Laserové skenovací systémy v Hornu

Na pozvání prezidenta Dr. Johannese Riegla navštívila skupina pracovníků fakulty stavební ČVUT v Praze a Metrostavu a.s. divize 5 rakouskou společnost RIEGL Laser Measurement Systems GmbH v Hornu. Firma RIEGL LMS patří k menším společnostem s téměř 25-ti letou tradicí vývoje a výroby optických a laserových systémů. S některými laserovými skenovacími systémy RIEGL jsme měli možnost se seznámit v dřívějších letech, např. na mezinárodní konferenci »Optická 3D měřící technika« ve Vídni [1].

Úvodem nám byla představena firma o cca 50 zaměstnancích, jež má své pobočky v Japonsku, USA a ve Švédsku. Historický přehled firemní produkce je velmi široký, sahající od dalekohledů, laserů až po laserové skenovací systémy. Ze současné produkce firma nabízí přenosné laserové dálkoměry FG 21, totální stanice s pasivním odrazem RTS 21-HA, laserové měřiče rychlosti vozidel FG 21-P, různé senzory pro určení vzdálenosti vodorovné roviny a rychlosti a přístroje s vláknovou optikou spojené s optickou hlavicí [1]. Zajímavý byl 2D laserový zrcadlový skener LMS-Q140i. Nás nejvíce zaujal laserový profilový měřící systém LPM-VHS a LPM-2K a sada 3D zobrazovacích skenerů (3D Imaging Senzor) LMS Z210, LMS Z360 a LMS Z420 [2].

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 [3], jeho maximální dosah je 350 m s přesností 25 mm. Svazek je rozmítán hranolem rotujícím s měnitelnou rychlostí. Rozsah skenování je 330° × 80°. Doba skenování je mezi 10 až 240 sekundami. Rychlost měření je 10 000 měření za sekundu.

Získané údaje jsou zpracovány programem RIEGL SCAN a na monitoru počítače jsou vizualizovány programe 3D-RiSCAN. Na obr. 3 je terč pro orientaci s vysoce odrazivým povrchem. Cena základního uspořádání je 63 116 EUR.

Laserový skener LMS Z360 má maximální dosah 200 m v bezpečnostní třídě 1 a jeho přesnost je ±6 až ±12 mm. Rozsah skenování je 360° × 90°. Ovládání přístroje probíhá ve standardním PC nebo notebooku. Ovládací software je stejný jako u LMS Z210. Cena základního uspořádání je 74 850 EUR.

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°. Ovládání přístroje probíhá ve standardním PC nebo notebooku. Cena základního uspořádání je 98 500 EUR.

Laserový profilový měřící systém LPM-25HA pro 3D měření, kontrolu a modelování má měřící dosah 80 m s přesností ±8 mm. Bez použití odrazného hranolu určuje vzdálenost pomocí krátkých laserových pulsů. Vlnová délka laseru je v infračerveném spektru a bezpečnostní třída je 1. Rozsah skenování je 360° × 300°, rychlost skenování je 36°/sec. Přístroj pracuje s PC nebo s notebookem pomocí programu RiSCAN. Přístroj slouží k proměřování interiérů budov a hal a pro automatické profilové měření kaveren a důlních děl. Cena základního uspořádání je 43 240 EUR.

Hlavní ovládací software pro všechny výše uvedené přístroje je 3D RiSCAN. Software 3D RiSCAN umožňuje shromažďování naměřených údajů, jejich vizualizaci, zpracování a archivaci. Pracuje v operačním systému Windows NT4.0, 2000 a 95/98.

V předváděcí místnosti bylo předvedeno modelové zpracování výsledků měření náměstí v Modlingu (Rakousko) laserovým skenerem LMS Z210. Celé náměstí bylo zaměřeno z 11 stanovisek jedním pracovníkem během jednoho odpoledne. Před samotným měřením bylo nutné rozvrhnout umístění stanovisek a orientačních bodů, které se zaměřily klasickým geodetickým postupem pomocí totální stanice. Po těchto přípravných pracech došlo k zaměření celého náměstí, což trvalo přibližně dvě hodiny. Všechny tyto práce probíhaly bez omezení provozu na náměstí. Dále již následovalo zpracování naměřených dat v kanceláři.

Hlavní část kancelářské práce spočívá ve vytvoření 3D modelu náměstí. Tento model byl vytvořen sloučením všech vyhotovených skenů do jednoho souboru. Zde je vhodné upozornit, že ve výsledném modelu existují místa, která byla naskenována z několika stanovisek. Vzhledem k tomu byla hustota podrobných bodů na těchto místech zbytečně vysoká. Program 3D RiSCAN má proto v sobě zabudovanou funkci, která umožňuje zredukovat počet naměřených bodů podle zvoleného rozestupu mezi body a tím výrazně snížit velikost výsledného 3D modelu.

Takto vytvořený 3D model lze dále zpracovávat například ve zvlášť pro tyto účely vyvinutých programech nebo CAD systémech.

3D laserové skenování je založeno na principu měření tranzitního času průchodu laserového svazku od přístroje k objektu a zpět. Laserový skener snímá v určitém zorném poli tzv. mračno bodů.

Systém slouží k pořizování prostorových informací pro projektování, zaměření skutečného stavu objektu, výpočet kubatur, zaměření těžko přístupných a nebezpečných míst a získání podkladů pro 3D simulaci.

Použití laserových systémů

Použití laserových skenovacích systémů je velmi široké. Odkazujeme na naše dřívější publikace [1], [4]. Panoramatický záběr je vykreslen v pseudobarvách, kde červená přísluší nejbližším a fialová nejvzdálenějším bodům měřených objektů. Programem lze např. vyhotovit vrstevnicové řezy, vyrovnat zkreslení obrazu, vytvořit tzv. drátový model objektu nebo přirozeně barevný obraz. Použití měřících zařízení se předpokládá v exteriérech a v uzavřených prostorách různého původu. Jsou určeny pro 3D zobrazení, pro topografické mapování povrchu v kamenolomech, dolech a v tunelech. Široké je jejich využití ve stavebnictví, architektuře, archeologii a hornictví (při výstavbě tunelů).

Na obr. 5 je uveden příklad on-line vizualizace provedené programem 3D-RiSCAN, založeném na jednom skenu náměstí v Dolním Rakousku. Rozsah skenování byl 80° × 286°. Počet měřených bodů byl 1 110 000. Doba skenování 2 min a 40 s. Za účelem zlepšení rekognoskace objektu byla oblast skenována ve skutečných barvách, barvách udávajících informaci o intenzitě odrazu a v barvách informujících o vzdálenosti objektu od přístroje [5].

Na obr. 6 je příklad uplatnění 3D laserového skenovacího systému ve speleologii v ledové jeskyni v Dachstein. Naměřené údaje byly zpracovány softwarem 3D-RiSCAN. Celé laserové skenování bylo provedeno 4 pracovníky během 6 hodin z 5 různých stanovisek. Bylo naměřeno 23 milionů bodů. Na obrázku je perspektivní pohled na model generovaný systémem Polyworks [5].

Na závěr pracovní návštěvy se uskutečnila vzájemná výměna publikací a firemní literatury. Velmi podnětná návštěva byla ukončena na renezančním zámku Rosenburg (obr. 7) v okolí Hornu.

Literatura:

[1] KAŠPAR,M.: Výstava na mezinárodní konferenci »Optická 3-D měřící technika« ve Vídni, Stavebnictví a interiér 9, 2001, č. 12, s. 58-59
[2] Firemní literatura RIEGL Laser Measurement Systems GmbH a www.riegl.com
[3] KAŠPAR, M.-VOŠTOVÁ, V.: Lasery ve stavebnictví a navigaci strojů. ČKAIT Praha, 2001, 148 str., ISBN 80-86364-61-5
[4] KAŠPAR, M.-ŠTRONER, M.: Některé aplikace laserových skenovacích systémů. Stavebnictví a interiér 10, 2002, č. 4, s. 44-45
[5] ULLRICH,A.-REICHERT,R.-SCHWARZ, R. -RIEGL,J.: Time-of-flight-based 3D imaging sensor with true-color channel for automated texturing In: Proc.of 5th Conference on Optical 3D Measurement. Vienna 1.-4. October 2001

Cesta se uskutečnila s podporou výzkumného záměru MŠMT ČR č. J04/98:210000022.