terramodel, livrat cu soluie coplet Integrated Survezing TM. Scanerul Laser 3D Callidus acoper un excepional cmp de vedere, cu o baleere de 360o pe orizontal i de la 90o la 60o pe vertical. Aceasta nseamnnd mai puine aezri n staie i mai puine scanri dect cu alte tipuri de scanere. n plus, construcia solid permite transportul mai uor al aparatului, fr teama de pierdere a parametrilor de calibrare (Figura 10).

Ce este HDS (High-Definition Surveying)?Este un nou concept, o nou tehnic, care tinde s revoluioneze modalitile de determinare a poziiei spaiale a punctelor, implicit a obiectelor sau detaliilor topografice, inclusiv o reprezentare spaial a acestora ntr-un timp substanial mai scurt, n comparaie cu metodele clasice i cu o precizie ridicat. Conceptul High-Definition SurveyingTM (HDSTM) este o descriere mai exact fcut de firma Leica, a ceea ce este cunoscut frecvent ca scanare laser 3D. Leica a ales aceast nou descriere din dou motive: - n primul rnd, acest termen (definiie) indic mai precis cum difer aceast tehnologie fundamental fa de metodele topografice clasice.25


- n al doilea rnd, cu noua familie de produse HDS, pe lng faptul c Leica a adus aceast tehnologie la un nivel extrem de interesant, dar este acum o metod de msurare pe deplin dezvoltat, pentru un larg evantai de msurtori inginereti (Figura 11). Fig. 11 Familia HDS

High Density unul din avantajele tehnologiei High-Definition.Densitatea mare de puncte (definite prin coordonatele lor) difereniaz fundamental aceast tehnologie fa de metodele clasice ale msurtorilor inginereti. Apariia pe ecranul calculatorului a datelor cu mare densitate (norul de puncte), la care se adaug culoarea proprie i posibilitatea de vizualizare 3D asigur fora acestor informaii. Aceasta ofer utilizatorului o mare ncredere n precizia i caracterul complet al rezultatelor msurtorilor. Densitatea datelor digitale i calitatea ridicat conduc, printre altele, la faciliti deosebite la proiectare, reducerea riscului n construcii, economie de timp i costuri sczute prin accesul direct la date i la procesarea automat. Staiile totale (TPS - Terrestrial Positioning Systems) i tehnologia GPS (Global Positioning System) reprezint exemple a modului n care soluiile tehnologice pot mbunti fundamental modul de lucru n domeniul msurtorilor inginereti. High-Definition Surveying reprezint acum un alt avantaj major n domeniu.

Punerea la punct a tehnologiei pentru msurtori: Familia noilor produse HDSDescriind aceast tehnologie prin termenul High-Definition Surveying, firma Leica confirm c noua ei familie de produse hardware i software este total adecvat pentru msurtori inginereti, precum i pentru alte msurtori specializate, din alte domenii. Noua familie de produse HDS include scanere laser, bazate pe principiul msurrii timpului (time-of-flight) i pe principiul fazei (phase), precum i produse software pentru procesarea i utilizarea datelor rezultate n urma msurtorilor.26


Leica HDS3000 prietenos i eficient.HDS3000 poate fi numit nava amiral a familiei HDS. Pe lng faptul ca are alura unui instrument de msurare, acest sistem suport proceduri standard de msurare, cum ar fi trepiedul pentru aezarea deasupra unui punct topografic i posibilitatea msurrii nlimii aparatului.

Fig. 12Sistemul Leica HDS3000

Combinnd posibilitatea unei arii de scanare maxim (360o x 270o) cu tehnologia SmartScan, sistemul HDS3000 duce scanarea laser spre un nalt nivel de productivitate. Beneficiile eseniale se refer la reducerea semnificativ a costurilor lucrrilor de teren i de birou (Figura 12). Caracteristici tehnice principale: - aria maxim de scanare: 360o x 270o, dou ferestre (Panorama Scanner); - camer digital integrat coaxial, pentru preluarea (generarea) automat a fotografiilor obiectelor msurate; - staionarea pe puncte de coordonate cunoscute; - orientarea spre puncte de coordonate cunoscute (principiul staionrii libere de la staiile totale); - toate cablurile conectate la instrument; - tehnologia utilizat la msurarea distanelor: Time of Flight; - precizia de determinare a poziiei spaiale a punctelor: 6 mm; - domeniul de msurare cu aceast precizie: > 100 m;27


Ali membrii ai familiei HDS:Admind importana apariiei scanerelor laser care funcioneaz pe principiul fazei, Leica, n parteneriat cu Zoller&Frhlich, a adugat familiei HDS sistemul HDS4500. Rata de scanare ultra-rapid a unui astfel de sistem s-a dovedit avantajoas, de exemplu, pentru capturi rapide de imagini din interiorul unor instalaii, cldiri, tunele, etc., n exploatare, n cazul n care pentru colectarea datelor din teren nu ai la dispoziie dect un timp foarte scurt. Al treilea membru al familiei, HDS2500 are la baz conceptul scanerului Cyrax 2500, cel mai cunoscut scaner n industrie. Cyra Techologies, Inc., California (www.cyra.com) este o companie specializat n dezvoltarea, realizarea i comercializarea de sisteme HDSTM (cunoscute i sub denumirea de scanere laser 3D) i platforme software. Aceste produse sunt utilizate la realizarea de msurtori tehnice, n construcii, msurtori inginereti i topografice, pentru o mare varietate de planuri i aplicaii de modelare 2D i 3D.

Generaia de software: Cyclone 5.0Familia de produse HDS Leica este completat cu ultimele versiuni ale produselor software CycloneTM i CloudWorxTM. Acestea ofer un set complet de faciliti pentru msurtori i inginerie, pentru crearea calitii produselor livrate, specific Leica i administrarea unor seturi mari de date cu incomparabil uurin i eficien. Prin integrarea n sisteme CAD, seturile de date HDS sunt uor accesibile pentru o larg seri de profesii, inclusiv arhitectura, ingineria civil, proiectarea instalaiilor, etc. Evoluia sistemelor de scanare Laser (din domeniul msurtorilor inginereti)

Prima generaie: Primul prototip - 1993: Cyrax California, USA; A doua generaie: Rezultat n urma colaborrii cu Leica Geosystems, 1998; Dezvoltarea pachetului de programe Cyclone; A treia generaie: Definirea conceptului HDS (High Definition Surveying), 2003; O nou generaie de componente Harware; O nou dezvoltare a componentelor Sofware: Cyclone COE, CloudWorx.

28


nregistrare (Recording) Georeferenierea nregistrrilor (Registration referencing)

Modelare (Modelling) Rezultate / Export date (Results/Export)

Fig. 13 Evoluia sistemelor de scanare Laser - HDS inte de vizare standard Leica

intele de vizare sunt accesorii ideale pentru realizarea suprapunerii imaginilor preluate din staii diferite i asigurarea calitii. Ele se utilizeaz pentru georeferenierea precis a scanrii pe puncte de control cunoscute, acurateea scanrilor multiple (din mai multe puncte de staie) i pentru asigurarea calitii scanrilor individuale. intele Leica HDS pot fi scanate i msurate cu instrumente de msurare tradiionale. Ele sunt uor de plasat n spaiul virtual al oricrei suprafee i pot fi frecvent chiar n locul punctelor de referin utile. intele plate, albastre HDS permit identificarea i extracia automat de ctre componenta software Cyclone, mulumit diferenelor atent proiectate n capacitatea de reflectare ntre centrul intei i ntreaga suprafa a intei, plus robusteea toleranelor de execuie.

inte de vizare plate (pentru HDS2500 i HDS3000)intele plate sunt disponibile cu diverse sisteme de prindere, pentru plasarea pe diverse suprafee: - inte cu suprafaa din spate adeziv; - inte cu magnet inte de mrime mic pentru utilizare uoar n spaii aglomerate (cu foarte multe detalii) i plasarea pe structuri nguste. inte mari, mai avantajoase la raze mai mari de aciune sau densitate de scanare mai mic (Figura 14).

Fig. 14

inte circulare 6"

inte ptrate 3"x 3"29


inte mobile Leica Geosystems HDSNoile inte standard Leica HDS sunt astfel concepute nct se pot roti i nclina. Ele sunt prevzute cu un filet interior care permit montarea lor pe un baston sau pe un suport magnetic. Ele pot fi rotite i nclinate pentru o precis orientare spre scaner. Ele sunt disponibile n dou mrimi diferite: - inte ptrate plane, cu posibilitatea de rotaie i nclinare (Figura 15); - inte circulare plane, cu posibilitatea de rotaie i nclinare;

Fig.15inte ptrate (3"x 3") cu posibiliti de rotire i nclinare

Fig.16 Jalon (baston) cu prisme duble Jalon Leica Geosystems HDS cu inte duble Sistemul jalon cu prisme duble (pereche) conine dou prisme plate HDS i o nivel sferic (20) pentru poziionarea precis a bastonului pe punctul de control. Acesta permite o orientare rapid a scanrii pe vertical, georeferenierea rapid a amplasamentelor mici i o prism eventual la partea superioar, pentru msurarea uoar a poziiei intei (Figura 16). Procesul de msurare asistat de componenta Software Cyclone:a. Modaliti convenionale de determinare (realizare) a geometriei obiectelor (prin intermediul principiilor tahimetriei clasice) o selectarea punctelor reprezentative (caracteristice) ale obiectului; o alegerea punctelor selectate de ctre operator; o codarea informaiilor dup atributele acestora; o msurarea distanelor pn la aceste puncte (fr reflector opional); o Interpolarea liniar ntre punctele caracteristice n vederea reprezentrii n ansamblu a obiectului.30


b. Determinarea (reprezentarea) suprafeelor aparinnd unui obiect prin intermediul tehnicii Laser Scanning: o reprezentarea obiectului prin intermediul punctelor accidentale, rezultate n urma operaiunii de alegere a dimensiunilor grilei de scanare (nor de puncte); o nu este necesar parametrizarea (atribuirea de coduri) norului de puncte; o Evaluarea standard presupune urmtoarele etape: nregistrare, georefereniere, modelare, export date. c. Rezultatele imediate (primare) ale scanrii: o Informaii geometrice 3D la scara 1:1 (nor de puncte cu informaii nestructurate); o Informaii referitoare la intensitate (fr informaii privitoare la culoarea real sau textur); o Reprezentarea obiectului msurat conform grilei de puncte aleas (fr puncte caracteristice, ca de exemplu coluri sau sfrit de detaliu);

Evaluarea datelor msurate (cu programul Cyclone)nregistrarea diferitelor obiecte (ScanWorlds) utiliznd puncte de constrngere (Cloud Constraint), care pot fi puncte sau plane identice. Punctele identice pot fi: - puncte naturale; - inte de vizare amplasate n spaiul obiect (tie points). Scanare Laser a obiectelor cu minim 4 puncte de staie (ScanWorlds) i nregistrare prin intermediul punctelor vizate (tie points). Georeferenierea este posibil dac valorile coordonatelor (3D) sunt cunoscute. Urmtoarele etape ale modelrii: - analiza formei i poziiei obiectelor n spaiu, definind obiectele ca sfere, cuburi, cilindrii, plane, etc.; - opional, exportul ntr-o platform software CAD- and Design.

31


Aplicaii practice tipice ale Scanrii Laser:Documentaii n ingineria civil; Arhitectur, Arheologie, restaurarea situ-rilor istorice; Construcii de tunele; Documentaii pentru instalaii tehnice (industria petrochimic, centarale termice, centrale nucleare); o Aplicaii n realitatea virtual; o Documentaii tehnice pentru domeniul criminalisticii, accidente de circulaie, etc. (Figura 17) o o o o

Fig. 17 Exemple de aplicaii practice ale Scanrii Laser

32

Documents

Scanare Laser