Технологии лазерного сканирования Cyra Technologies
История создания и совершенствования
Рис. 1. Сканер CYRAX 2400 (на заднем плане за оператором). На укладочном ящике для сканера расположен компьютер
В 1993 г. Б. Касайра (B. Kacyra) основал компанию Cyra. Перед этим он уже был одним из соучредителей фирмы Cygna, которая в середине 1980-х годов входила в 85 лучших инженерных компаний США. Основной идеей создания Cyra Technologies была необходимость усовершенствования технологии получения чертежей и трехмерных моделей объектов химической и нефтяной промышленности (см. GIM International за октябрь 1999 г.).
При разработке новой измерительной системы было обязательным соблюдение четырех основных условий: система должна быть бесконтактной; получение данных должно быть максимально быстрым; система должна иметь достаточно мощное программное обеспечение для обработки большого количества измерений и достаточно интеллектуальной, чтобы свести ошибки к минимуму. Среди прочих условий система должна быть интегрированной, портативной, безопасной для глаз, с точностью измерений до нескольких миллиметров, а также доступной по стоимости.
Рассматривая существовавшие в то время технологии: LIDAR, фотограмметрия, традиционные методы, Б. Касайра и сотрудники его фирмы пришли к выводу, что каждая имеет свои достоинства, но ни одна не отвечает всем вышеперечисленным условиям одновременно.
Скоро выяснилось, что ни одна из САПР (AutoCAD или MicroStation) не может работать с большим количеством измерений, которые позже стали называть облаком точек. Поэтому была выбрана стратегия создания собственного программного обеспечения, в котором помимо управления и визуализации большого объема точечных данных должна быть решена задача автоматизации построения трехмерных объектов по облаку точек. После преобразования данных в трехмерную модель ее необходимо было экспортировать в существующие САПР.
В 1995 г. появился первый прототип, а в октябре 1998 г., после пяти лет плодотворной работы, была выпущена первая в мире коммерческая лазерная сканирующая система CYRAX 2400. Сканер весил около 40 кг и имел внушительные размеры. Несмотря на это, за первый год после анонса было продано 32 экземпляра, что в конце 1990-х было большим успехом!
За два первых года CYRAX 2400 и программное обеспечение CGP (в 2000 г. переименовано в Cyclone) получили 11 наград от ведущих изданий по САПР. Использование системы показало, что с ее помощью можно решать большой объем задач. При этом экономия средств была настолько значительной, что часто стоимость системы покрывалась за один проект! Скорость измерений и практически неограниченные возможности компьютерной обработки сделали систему популярной среди геодезистов и инженеров.
Рис. 2. Сканер CYRAX 2500 (HDS2500)
Второе поколение сканеров было анонсировано в конце 2000 г. и имело название CYRAX 2500. Примерно в это же время компания Cyra была преобразована в подразделение HDS концерна Leica Geosystems (Швейцария).
Новый сканер (впоследствии переименованный в HDS2500) уменьшился в весе и размерах на 40%. Это был большой шаг вперед. Но, к сожалению, другие характеристики не изменились: окно поля зрения размером 40х40 , весьма ограничивающее объем измерений с одной позиции, и скорость 1000 измерений в секунду.
Рис. 3. Сканер HDS3000
К 2002 г. у компаний-конкурентов уже были сканеры, способные вести измерения в пределах 360 вокруг своей горизонтальной оси. Сравнение скоростей работы было также не в пользу HDS2500. Сотрудничество американских инженеров и опытных разработчиками тахеометров Leica привело к созданию уникального сканера HDS3000. Его уникальность основана на сочетании технологии вращения головной части для сканирования пространства в пределах 360 с впервые использовавшейся схемой двух окон. Такая схема позволяет вести измерения в любом направлении (от максимального возможного наклона вниз до направления в зенит) без изменения положения инструмента. Из первого окна ведется съемка под углами от 45 до +32 , затем, если необходимо, сканер разворачивается на 180 и измерения продолжаются из вертикального окна в диапазоне от +22 до 90 . Измерения не надо было уравнивать, так как они выполнялись из одной точки. Много технических решений было позаимствовано у самого точного тахеометра Leica TD5005. В сканере HDS3000 впервые применена внутренняя беспроводная схема обмена данными и подвода электропитания. Данные и команды передаются от части, жестко закрепленной на трегере, в верхнюю вращающуюся часть с помощью оптической связи, а питание подводится благодаря электромагнитной индукции. Скорость измерений увеличилась до 1800 точек в секунду. Еще одно новшество касалось подключения питания. Теперь не надо было останавливать работу для замены батарей сканер имел два порта для одновременного подсоединения двух батарей, а переключение от одной к другой осуществлялось автоматически. К тому же HDS3000 устанавливался с помощью стандартного трегера на обычный штатив, предназначенный для любого другого геодезического оборудования. Сканер можно было устанавливать над точкой с известными координатами и проводить такие же измерения, как с помощью тахеометра.
По сравнению с HDS2500 выполнение аналогичных проектов с помощью HDS3000 сократило время работы приблизительно в три раза. Уменьшилось количество необходимых визирных марок. Перекрытия между сканами стали намного меньше.
Следующим шагом в развитии лазерных сканирующих систем было создание в мае 2006 г. сканера
Рис. 4. Сканер HDS ScanStation
Leica HDS ScanStation. Внешне не отличавшийся от своего предшественника HDS3000, новый сканер имел встроенный двухосевой компенсатор, что окончательно позволило работать с ним как с традиционным тахеометром. Стало возможным прокладывать стандартный тахеометрический ход, определять положение сканера с помощью обратной геодезической засечки и другими способами и даже выносить точки в натуру. Скорость измерений была доведена до 4000 точек в секунду. Помимо этих усовершенствований было решено изменить основные технические спецификации сканера в соответствии с характеристиками сканеров других производителей: в новом описании максимальная дальность измерений составила 300 м при коэффициенте отражения снимаемой поверхности до 90%; также стали указывать расстояние, надежно измеряемое при коэффициенте отражения 18% 134 м. Размер лазерного пятна указывался по двум методикам: по половине высоты и по Гауссу. Точность единичного измерения осталась прежней, но в описании теперь сообщалось, что она есть результат сложения трех типов ошибок и вычисляется как корень квадратный из суммы квадратов ошибок измерений расстояния и двух углов.
Рис. 5. Сканер ScanStation 2
Сканер ScanStation стал первым по-настоящему дружественным для геодезиста инструментом. Новые батареи обеспечивали питание сканера более 6 ч. Появилась возможность прямого обмена информацией с топовой линейкой традиционных измерительных приборов Leica System 1200.
Последним в семействе стал сканер пятого поколения ScanStation 2. При создании нового дизайна были несколько уменьшены боковые крышки прибора. Внутренне новый сканер изменился значительно. Заменена электронная система управления лазером и приемником. За счет этого сканер стал работать со скоростью 50 тыс. измерений в секунду. Наиболее быстродействующий из сканеров других производителей имеет скорость почти в пять раз меньшую!
Ускорение работы в 12 раз дало возможность выполнять даже небольшие проекты с большей эффективностью, чем обыкновенным тахеометром.
К сожалению, в рамках статьи не удалось написать о новшествах мощного компонента всех перечисленных систем программы Cyclone. С ее помощью можно управлять сканером, уравнивать измерения в единой системе и обрабатывать общее облако точек множеством методов с помощью широкого набора функций. Cyclone фактически является стандартом для программ обработки облаков точек. Программа Cyclone построена как клиент-серверное приложение, а это значит, что с ее помощью можно обрабатывать одну и ту же базу данных с нескольких рабочих станций. Но об этом в следующий раз.
М.Ю. Дружинин, ведущий специалист по измерительным комплексам «Лейка Геосистемз»
RSS
Реклама
