Skanowanie laserowe

Rodzaje skanowania laserowego

Skaning laserowy możemy podzielić na cztery podstawowe rodzaje:

• naziemny skaning laserowy (TLS – Terrestial Laser Scanning) – najczęściej wykorzystywany przy pomiarach konkretnych budynków, obiektów inżynierskich, czy też niewielkich obiektów kubaturowych,
• mobilny skaning laserowy (MLS – Mobile Laser Scanning) – najczęściej wykorzystywany do pomiaru obiektów liniowych takich jak drogi, linie kolejowe, nadbrzeża,
• bezzałogowy skaning laserowy (ULS – Unmanned Laser Scanning) – najczęściej wykorzystywany do pomiarów średnich powierzchni (do kilkudziesięciu kilometrów kwadratowych),
• lotniczy skaning laserowy (ALS – Airborne Laser Scanning) – najczęściej wykorzystywany do pomiarów wielkopowierzchniowych.

Czym jest technologia LiDAR?

Technologia LiDAR, której akronim wywodzi się od angielskiego zwrotu „Light Detection and Ranging”, to metoda pomiarowa wykorzystująca światło lasera. Z jej pomocą jesteśmy w stanie tworzyć modele 3D różnorodnych obiektów – zarówno budynków, jak i infrastruktury, a nawet środowiska naturalnego. Początkowo LiDAR wykorzystywano był jedynie w ramach lotniczego oraz naziemnego skanowania laserowego, jednak z czasem znalazł zastosowanie również w skaningu mobilnym.

LiDAR można różnicować nie tylko ze względu na pułap pozyskiwania danych, lecz także sposób pracy skanera. Lotnicze skanery laserowe różnicować można choćby ze względu na rodzaj wykorzystywanego lustra, a co za tym idzie sposób pozyskiwania danych (dystrybucję punktów w przestrzeni). Różny może też być rodzaj wykorzystanego lasera. Skanery działające w zakresie światła czerwonego doskonale sprawdzają się w zadaniach związanych z pomiarami topograficznymi. Z kolei wyjątkową cechą skanerów działających w zakresie światła zielonego jest możliwość wykonywania pomiarów batymetrycznych.

Można mówić o dwóch zasadniczych technologiach – skanerach impulsowych oraz skanerach fazowych. Obie te technologie wykorzystywane w skanerach laserowych mają swoje mocne i słabe strony. W dużym uproszczeniu – skanery fazowe pozwalają na wykonanie precyzyjniejszych skanów na mniejszych odległościach, z kolei skanery impulsowe umożliwiają pracę na większych odległościach. Skanery impulsowe cechuje również większa elastyczność zastosowania i mniejsza zależność od warunków zewnętrznych.

Chmury punktów – czym są?

To co łączy każdą z metod skanowania laserowego, to efekt końcowy, czyli tak zwana chmura punktów. Chmura punktów, to zapis wyników pomiarów w postach współrzędnych XYZ każdego punktu, od którego odbiła się wiązka lasera.

W przypadku skanowania naziemnego chmura punktów pozyskiwana jest centrycznie – od miejsca umiejscowienia skanera, czyli stanowiska pomiarowego. W przypadku skanowania mobilnego lub lotniczego chmura punktów pozyskiwana jest wzdłuż trajektorii poruszania się skanera. Sposób pozyskiwania danych wpływa na dystrybucję punktów w przestrzeni. Wykorzystanie skanera naziemnego umożliwia pozyskanie równomiernej chmury punktów, z kolei zastosowanie skanera wykonującego pomiar w ruchu wymusza na użytkowniku dobranie i utrzymanie odpowiedniej prędkości, żeby przestrzeń dookoła skanera była równomiernie pokryta punktami.

Niezależnie od metody pomiarowej w chmurze punktów mogą występować tak zwane „martwe pola”. Są to miejsca, do których nie dotarł impuls laserowy w czasie pomiaru. W przypadku pomiarów mobilnych mogą to być np. fragmenty chodnika znajdujące się za zaparkowanymi samochodami. Choć wykorzystywane przez nas systemy pomiarowe nie pozwalają całkowicie wyeliminować takich miejsc, to znacząco redukują ich występowanie. Dzięki czemu nasze chmury punktów zawsze możliwie najwierniej reprezentują rzeczywistość.

Technologia LiDAR umożliwia obrazowanie gruntu nawet pomimo porastającej go roślinności. Właściwość ta szczególnie cenna jest w przypadku skanerów lotniczych, niemniej wymierne korzyści przynosi również w rozwiązaniach mobilnych i naziemnych. Możliwe jest to dzięki rejestrowaniu przez skaner kilku lub nawet kilkunastu odbić impulsu laserowego. Dzieje się tak w wyniku zastosowania odpowiedniej wielkości plamki lasera umożliwiającej dotarcie nawet niewielkiej jej części do poziomu gruntu. Odpowiednia średnica plamki lasera pozwala na częściowe odbicie np. od gałęzi czy linii energetycznej i dalszą wędrówkę ku następnym obiektom. Warto w tym miejscu zaznaczyć, że impuls laserowy nie przenika przez żaden obiekt.

Podczas skanowania laserowego pozyskiwanych jest znacznie więcej informacji niż wyłącznie geometria obiektu. Wykorzystanie odpowiednich formatów danych umożliwia zapisanie większości informacji zebranych w czasie pomiarów oraz w czasie przetwarzania danych pomiarowych. Są to między innymi intensywność odbicia wiązki od obiektu, reflektancja odbicia, klasa do jakiej jest przypisany dany punkt, czy wreszcie wartości RGB każdego z punktów.

Zalety skanowania laserowego:

Do największych zalet skanowania laserowego należy zaliczyć:

• dokładność – zestaw danych, które uzyskujemy, wyróżnia się bardzo dużą dokładnością – nawet do 1-2 mm – co jest niezwykle ważne przy tego typu pomiarach,
• pewność – zastosowanie technologii skanowania laserowego ogranicza do minimum ryzyko błędów – dzieje się tak, ponieważ cały proces przetwarzania chmury punktów i analizy danych LiDAR przenosimy z terenu do biura; w razie potrzeby możemy wielokrotnie wracać do zebranych danych,
• szybkość – dzięki skanerowi laserowemu jesteśmy w stanie stosunkowo szybko zmierzyć powierzchnię, czy kubaturę skanowanych obiektów,
• uniwersalność – technologia skanowania laserowego jest skalowalna i może być dostosowana do różnych zastosowań. Istnieje szeroka gama skanerów laserowych o różnych rozdzielczościach, zasięgach i innych parametrach, co pozwala na elastyczność i dostosowanie do konkretnych wymagań projektu,
• bezpieczeństwo – pomiary odbywają się bez kontaktu fizycznego ze skanowanym obiektem, co pozwala na bezpieczne i nieinwazyjne zbieranie danych z odległości – szczególnie przydaje się to w przypadku skanowania delikatnych lub trudno dostępnych obiektów,
• oszczędność – pomiary z wykorzystaniem chmury punktów generują oszczędności czasu, pieniędzy i materiałów.

Te zalety czynią skanowanie laserowe niezwykle przydatnym narzędziem w wielu dziedzinach, takich jak kartografia, inżynieria, badania środowiskowe, przemysł filmowy i wiele innych.