3D laserové skenovací systémy

  Laserové skenovací systémy umožňují bezkontaktní prostorové zaměřování, 3D modelování a vizualizaci složitých staveb a konstrukcí, interiérů, podzemních prostor, libovolných terénů atp. s mimořádnou rychlostí, přesností, komplexností a bezpečností. Vizuální 3D model nasnímaného objektu je pomocí softwaru zobrazen ve tvaru tzv. mračna bodů (point clouds) a lze jej přenést do CAD systémů ve 2D nebo 3D, nejběžněji do formátů DGN (Microstation) nebo DWG, DXF (AutoCAD).
   Systémy kombinují nejmodernější pulsní laserovou technologii, která detekuje přirozený povrch na určitou vzdálenost, s optikou, která umožňuje až 1000 000 měření v několika minutách.

1. Laserové skenovací systémy
Laserových skenovacích systémů je celá řada. Zmíníme se především o systém Cyrax2500 firmy CYRA Technologies, Inc, který u nás nabízí firma LEICA Geosystems AG a využívá jej firma Gefos a firma Stavební geologie-Geotechnika a.s. Systém se skládá ze dvou základních komponentů: z vlastního skeneru, jehož velikost odpovídá velkému monitoru počítače s hmotností 20 kg a z ovládacího CAD systému Cyclone 3.2. 3D skenovací systém Cyrax je založen na použití pulsního laseru zelené barvy (bezpečnostní třída 2). Střední chyba v prostorové poloze je 6 mm, pokud je zaměřovaný bod vzdálen od přístroje v rozmezí 1 – 50 m. Zorné pole skeneru je maximálně 40o×40o. Hustota bodů může být až 0,25 mm pro vzdálenost 50 m od přístroje. Rychlost měření je až 1000 bodů za sekundu. V levé dolní části skeneru je umístěna digitální kamera sloužící ke snímání náhledů a určování zorného pole skenování. Skener je ovládán programem Cyclon 3.2 umístěným v notebooku, který je ke skeneru připojen. Do příslušenství patří speciální stativ, zdroj, kabely, polokulovité a ploché terče pro orientaci jednoho a více skenů do souřadnicového systému.
   Firma Trimble ve spojení s firmou CALLIDUS Precision Systems GmbH nabízí laserový skener Callidus3D verze 1.1, který se stává součástí »Trimble Toolbox of Integrated Surveying«. Dosah laserového svazku v infračervené oblasti (vlnová délka 905 nm, bezpečnostní třída 1) je sice až 150 m, ale praktický dosah je 32 m s přesností lepší než 5 mm. Měření probíhá v rozsahu 360⁰×180⁰. Během měřícího procesu se Callidus otáčí kolem vlastní osy. Výsledky jsou zpracovávány v programu 3D Extraktor a mohou být transformovány do CAD systémů. Bližší informace včetně aplikací jsou uvedeny v. Firma RIEGL Laser Measurement Systems GmbH má ve svém výrobním programu mimo jiné profilový měřící systém LPM-25HA/2K a řadu zobrazovacích laserových skenerů LMS Z210, LMS Z360 a LMS Z420. Systém LPM-25HA má měřící dosah 80 m s přesností ± 8 mm. Bez použití odrazného hranolu určuje vzdálenosti pomocí krátkých laserových pulsů. Vlnová délka je v infračerveném spektru a bezpečnostní třída je 1. Rozsah skenování je 360⁰×300⁰, rychlost skenování je 36o/s. Přístroj pracuje s PC nebo s notebookem pomocí programu RiSCAN.
   Základní skener LMS Z210 je přenosné zařízení umísťované na stativ určené k snímání 3D obrazu. Základem je laserový dálkoměr RIEGL LD 90-3 s vlnovou délkou blízkou infračervenému záření v bezpečnostní třídě 1 , jeho maximální dosah je 350 m resp. 700 m s přesností 25 mm resp. 50 mm. Svazek je rozmítán hranolem rotujícím s měnitelnou rychlostí. Rozsah skenování je 360°×90°. Doba skenování je mezi 10 až 240 sekundami. Rychlost měření je 10 000 měření za sekundu.
   Laserový skener LMS Z360 má maximální dosah 200 m v bezpečnostní třídě 1 a jeho přesnost je 12 mm. Rozsah skenování je 360°×90°. Ovládání přístroje probíhá ve standardním PC nebo notebooku.
   Laserový skener LMS Z420 byl vyvinut pro vysokou přesnost a velký dosah. Laser pro dosah do 250 m je ve třídě bezpečnosti 1, laser pro dosah do 1000 m je ve třídě bezpečnosti 3A. Přesnost měření je ±10 mm/ ±20 mm. Rozsah skenování je 360°×80°.
   Získané údaje z výše uvedených skenerů třídy LMS jsou zpracovány programem RIEGL SCAN a na monitoru počítače jsou vizualizovány programem 3D-RiSCAN. Použití laserových skenovacích systémů je velmi široké. Panoramatický záběr je vykreslen v pseudobarvách, kde červená přísluší nejbližším a fialová nejvzdálenějším bodům měřených objektů.
   Firma MENSI nabízí 3D laserový systém Mensi GS100 s měřícím dosahem 2 až 100 m. Rychlost skenování je 1000 bodů za sekundu. Přesnost měření je 3 – 6 mm pro uvedené vzdálenosti. Rozsah skenování je 360⁰×60⁰ a přístroj pracuje v bezpečnostní třídě 2. Skener zachytí nepřerušený panoramatický obraz objektu od rozměru 2×2×2 m až do 200×200×60m v interiéru i v exteriéru v 3D souřadnicích. Software Mensi 3D se nazývá 3Dipsos. Dále firma nabízí 3D laserový skenovací systém S10/S25, který vykazuje vyšší přesnost. Rozsah skenování je 46⁰×320⁰, dosah 0,8 - 10 m pro typ S10, 2 až 25 m pro typ S25. Přesnost je 0,21 až 0,6 mm. Rychlost skenování je od 100 bodů/sekundu. Kontinuální laser je zařazen do bezpečnostní třídy 3B. Je určen pro stavební, zemědělské a další průmyslové použití. Série označená S je určena pro měření v atomových elektrárnách a dolech s výbušnými plyny.
   Firma ZOLLER+FROHLICH vyrábí přenosný laserový skener Imager 5003. Dosah přístroje je 25 – 53 m s přesností 3 až 5 mm. Rychlost skenování je 625 000 bodů/sec. Rozsah skenování je 360⁰×270⁰. Laser pracuje v infračervené oblasti. Hmotnost přístroje je 13 kg.
   Kanadská firma OPTOTECH Laser Imaging Division vyvinula laserový skener ILRIS-3D. Je to kompletní zobrazovací a digitalizační systém, který zaznamenává přímý digitální 3D model objektu. Během 10 - 15 minut zachytí 1,2 až 1,8 miliónu bodů. Protože laser je tvořen aktivním senzorem ILRIS-3D, tak může pracovat v úplné tmě nebo na přímém slunečním záření. Zařízení je přenosné o hmotnosti 12 kg a rozměrech 30×30×20 cm. Z hlediska bezpečnosti je zařazen do bezpečnostní třídy 1 v infračervené oblasti spektra. Jeho dosah je 3 – 350 m s přesností 10 mm. Rozsah skenování je 40⁰×40⁰, rychlost skenování je 2000 bodů za sekundu.

2. Některé možné aplikace laserového skenovacího systému:
• Zaměřování složitých technických celků a konstrukcí (např. průmyslové podniky s velkým množstvím potrubních systémů, ocelárny, chemické a petrochemické provozy, elektrárny).
• Zaměřování reálného stavu budov nebo mostů, podjezdů, propustků a dalších objektů (včetně historických) měřených pro rekonstrukce.
• Mobiliář železničních tratí.
• Topografické mapování tunelů, lomů, strmých svahů a skalních stěn, mapování v dolech a jeskyních.
• Dokumentace průběhu stavby a monitorování její kvality např. montáže konstrukcí.
• Topografické mapování pro rozšiřování silnic a dálnic, parkovišť, překladních míst atp.
• Zaměřování skutečného stavu tunelů před rekonstrukcí.
• Monitoring při výstavbě tunelů.
• Celá oblast architektury, např. složité fasády a interiéry, dokumentace památek, 3D archeologie, filmový průmysl.
   Uvedené laserové skenovací systémy umožňují přesné a kompletní zaměření stávajícího stavu s výrazně vyšší produktivitou a finanční úsporností. Významně zkracují práce v terénu při podstatně vyšší bezpečnosti. Redukují doby odstávky provozu, popř. dovolují měření za úplného provozu. Poskytují vysokou spolehlivost výsledků, eliminují chybné a nepřesné měření, získávají úplnější informace, které podstatně snižují potřebu dalšího doměřování. Tyto moderní systémy poskytují snadné a rychlé 3D modelování vizualizaci a generování 2D výkresů (půdorysy, řezy atp.) a velmi rychlé zpracování digitálních modelů terénu. Přináší časové i finanční úspory při projektování, snadné dodatečné změny a doplňování projektů. Náklady na vlastní měřící zařízení včetně příslušenství a softwaru se v krátké době navracejí.
   Článek vznikl v rámci výzkumného záměru MŠMT ČR č. J04-098:210000022.