Описание системы сканирования Topcon IP-S2 Compact
Системы мобильного сканирования, или как их еще называют, системы мобильного картографирования совершили революцию в технологиях оперативного сбора пространственной информации в движении, и сегодня активное развитие этих технологий продолжается.
Система мобильного сканирования IP-S2 Compact явилась первой в линейке мобильных сканирующих систем Topcon, и заслуженно привлекла к себе пристальное внимание пользователей во всем мире. Законченность решения, компактность оборудования, его надежность в работе, а также плотность и точность получаемых данных – вот отличительные особенности нового продукта. Под законченностью решения подразумевается возможность выполнения всего цикла работ (собственно съемки, обработки данных, их визуализации и анализа) средствами, входящими в комплект системы IP-S2 Compact. Другими словами, система имеет все необходимые аппаратные и программные компоненты для сбора данных, их обработки и анализа.
В состав системы Topcon IP-S2 Compact входят лазерные сканеры, панорамная цифровая фотокамера высокого разрешения, ГНСС приемник, блок инерциальных измерений, блок управления системой, датчики-одометры, компьютер с программным обеспечением. Сканеры, камера, ГНСС приемник, блок инерциальных измерений и блок управления жестко смонтированы на металлической платформе, представляя собой единый аппаратный блок, устанавливаемый на крыше автомобиля. Датчики-одометры устанавливаются на задние колеса автомобиля, а в салоне автомобиля располагается только ноутбук с программным обеспечением, отвечающий за настройку параметров системы и сохранение результатов измерений. Питание системы происходит от бортовой сети автомобиля.
Лазерные сканеры
Функционально, система может поддерживать одновременную работу до 6 лазерных сканеров, но стандартная конфигурация подразумевает использование трех лазерных сканеров, два из которых расположены перпендикулярно оси движения автомобиля и отвечают за сканирование окружающей ситуации, а третий сканер ориентирован по оси движения автомобиля и отвечает за сканирование поверхности дороги. Боковые сканеры имеют угол обзора 180°, а третий сканер 90°. Сканеры обеспечивают плотность измерений до 40000 точек в секунду.
Цифровая камера
Входящая в состав системы цифровая панорамная фотокамера имеет 6 объективов – один направлен вертикально вверх, остальные пять равномерно расположены в горизонтальной плоскости. Такая конфигурация оптики позволяет получать панорамные снимки всей окружающей ситуации (включая своды мостов и тоннелей). Фотосъемка может выполняться с частотой до 15 кадров в секунду. Снимки можно использовать для окрашивания облаков точек лазерных отражений, либо отдельно просто в качестве изображений объектов. Каждый снимок имеет метку времени и координатную привязку.
ГНСС приемник
Встроенный спутниковый двухчастотный ГЛОНАСС/GPS приемник позволяет рассчитать трехмерные координаты транспортного средства на каждый момент времени. Расчет координат производится в результате постобработки данных с ГНСС приемника и базовой ГНСС станции, работающей в районе работ.
Блок инерциальных измерений
Блок инерциальных измерений (IMU) отвечает за получение данных о пространственной ориентации автомобиля во время движения. В тех ситуациях, когда отсутствуют данные спутниковых определений (при проезде туннелей, под мостами и т.п.), данные с этого датчика наряду с данными с датчиков-одометров используются для расчета координат автомобиля на каждый момент времени.
Датчик-одометр
Эти датчики устанавливается на оба задних колеса автомобиля для точного учета пройденного автомобилем расстояния. Использование датчиков на обоих колесах позволяют более точно учесть движение автомобиля на крутых виражах и в поворотах, когда правое и левое колесо проходят разный путь. В тех случаях, когда отсутствует видимость неба для спутниковых определений, данные с этих датчиков совместно с данными с блока инерциальных измерений позволяют вычислить координаты автомобиля на каждый момент времени.
Блок управления
Это специальный блок, в корпус которого также интегрирован ГНСС приемник. На блоке управления имеются разъемы для подключения всех измерительных устройств и для связи с компьютером. В процессе работы системы блок получает данные от всех подключенных датчиков, присваивает им метки точного времени посредством встроенного опорного генератора и передает эти данные в компьютер для сохранения.
Программное обеспечение
В системе Topcon IP-S2 Compact используется несколько типов программного обеспечения. В блок управления системой встроено специальное программное обеспечение, которое отвечает за настройку параметров работы системы, контроль работы всех подключенных датчиков, задание файлов работ, собственно выполнение съемки и сохранение данных измерений. Доступ к этому программному обеспечению осуществляется по специальному интерфейсу с ноутбука в салоне автомобиля. На этот же ноутбук сохраняются все данные измерений.
Обработка всех собранных данных выполняется в программном обеспечении GeoClean. В нем происходит объединение и совместная обработка данных, полученных всеми подключенными к системе датчиками – сканерами, фотокамерой, ГНСС приемником, блоком инерциальных измерений, датчиками-одометрами. Сюда же загружается файл спутниковых измерений с базовой ГНСС станции. Вся обработка выполняется в автоматическом режиме, что сильно облегчает освоение процесса работы с программой. В результате обработки данных получаются точные координаты системы на каждый момент движения автомобиля. Эти данные, в свою очередь, позволяют привести данные сканирования и фотографирования к одной системе координат и рассчитать координаты всех точек лазерных отражений. На обработку данных требуется примерно столько же времени, сколько и на их сбор в процессе движения.
По окончании обработки результаты могут быть визуализированы для просмотра траекторий движения автомобиля, просмотра облаков точек лазерных отражений и панорамных фотоснимков по отдельности или в комбинации друг с другом, выполнения различных линейных измерений объектов съемки, выделения различных элементов из облаков точек и фотографий, определения координат объектов. Полученные данные можно экспортировать в файлы форматов ASCII, LAS, BIN и т.д.
Процесс работы системы
Прежде всего, в районе работ должна быть установлена базовая ГНСС станция, данные с которой в последующем будут использоваться в совместной обработке с результатами измерений системы для расчета координат автомобиля в процессе его движения. ГНСС станция должна собирать данные с тем же интервалом, что и ГНСС приемник, входящий в состав системы IP-S2 Compact. Запуск системы в работу происходит на отрытой площадке с хорошей видимостью неба для приема спутниковых сигналов. После включения питания требуется несколько минут для настройки параметров измерений и проверки работы всех датчиков, после чего можно начинать движение. В процессе измерений собираемые данные отображаются на экране компьютера в реальном масштабе времени, что позволяет оперативно контролировать полноту собираемых данных, наличие мертвых зон и т.п. В случае необходимости можно повторно проехать по какому-либо участку для исключения пробелов в данных. Завершается процесс измерений также кратковременной остановкой на открытой площадке, после чего файл измерений закрывается и сохраняется в памяти компьютера. На этом же месте можно начать сбор данных в новый файл. Такой файл измерений называется траекторией.
В результате работы системы и обработки результатов измерений пользователь получает облака точек лазерных отражений и панорамные цифровые фотоснимки, привязанные по времени и координатам. Эти данные могут использоваться для решения широкого круга задач в различных областях применения. Ниже приведено несколько примеров использования данных мобильного лазерного сканирования.
Дорожная отрасль.
На этапе инженерных изысканий под новое строительство или реконструкцию существующих дорог система мобильного сканирования позволяет оперативно получить цифровые модели поверхности для выполнения 3D проектирования. Полученные таким образом цифровые модели проекта можно напрямую загружать в системы управления строительной техникой для осуществления строительных работ. По завершении строительства система позволяет оперативно выполнить исполнительную съемку. На этапе обслуживания регулярные съемки мобильной системой сканирования предоставляют актуальные данные для анализа текущего состояния дорожных одежд и придорожной инфраструктуры. Плотность получаемых данных обеспечивает максимальный уровень детализации, тогда как мобильность метода позволяет работать с актуальной своевременной информацией. Кроме того, используя только фотоизображения можно получить представление о качестве дорожной разметки, внешнему состоянию придорожных сооружений и т.п., причем обращаться к этим данным можно многократно по мере необходимости.
Управление территориями.
Актуальность и детальность информации представляет огромную ценность в случае принятия управленческих решений. В этом смысле просто невозможно найти альтернативу методу мобильного лазерного сканирования, позволяющего оперативно провести инвентаризацию всей имеющейся инженерной инфраструктуры, текущего состояния подведомственных территорий, фасадов домов, зеленых насаждений и т.п. В настоящее время для оперативного принятия управленческих решений все более широкое развитие получают специальные программные продукты на основе 3D моделей. В этих случаях сложно переоценить преимущества технологии мобильного лазерного сканирования для оперативного обновления пространственной информации об объектах зоны ответственности.
Топографические съемки, ГИС.
Система мобильного лазерного сканирования может кардинальным образом повысить производительность выполнения топографических съемок, как для составления картографических материалов, так и для создания/обновления геоподосновы для географических информационных систем (ГИС). Традиционные методы геодезических измерений (электронные тахеометры, ГНСС приемники) не обеспечивают такой скорости и детальности сбора данных, как система мобильного сканирования. Собственно измерения выполняются в десятки раз быстрее гораздо меньшим персоналом, что резко сокращает трудозатраты на полевые работы. Данные, полученные мобильной системой, можно впоследствии использовать в офисе для выполнения «виртуальной съемки» - выделения и оцифровки различных точечных, линейных и площадных объектов, попавших в зону работы системы. С одними и теми же данными может одновременно работать несколько человек, решая различные задачи и повышая, таким образом, скорость получения конечного результата. Преимущество детальности данных мобильного сканирования невозможно переоценить – отпадает необходимость повторного выхода в поле в случае, если полевая бригада забыла что-то померить, или если вдруг потребовались новые измерения, не выполненные ранее. Вся имеющаяся окружающая ситуация уже присутствует в данных мобильного сканирования в цифровом виде, и к ней можно многократно обращаться по мере необходимости.
