Intergeo 2013. Essen. Germany. Лазерное сканирование

    Здравствуйте, уважаемое Хабрасообщество.

    Мероприятие, о некоторых аспектах которого я хотел бы вам рассказать, можно отнести к очень широкоизвестному в узких кругах. Позволю себе несколько слов о том, что такое Intergeo.

    Это выставка достижений геодезическо-картографического хозяйства, уже более 20 лет ежегодно приводящаяся в Германии. Более крупного мероприятия, которое бы затрагивало такие области как геодезия, картография, фотограмметрия, ГИС и пространственное моделирование, в Мире попросту нет. Есть крупные семинары лидеров, но они обычно базируются вокруг одного бренда (например ESRI).

    Именно поэтому на Intergeo можно оценить актуальное развитие многих направлений, посмотреть последние разработки, найти прямые контакты с производителями. Участие же компании на этой выставке можно напрямую оценивать как позиционирование оной на Мировом рынке.
    image

    Изначально я планировал сделать пост-обзор всех направлений, представленных на выставке, но разобрав собранные на выставке материалы, понял, что для этого мне понадобится несколько недель, настолько разноплановой информацией я сейчас располагаю. Поэтому в этом посте мы поговорим только об одном, молодом и перспективном направлении, которое в последнее время набрало такие обороты, что не обратить на него внимание невозможно. Я предлагаю обсудить актуальное состояние лазерного сканирования (с небольшим уклоном в 3D-моделирование).

    Отдельно хочу обозначить, что нижеизложенные аспекты выставки интересовали меня прежде всего как инженера-геодезиста.

    Начнем с небольшого экскурса в историю, пусть и недалекую. Развитие цифровой геодезической техники, в частности лазерных дальномеров, вполне предсказуемо привело к первым попыткам сбора лазерного сканера. Первые упоминания подобных устройств относятся к середине 90-х годов. Так, например, компания Cyberware выпустила в 1991 году устройство, способное сканировать небольшие объекты, использовать эти сканеры предполагалось в медицине. Для геодезии эти устройства не подходили, но принципы уже были определены.

    Первые геодезические сканеры появились под брендом Cyrax модель 2400 в 1998 году, примерно в это же время вышел RIEGL Scanner LMS Z 210. Cyrax через три года был куплен концерном Leica, Riegl же существует на рынке по сей день как самостоятельный производитель.

    В нескольких словах опишу, что делает лазерный сканер и зачем он нужен. По сути своей, сканер, как и тахеометр, является угломерным прибором с лазерным дальномером. Отличие лишь в том, что сканер выполняет очень большое количество измерений в единицу времени, вращая плоскость измерений вокруг своей оси. Сканируя, таким образом, пространство вокруг себя.

    image
    Лазерный сканер Trimble GX перед сканируемым зданием. Взято с «Навгеком Инжиниринг»

    На выходе мы имеем «скан» — облако точек, которое характеризуется низкой дискретностью, а при определенных условиях может восприниматься как континуальное. Зачем это нужно. Если мы имеем объект сложных очертаний (например, промышленную установку, либо фасад исторического здания и т.п.), то воспроизвести его математически точных образ традиционными геодезическими средствами очень сложно. Сканером быстрее, и проще (но не всегда).

    image
    Облако точек. Взято с «Навгеком Инжиниринг»

    С самого начала лазерное сканирование конкурировало с фотограмметрической съемкой, которая позволяет делать почти то же самое, но при соблюдении достаточного количества дополнительных условий. Но она дешевле. Была во всяком случае. Пока сканирование выигрывает.

    Что обычно сканируют? Архитектуру – особенно старинные фасады, промышленные предприятия с кучей труб, переходов и т.п., объемы – танки, штепеля, внутренние помещения. В межевании и прокладке кабеля сканеры, скорее, бесполезны.

    Естественно, такая технология не прошла мимо активных игроков. Все лидеры геодезического рынка рьяно взялись за разработку (или скупку) технологий. На данный момент, только Javad не похвастал своим сканирующим решением (потому что полностью сосредоточен на GPS). Leica, Trimble, Topcon производят сканеры. Наравне с ними идут Z+F, Riegl, Faro – специализированные производители исключительно сканеров. Когда-то даже УОМЗ намеревался выпустить сканер и даже выпилил прототип из фанеры, но дальше этого как-то не сложилось. Упоминание есть на всеведующем «геодезисте». Хотя российский сканер Surphaser существует.

    На данном этапе в лазерном сканировании можно выделить следующие сегменты: наземное лазерное сканирование и мобильное лазерное сканирование.

    Что касается наземной части – то это основная ниша лазерных сканеров. Основная конкуренция ведется за технические характеристики – кто дальше, плотнее и точнее может создать облако точек. Ну и быстрее, конечно. В соревновании участвуют все. Еще как тенденция – уменьшать размеры сканера, здесь, лидер Faro, сканер которых по размерам не больше тостера.

    Последняя тенденция – встраивать в сам корпус сканера экран контроллера, с которого можно вести операции управления. Монитор маленький, но зато теперь софт управления сканером с ноутбука можно продавать отдельно (пример Leica и их Cyclone). Такие сканеры уже есть у Leica P20, Trimble TX5, TopCon. Последний, правда, представил на выставке сканер, на который пока вообще нет информации, нет модели. А попытки с помощью внутреннего контроллера создать зону сканирования были пресечены менеджером с формулировкой «эта функция есть в сканере, но пунктов меню для нее нет».

    image
    Сканер Z+F с боковым экраном контроллера.

    Рассмотрим сканер Leica P20, как наиболее типичного представителя сегмента. Дальность – 120 метров (довольно много для фазового сканера), точность 3 мм на 50 м, 6 мм на 100 м. Способен сканировать с дискретностью 0,8 мм на расстоянии 10 м, при этом время на сканирование займет около 1,5 часов. Весит 12 кг, размеры 24*35*40 см.

    image
    Сканер Leica P20. Изображение взято отсюда

    Для этих устройств есть еще один параметр, который, к сожалению, объективно оценить невозможно – это подверженность влиянию внешней среды. Никто из производителей не представляет статистику по поломкам оборудования. А в иных случаях это является главным определяющим критерием. Зачастую фирмы, активно ведущие работы по лазерному сканированию, сразу приобретают 2 сканера, понимая, что после первых проектов какой-то из них поедет в сервис. Кроме же как по сарафанному радио определить жизнеспособность той или иной модели невозможно. Leica P20, по случайным мнениям, «живуч». Производитель присвоил ему класс IP54 и температурный режим работы от -20 до +50. Еще 5 лет назад такие параметры были сказкой, и сканеры зимой облачались в чехлы с термохимическими греющими элементами.

    Сюрпризом в этом сегменте стал внешне скромный сканер Hi-Target. Он ничем не примечателен, кроме того, что это первый самостоятельный китайский сканер. Как он работает – большой вопрос. Но это первая ласточка от азиатских друзей, так что и они пробуют себя в геодезическом Hi-End’e. Что касается Low-End, то поневоле после выставки рождается впечатление, что еще только самый ленивый китаец не спаял двухсистемный геодезический GPS-приемник и не собрал цифровой тахеометр. Настала очередь сканеров.

    image
    Первый китайский сканер Hi-Target

    Мобильное лазерное сканирование это тренд последних лет. Подобные решения встречались и ранее, но, пожалуй, только эта выставка показала, что все лидеры геодезического рынка устремились в эту нишу.

    Каждый из лидеров продемонстрировал схожие системы на разных носителях. Leica, Trimble, Topcon, Riegl, Faro разместили лазерные сканеры на автомобилях. Устройства очень схожие по параметрам, поэтому обратимся к мобильному лазерному сканеру Trimble MX2, представленному на крыше Mini.

    image
    Сканер Trimble MX2 на крыше Mini

    Конечно, первое, что интересует это точность. У этого устройства заявлено 10 мм на 50 метрах. Такая точность достигается за счет установленной инерциальной системы вкупе с 2 спутниковыми антеннами, точность которых при постобработке заявлена в пределах от 2 до 5 мм. Обзорность 360 градусов. Дальнобойность 250 м, но скорее всего, на таком расстоянии точность упадет до 5 см.

    Второе, что интересует – на какой скорости можно выполнять сканирование? У Trimble напрямую такой информации нет, поэтому приходится обратиться к данным Leica с их сканером HDS7000, вмонтированным в фотосистему Pegasus: One. Скорее всего, придется ограничиться 40 км/час. По словам представителей на стенде, скорость можно выдерживать и большую (например, при съемке автострад), но тогда облако получается разреженным, и выход может быть найден в многократном прохождении сканера по трассе.

    image
    Сканер HDS700 Leica

    Наверное, стоит упомянуть стоимость этих устройств. Лазерный сканер далеко не дешевый инструмент и при покупке подобного наземного прибора стоит рассчитывать на цену, начинающуюся от 80 000 Евро. Что касается мобильного решения, то при покупке «все включено» цена вопроса возрастает примерно в 4-5 раз. Точную цену в России на новые устройства четко не скажет никто, только примерный порядок.

    Отдельно хочется отметить 2 производных решения. Первый это сканер Faro (именно тот — с тостер размером), монтированный в квадрокоптер.

    image
    Летающий сканер Faro

    Производитель позиционирует его как идеальное решение для архитектурной съемки, точностью до 10 мм. Суть в том, что предварительно тахеометром снимаются точки, определяющие контуры здания, а затем в контроллер квадрокоптера закладывается маршрут, по которому сканер делает облет. Чем это принципиально лучше наземной съемки – гарантированное покрытие мертвых зон. С земли большая проблема снять крышу и верхние элементы архитектурных деталей. На практике, зачастую, эти детали экстраполируются, и объективность отражения находится под вопросом.

    Чем это решение хуже – оно менее точное (наземный сканер может обеспечить 2-3 мм точности), а также пока незащищенное. На мой вопрос – какая у этого сканера защищенность от воды и пыли, представитель ответил скромно, что никакая. Вспоминая мой личный опыт сканирования металлургических заводов, где на свет в воздухе висит металлическая пыль, могу сказать, что пролетает это устройство, скорее всего, недолго.

    image
    Сканер Riegl для размещения на судах

    Вторым решением хочется отметить сканер Riegl VMS-250. Информации по нему пока в сети нет, но стоит ожидать, что характеристики у него схожие с другими мобильными сканерами. Эта компания пошла дальше в позиционировании сканера и предлагает его размещать не только на автомобилях, но и на железнодорожных составах (даже выполнили пилотный проект между Питером и Москвой), а также на маломерных судах. Глобальная идея состоит в том, что многие надводные конструкции: мосты, платформы, причалы – наземным сканером снять невероятно сложно (либо просто невозможно), а вот подойти на яхте со сканером – вполне обоснованное решение.

    Теоретически эти два вышеперечисленных решения могли бы конкурировать. Т.е. можно было бы выбрать – подлетать к конструкции или подплывать. Но у Faro решение пока незаконченное, в то время как Riegl уже готов поставлять эту систему в том числе и на российский рынок.

    Стоит отметить, что кроме этих двух сегментов на рынке были еще два направления сканирование – ручное модельное, т.е. устройством можно отсканировать человека и лидарное с борта вертолета (очень старое направление, начавшееся еще до наземных сканеров). По определенным причинам я не уделил им особого внимания (первое неприменимо к геодезии, второе и так вполне понятно – низкая точность и проблемы с растительностью при этом огромная стоимость и сложность организации в РФ).

    image
    Ручное сканирование человека. Презентация.

    Проблемы сканирования заключаются не только в самих лазерных сканерах, но и в обработке полученного материала. Обычно технологический процесс выглядит таким образом:

    Сканирование – Сшивка сканов – моделирование в ПО производителя сканеров – экспорт в САПР – доделка модели – получение чертежей по модели – оформление чертежей.

    На каждой из вышеперечисленных стадий применяются решения, которые далеки до идеальных. Перечислять все проблемы нет смысла, но в каждой стадии программное обеспечение доводится до ума.

    Leica Cyclone позволяет осуществлять сшивку сканов не только по сферам (для того чтобы соединить соседние сканы, на объекте развешиваются стандартизированные шары, их распознавание софтом позволяет свести облако точек), но и по элементам конструкций (например изгибы труб, концы металлоконструкций – швеллеров), присваивая им роль сфер.

    Программное обеспечение Cubit позволяет исключить этап моделирования в софте производителя, позволяя вносить облака точек напрямую в САПР.

    Отдельное внимание уделяется моделированию стандартных конструкций, большинство производителей пришли к тому, что можно создавать стандартные объекты (Например, по ГОСТ есть труба 1220 мм – именно такого диаметра труба подбирается из каталога), и их автоматически вписывать в облака.

    Какие могут быть сделаны выводы. Лазерное сканирование уже пережило этап первых экспериментов и оформилось в отдельное направление геодезических изысканий. Разработки ведутся по прежнему, но если наземный сегмент уже оформился, то мобильное лазерное сканирование еще на стадии становления. Моделировать становится удобнее и быстрее, это говорит о том, что технология сканирования постепенно будет удешевляться за счет человеко-часов, что крайне важно, так как камеральный этап в этой отрасли может достигать 80% от продолжительности всего проекта.

    В России лазерное сканирование развивается также. По оценкам менеджеров разных компаний количество таких устройств, работающих у нас, уже давно перевалило за первую сотню. Для иностранных компаний, что они признают однозначно, Россия – один из главных рынков сбыта этих приборов. Строительство, реконструкция, изыскания – везде можно найти применение лазерному сканеру.

    Комментарии 17

      +1
      А есть подобные вещи для мелких размеров и большей точности? Конкретно интересно следующее — поставил коробочку в нишу, предназначенную для шкафа, она кривизну стен замерила, ЧПУ выпилил полки с учетом кривизны — полочки аккуратно к стенкам прижались по всему периметру.
      Т.е. радиус охвата метров 10, точность 1 мм.
        0
        Да, есть. В силу профессиональных особенностей я с ними сталкивался мало, но когда-то для разных предметов у нас использовали сканеры Konica. Они и сейчас выпускаются, вроде обещают 50 микрон точности Лазерный сканер Konica
        0
        А можно поподробнее про Surphaser? Не смог сходу отследить его российские корни. Кто его всетаки разработал?
        Видел раньше другую отечественную разработку, заточенную под ж/д. К сожалению не сохранилось ссылок.
          0
          Подробнее про Surphaser.
          Проект начался в начале 2000 года. Первые сканеры были рассчитаны на дальность 20-30 см, имели «спиральную» развёртку (поле зрения — конус с углом 20-30 градусов), время на один скан — десятки секунд, точность (точнее, шум) — около 100-200 мкм. Выпущено было где-то 10-15 сканеров этой модели, об одном из них (в Англии) слышали чуть ли не в 2008 году. Потом дальность увеличили до 2-3 метров, выпустили ещё штук 5, но оказалось, что искажения дальности в этой схеме развёртки слишком непредсказуемы, да и управление слишком ненадёжно. Но к тому времени была разработана новая модель — со «сферической» развёрткой.
          Сейчас эта схема используется в большинстве лазерных сканеров — Z&F, Faro, Leica… У кого она появилась первой, сказать сложно (вероятно, у Z&F), но, судя по всему, она сейчас наиболее эффективна. Выглядит как наклонное зеркало, вращающееся вокруг горизонтальной оси, на которое вдоль той же оси (но с другой стороны) светит лазер. Отраженный луч описывает вертикальную окружность. Вся конструкция вращается вокруг вертикальной оси, и в итоге, за полоборота сканируется всё пространство.
          Работоспособные сканеры Surphaser этой модели появились где-то в 2002 г. Долгое время выпускались совместно с компанией VisiImage. Дальность была до 20 м, точность — около 1 мм (думаю, что на самом деле хуже). Сканеры были «трёхпроходными»: одна и та же сцена сканировалась за 3 прохода с разными параметрами лазерного луча, потом результаты объединялись. Пользователи были не очень счастливы, но выбора не было.
          В 2004 г. на этой модели получили дальность 60 м, но этот результат требовал кропотливой ручной обработки (и мощных магических способностей).
          В то время вся сборка и настройка электроники проходила в России, а окончательная упаковка в корпус — в США.
          Примерно в 2007 г. удалось запустить новую схему модуляции, позволяющую выполнять сканы за 1 проход. Заявленная дальность — 30 метров, точность — 0.5-1 мм. Скорость сканирования всё время держалась на уровне 200 тысяч точек в секунду.
          В дальнейшем модель совершенствовалась, но не очень радикально. К 2011 году точность дошла до 0.15-0.3 мм, дальность — примерно до 100 метров (параметры достигаются не одновременно). Производство электроники постепенно переходило в США, настройка оставалась в России. Выпущено около 250-300 экземпляров этой модели.
          Сейчас начат выпуск новой модели. Дальность — 180 метров, точность — 0.1-0.25 мм, в сканере есть бортовой компьютер с управлением по WiFi (экранчика нет) — до того работать можно было только с ноутбука. Возможна работа на скорости 1.2 миллиона точек в секунду, но она пока никому не нужна.
          После выхода последних моделей Trimble и Faro с дальностью 330 метров, придётся попытаться улучшить работу на больших дальностях, но сейчас основная работа сосредоточена на повышении стабильности сканера, чтобы точность держалась на уровне 0.2 мм хотя бы год после калибровки.
          В целом, сканер позиционируется, как метрологический прибор, а не геодезический, так что на Intergeo он вряд ли произведёт впечатление.
            0
            О, как интересно. Я, видимо, когда-то столкнулся с моделью 2007 года. При решении геодезических задач еще возникала проблема вибрации от зеркала. Помимо этого, были существенные проблемы с привязкой — по сути реализовывался только принцип по трем точкам. Надеюсь, на настоящем этапе эти проблемы уже пройдены.
              0
              С вибрацией всё стало гораздо лучше. А с софтом — не очень. За привязкой и прочими совмещениями сканов лучше идти к 3D-пакетам общего назначения. Максимум, что можно сейчас сделать в родном софте Surphaser — найти координаты прямоугольных марок с точностью 2-3 угловых секунды — если кто-нибудь сумеет эту информацию использовать. Можно, правда, попытаться автоматически совместить эти координаты с точками из базы, снятой каким-нибудь трекером, и экспортировать ptx в соответствующей системе координат, но это ещё довольно сыро.
                0
                Ну что же, все равно отрадно, что этот сканер жив и даже развивается. Возможно, при разработке софта на внутреннем рынке и составит конкуренцию ввозимому оборудованию (насколько я помню, он и стоил чуть ли не вдвое дешевле любого «брендового» сканера).
                  0
                  С тех пор появился Faro Focus, который по цене побить трудно. Попытки разработать «дешевый» сканер пока не очень успешны — основные затраты уменьшить не удаётся даже при ухудшении точности.
                    0
                    Да я видел эту модель, ее же сравнил с тостером. Для меня это очень неоднозначный продукт. По цене он в 2-2,5 раза дешевле аналогов, но это тоже миллионы рублей. При этом, упираясь взглядом в строку «допустимая влажность: до 95% без конденсации», понимаешь — это комнатный сканер. В реальном поле с такими параметрами он и проекта не переживет. Я уж не говорю про неизвестную «глючность» — многие сканеры изобилуют ошибками прошивок, управляющего софта, энергопитания и пр. И этот, думаю, не исключение.
              0
              Так кто же автор(ы)?
                0
                Разработка целиком российская. Большая часть «основателей» когда-то училась в МФТИ.
                Список имён есть, например, в этом патенте.
                  0
                  Я лично не могу назвать, просто не помню, кто разрабатывает. Возможно, производитель не очень-то и желает представляться широкой публике.
                    0
                    Фирма называется «Basis Software». Basis, как ни странно, от «Базис Грёбнера» (есть такой термин в символьных вычислениях). Предыдущей более-менее известной разработкой этой фирмы был Vital Lisp — компилятор автодесковского Auto Lisp (впоследствии Autodesk его купил и поставил вместо старого Auto Lisp). Применить в этой и последующих разработках базис Грёбнера так и не удалось :)
                      0
                      Спасибо, буду знать.
                  0
                  Один из сканеров первого поколения всё ещё работает! Ему уже больше 10 лет.
                  Вот как выглядят более современные сканеры:
                  image image
                  Слева — модель 2006 года. Сканер уже больше 7 лет добросовестно трудится на нефтепромыслах Норвегии. Справа — модель 2013 года. С ручкой и кнопочками :)
                0
                Помнится, меня очень поразила разработка компании NAVTEQ — NAVTEQ True. Кратко здесь.
                + видео
                  0
                  К сожалению, для меня доступ к видео ограничен, но это не принципиально. Насколько я понимаю, речь идет о мобильной фото-лаборатории на основе автомобиля. Эти разработки также широко были представлены на выставке, причем как в наземном, так и воздушном (безпилотном) сегменте. Я, если честно, не уделил им должного внимания, так как тема не очень моя. Это направление есть, но сканерам в геодезии оно, на мой взгляд, проигрывает.

                Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                Самое читаемое