PolyWorks представляет собой многофункциональное программное обеспечение, идеально подходящее для обработки данных лазерного сканирования

А.И. Шумаков (НПК "Йена Инструмент")

В технологии лазерного сканирования, как и в традиционной геодезии, выделяются полевые и камеральные работы. Если с первыми все более-менее понятно, то при обработке данных даже у специалистов зачастую возникают вопросы, связанные с выбором программного обеспечения (ПО), вида конечного продукта, способа передачи (экспорта) результатов в системы автоматизированного проектирования (CAD) для предоставления потребителям.

Сотрудники компании «Йена Инструмент» с использованием лазерных сканеров Faro LS (FARO Technologies, Inc.) и ILRIS (Optech, Inc., Канада) ведут съемку для мониторинга оползневых процессов, исследования деформации зданий и сооружений, измерения геометрических и физических параметров индустриальных объектов. Обработка результатов сканирования осуществляется в программном комплексе PolyWorks (InnovMetric Software, Inc., Канада).

PolyWorks предназначен для визуализации облаков точек, их уравнивания («сшивка» отдельных сканов в единое облако с оценкой точности результата), анализа и трансформирования данных в заданную систему координат, построения 3D-моделей объектов, экспорта результатов в ПО заказчика.

PolyWorks состоит из нескольких модулей, находящихся под руководством оболочки Module Access Center, и имеет широкий набор инструментальных средств, обеспечивающих эффективную и быструю работу с большими объемами данных. Важно отметить, что в качестве исходных могут использоваться данные, полученные с помощью трехмернх сканеров всех известных марок.

Ниже кратко рассмотрены модули, входящие в комплекс PolyWorks, и их применение для обработки и анализа данных лазерного сканирования.

Для формирования наиболее полного представления об объекте, будь то земная поверхность, архитектурное или технологическое сооружение, проводят несколько сеансов съемки при разном положении лазерной сканирующей системы. Полученный набор данных для последующего анализа и постобработки необходимо объединить в цельное изображение, для чего и предназначен модуль IMAlign.

Переход от объединенного облака точек к триангуляционной модели осуществляется во вспомогательном модуле IMMerge. Загруженные в модуль точки автоматически соединяются, образуя сетку треугольников, которая в свою очередь может быть использована для построения 3-мерной модели. С помощью IMMerge можно определить параметры, ответственные за качество и точность модели. В отличие от облака точек триангуляционная модель содержит поверхности, описывающие геометрические характеристики объекта, она может быть подвергнута анализу и редактированию в других модулях программы.

Рис. 1. Пример построения сечений

Модуль IMEdit предназначен для работы с TIN-поверхностями, созданными в комплексе PolyWorks или импортированными из других программ. Функции сглаживания и заполнения пропусков, реализуемые как в автоматическом, так и ручном режимах, позволяют сформировать полигональную модель, наиболее достоверно отображающую геометрию объекта. В модуле имеются инструменты для создания сечений, как произвольных, так и по заданному направлению с заданным шагом (рис. 1).

Сечения могут быть экспортированы в системы автоматизированного проектирования и использованы для получения линейных размеров и составления чертежей.

Рис. 2. Кривые, построенные по сечениям и образующие NURBS-поверхность

В модуле реализованы различные механизмы создания кривых и инструменты их редактирования, а также функции создания и редактирования NURBS-поверхностей, строящихся по кривым (рис. 2). Кривые могут создаваться вручную по указанным точкам, как пересечение некоторой плоскости с моделью, по сечениям, формироваться автоматически в виде сетки, отстоящей от модели на заданном расстоянии и повторяющей ее с заданной точностью.

Рис. 3. NURBS- поверхность

Поверхность NURBS описывается сплайнами Безье и является твердотельной моделью объекта (рис. 3), которая может быть экспортирована в различные конструкторские программы для анализа или редактирования (изменение геометрической формы, задание физических свойств материала для расчета центра масс, анализ поведения при различных нагрузках и др.).

В модуле также предусмотрены функции для снятия линейных и угловых размеров, определения объемов и площадей поверхностей. Модели, полученные в IMEdit, могут быть экспортированы в другие модули программы или в различные конструкторские системы и CAD.

Модуль IMInspect является основным модулем анализа и включает в себя инструменты, позволяющие:
вписывать геометрические примитивы (окружность, конус, цилиндр, плоскость, точка, полилиния, сфера и вектор) в облако точек;
строить полигональные поверхности;
объединять данные и ссылочные объекты в общую уникальную систему координат;
профилировать, создавать произвольные и заданные сечения;
проводить детальное сравнение как внутри массивов данных, ссылочных объектов и примитивов, так и между ними; получать статистические и отчетные материалы;
проводить все виды измерений, контролировать положение и состояние сложных конструкций (измерение линейных и угловых размеров, площадей, объемов);
экспортировать данные и ссылочные объекты в заданные форматы.

Рассмотрим применение этого инструментария для анализа деформаций земной поверхности. Трехмерная модель позволяет решить ряд задач от вычисления объемов взрывных блоков разрабатываемых открытых карьеров до создания топографических планов и сопроводительных материалов для землеустроительной документации.

Рис. 4. Трехмерное представление результатов сравнения данных с цветовой индикацией

По результатам каждого цикла работ строится трехмерная полигональная модель объекта в заданной системе координат (модули IMAlign, IMMerge, IMEdit). Деформация поверхности объекта выявляется путем сравнения (модуль IMInspeсt) последовательно полученных цифровых моделей, для чего осуществляется их совмещение. Совмещать циклы наблюдений можно по координатам и по участкам с заведомо стабильным положением в пространстве. Поскольку при сканировании проводится сплошная съемка, данные о величине и направлении смещения не локализованы в отдельных точках, а могут быть получены практически по всей поверхности. Информация представляется в виде цветной трехмерной модели, где каждый цвет соответствует определенной величине деформации (рис. 4).

При наведении указателя «мыши» на любую точку модели на экран выводятся величина и направление деформации, а также координаты точки в циклах наблюдений. Затем автоматически строится диаграмма распределения значений, которая может быть трансформирована в графики, диаграммы и гистограммы различного вида в формате MS Excel.

Можно проводить сравнительный анализ как разновременных данных лазерного сканирования, так и данных сканирования и конструкторских. Модуль позволяет вписывать примитивы в модель, отслеживать отклонение конструкции от проекта.

Подводя итог, можно резюмировать, что PolyWorks представляет собой многофункциональное программное обеспечение, идеально подходящее для обработки данных лазерного сканирования с целью обратного инжиниринга, контроля геометрических параметров изделий, решения архитектурных задач, мониторинга деформаций земной поверхности и многих других.

На территории России, стран СНГ и Монголии официальным дистрибьютором ПО PolyWorks выступает ООО НПК «Йена Инструмент».