Początki ery skanowania
Technologie laserowe narodziły się w drugiej połowie ubiegłego stulecia i szybko stały się domeną XX wieku, pozostając popularne do dnia dzisiejszego. Naziemny skaning laserowy posiada ogromną liczbę praktycznych zastosowań. Skaning laserowy jest bardzo dynamicznie rozwijającą się techniką pomiarową.
Historia skaningu laserowego 3D
Urządzeniem, które dało początek wykorzystania technik laserowych w pomiarach odległości był dalmierz laserowy. Jego zadaniem był pomiar określający przesunięcie fazowe fali wyemitowanej w stosunku do fali odbitej. Kolejnym urządzeniem jest tachimetr elektroniczny. Oprócz pomiaru odległości wykonywał pomiar kąta poziomego i pionowego. Tachimetr znalazł zastosowanie w pomiarach o dużej ilości punktów terenowych czyli tzw. „pomiarów masowych”.
W połowie lat 90-tych XX wieku powstały skanery laserowe. Skaning laserowy stał się idealnym narzędziem jako odpowiedź na zapotrzebowanie do szybkiej inwentaryzacji skomplikowanych kształtów wszelkiego rodzaju obiektów. Szeroki zasięg i nieinwazyjność skanerów laserowych pozwala na wykonanie inwentaryzacji, gdzie przy użyciu standardowych narzędzi pomiarowych takich jak dalmierze laserowe czy tachimetry elektroniczne jest to niewykonalne.
W 1993 powstał system LIDAR (LIght Detection And Ranking), który był wykorzystywany głównie na statkach powietrznych do skaningu lotniczego (ALS – Airborne Laser Scanning). Jednak to w 1998 r. doszło do przełomu, kiedy firma Zoller+Frӧhlich stworzyła i przedstawiła pierwsze na świecie urządzenie do naziemnego skaningu laserowego (TLS – Terrestrial Laser Scanning). TLS jest technologią bardzo młodą – na świecie pierwsze wyniki opublikowano około 10 lat temu.
W Polsce skaning wykorzystywany jest w architekturze (m.in. do inwentaryzacji obiektów zabytkowych), inżynierii budowlanej, geodezji, górnictwie, energetyce, drogownictwie i kolejnictwie a także w kryminalistyce. Zastosowanie skaningu laserowego zostało docenione w naukach przyrodniczych przez leśników i geologów.
Na czym polega skaning laserowy?
Skaning laserowy to technika pozyskiwania obrazowych danych geoprzestrzennnych z wykorzystaniem światła lasera. System LIDAR to technika pomiarowa, wykorzystująca impulsy światła laserowego do uzyskiwania informacji o powierzchni, w kierunku której są wysyłane, na podstawie czasu powrotu światła od niej odbitego. Na jego podstawie wyznaczana jest odległość, która dzieli skaner i skanowany obiekt. W ten sposób powstaje chmura punktów przetwarzana w specjalnym oprogramowaniu w cyfrowy model.
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.
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). Warto dodać, że pomiary odległości wykonywane metodą skaningu laserowego osiągają dokładność 1-3 mm, a maksymalny zasięg pomiaru sięga od około 20 metrów do ponad 1300 metrów w skanerach pulsacyjnych.
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.
Rodzaje skaningu laserowego
W systemie LIDAR stworzono klasyfikacje systemów pomiarowych ze względu na położenie urządzenia dokonującego pomiaru i utworzenie przestrzennej chmury punktów:
skaner bliskiego zasięgu – wykorzystywane w inżnierii wstecznej
skaner naziemny (ang. Terrestrial Laser Scanner, TLS) – umieszczony na statywie geodezyjnym, służy do bardzo dokładnych pomiarów na niewielkich obszarowo obiektach: obiekty budowlane, inżynieryjne, wykopy, nasypy,
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.).
Zastosowanie skanera 3D
Pomiary z zastosowaniem skaningu laserowego znalazły bardzo szerokie zastosowanie. Na szczególną uwagę zasługuje wykorzystanie technologii skaningu laserowego w geodezji i w budownictwie w szczególności do:
► Inwentaryzacji obiektów przemysłowych i infrastruktury technicznej,
► Inwentaryzacji zabytków,
► Inwentaryzacji powykonawcza,
► Kontroli odchyłek pionowych i poziomych,
► Monitoringu obiektów podziemnych, np. chodników kopalnianych, jaskiń i innych wyrobisk podziemnych,
► Pomiaru rzeźby terenu i mas ziemnych, hałd wysypisk,
► Kontroli produktów, np. prefabrykatów,
► Inspekcji, budowy i przebudowy obiektów inżynierskich, a w szczególności dróg, linii kolejowych, wiaduktów, mostów, estakad,
► Monitoringu robót budowlanych,
► Inwentaryzacji drzewostanów w zakresie określenia ich zasobności i zdrowotności,
► Inwentaryzacji upraw rolnych.
W obecnych czasach ciężko wyobrazić sobie pomiar rzeźby terenu bez zastosowania skanera laserowego. 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.