Skanowanie laserowe i modelowanie
3D w przemyśle

Fot. Apply Capnor Poland

 

Jeżeli urządzenie techniczne błyskawicznie mierzy odległość z precyzją do milimetra na 80 m i widzi nawet obiekty zasłonięte przed oczyma lub obiektywem, a w dodatku nocą "widzi" tak ostro jak w dzień, można sie łatwo domyślić, że wymyślono je dla potrzeb militarnych.

 

- Skanery laserowe to rzeczywiście technologia wojskowa, którą po latach Norwedzy jako pierwsi zaczęli stosować cywilnie na morskich platformach wiertniczych - mówi Artur Krawczyk, adiunkt na Wydziale Geodezji Górniczej i Inżynierii Środowiska krakowskiej AGH.

 

Przy rozbudowie stalowych platform, tak jak w kopalniach, nie spawa się elementów, lecz skręca. Tymczasem platformy po latach niepostrzeżenie odkształcają się i najczęściej, gdy statkami dopływały tam części precyzyjnie wykonane na lądzie, nie można ich było przykręcić, bo nie pasowały do stojącej na morzu konstrukcji. Skandynawowie odkryli, że zamiast pływać tam i z powrotem nanosząc wieczne poprawki, bardziej opłaca się im wysłać na morze laserowy skaner, który dokładnie zwymiaruje fragmenty platformy.


- Okazywało się, że zmierzone laserem, pasowały jak ulał - mówi Krawczyk, tłumacząc, w jaki sposób zaczęła sie wielka kariera skanowania laserowego w przemyśle, budownictwie i architekturze.

 

Skaner to niewielkie pudełko, w którym źródło promienia i lusterko, w którym odbija się wiązka, wirują we wszystkich kierunkach z prędkością ok. 50 obrotów na sekundę.


- Gdy najpracowitszy mierniczy, którego wyślemy pod ziemię, aby zwymiarował wyrobisko, może zmierzyć ręcznie podczas dniówki np. 150 punktów pomiarowych, skaner w ciągu minuty rejestruje ich miliony. Tzw. chmurę punktów, która powstaje w cyfrowej pamięci urządzenia, trzeba potem umiejętnie zinterpretować przy pomocy specjalistycznych programów komputerowych, używając wielkiej mocy obliczeniowej - mówi Artur Krawczyk. Technologia jaką jest skanowanie laserowe wciąż się rozwija, sprzęt staje się coraz bardziej dostępny nawet dla mniejszych przedsiębiorców, a oprogramowanie daje coraz więcej możliwości.

 

Technika skanowania

 

Skaning laserowy opiera się na bardzo szybkim wyznaczeniu za pomocą pomiaru laserowego współrzędnych XYZ ogromnej liczby punktów. Zbiór wynikowy - tzw. "chmura punktów" umożliwia, po odpowiednim przetworzeniu wygenerowanie trójwymiarowego modelu skanowanego obiektu. Technologia skaningu laserowego znalazła zastosowanie w kartografii, inwentaryzacji architektonicznej, pomiarach deformacji obiektów inżynierskich, badaniach środowiska przyrodniczego, archeologii itp. Opisywana chmura to nie tylko zbiór punktów, które mają współrzędne XYZ – to także parametry intensywności odbicia, często tych informacji jest więcej w zależności od potrzeb. Produktem skaningu może być zarówno sama chmura punktów jako produkt finalny jak i po dalszym przetworzeniu plany, mapy, rysunki, numeryczne modele terenu, foto-realistyczne modele i filmy 3D, wizualizacje, zdjęcia panoramiczne wysokiej rozdzielczości, ortofotomapy i wiele innych.

 

Skaner laserowy wyznacza położenie punktów w dowolnym przestrzennym układzie współrzędnych z wybraną przez użytkownika tzw. gęstością skanowania. Gęstość skanowania odpowiada przyrostowi kątów pionowych i poziomych o jakie obraca się głowica skanująca w trakcie pomiarów. Współrzędne poszczególnych punktów wyznaczane są w stosunku do środka skanera (współrzędne biegunowe). Określają je kąty poziomy i pionowy oraz odległość do obiektu mierzona za pomocą wiązki laserowej. Znając położenie skanera można wyznaczyć współrzędne punktów w dowolnym układzie współrzędnych.

 

Najnowsze modele skanerów potrafią również podczas skanowania zbierać informację tyczące się kolorów, a to pozwala zwrócić chmurę punktów od razu pokolorowaną. Powszechna obecnie jest również integracja skanera z aparatem fotograficznym, najczęściej dzięki specjalistycznej nasadce, a w nowszych modelach aparat ten może być zintegrowany z urządzeniem jako jego integralna część. Dzięki takiemu rozwiązaniu przeprowadzając skanowanie laserowe równocześnie zbierana jest dokumentacja fotograficzna, którą można później w prosty sposób nałożyć na chmurę punktów jako teksturę.

 

Zalety technologii stanowią:

- szybkość: skaner laserowy 3D kilkakrotnie zmniejsza czas potrzebny na realizacje inwentaryzacji,

- większa szczegółowość i dokładność: pokrycie punktami pomiarowymi całej powierzchni obiektu sprawia, że skanowanie laserowe dostarcza pełnej i dokładnej informacji o kształcie obiektu,

- łatwość dodatkowych analiz: kompletność danych sprawia, że zmiana koncepcji projektu nie wiąże się z koniecznością ponownego pomiaru a jedynie z reinterpretacją chmury punktów,

- łatwość przechowywania danych: dane w postaci pliku z chmurą punktów można przechowywać dowolnie długo zanim podda się je obróbce,

- niższe koszty: szybkość i kompletność przekłada się na niższe koszty realizacji w stosunku do bardziej tradycyjnych metod inwentaryzacji.

 

Ogólnym podziałem skanerów jest podział ze względu na zasięg do którego można wykonać skanowanie laserowe. Wyróżniamy skanery bliskiego zasięgu do 100 m (skanery wykorzystywane do skanowania małych obiektów, np. eksponatów muzealnych, pomieszczeń sakralnych), średniego zasięgu od 100 m do 1,5 km oraz dalekiego zasięgu od 1,5 km nawet do 4 km. W dobie postępu technicznego końcowa granica 4 km zasięgu jest oczywiście czysto umowna, z roku na rok pojawiają się na rynku modele w których ten zasięg jest większy.

 

Skanery 3D zmierzają przede wszystkim do miniaturyzacji tych urządzeń. Jeszcze nie tak dawno modele sprzed kilku lat ważyły w granicach 20 kg, do tego dochodził cały osprzęt, statyw, walizki. Z taką ilością sprzętu ciężko sprawnie przemieszczać w terenie w przypadku gdy nie możemy gdzieś dojechać autem. Produkowane obecnie kompaktowe urządzenia z wagą schodzą do 5 kg. Ważne także jest to, że urządzenia skanujące zaczynają tanieć i to na pewno będzie trend.

 

Aby wykonać skanowanie laserowe musimy właściwie dobrać wspomniany skaner do swoich potrzeb. Należy się najpierw zastanowić jakimi zagadnieniami będziemy się zajmować, a dopiero później do tego dobrać urządzenie. Choćby patrząc na wspomniane kryterium zasięgu. Skanerem krótkiego zasięgu nie będziemy w stanie wykonywać inwentaryzacji tuneli czy też hałd. Do tego potrzebny nam skaner dalekiego zasięgu czyli na przykład skaner impulsowy.

 

Technologia jaką jest skanowanie laserowe wciąż się rozwija, sprzęt staje się coraz bardziej dostępny nawet dla mniejszych przedsiębiorców, a oprogramowanie daje co raz więcej możliwości. Jednakże konieczność fachowego zaplanowania i przebiegu procesu skanowania, a następnie interpretacji wyników wymaga pracy doświadczonych specjalistów. Przy jednorazowych czy nieczęstych pracach tego typu lepiej jest to zadanie powierzyć specjalizującej się w zagadnieniu firmie zewnętrznej.

 

Metody pozyskiwania danych

 

Skaning laserowy możemy podzielić na naziemny, lotniczy (helikopter, samolot) i mobilny (samochód, pociąg, łódź). Naziemny skaning laserowy w skrócie reprezentowany jest przez naziemne skanery 3D, które za pomocą lasera są w stanie pozyskać miliony punktów 3D poprzez rejestracji ich współrzędnych XYZ, parametry intensywności odbicia i w zależności od potrzeb inne informacje. Tak pozyskane dane mogą zostać zaimportowane  i w odpowiednich programach dowolnie przetwarzane jako chmura punktów.

 

Lotniczy skaning laserowy w skrócie jest techniką pozyskiwania danych dla bardzo dużych powierzchniowo obszarów. W dużym uproszczenia ta metoda wymaga samolotu oraz urządzenia o nazwie lotniczy skaner laserowy. Mobilny skaning laserowy (z ang. MLS) w skrócie jest metodą pozyskiwania informacji 3D przy pomocy skanera zintegrowanego na poruszających się platformach takich jak łodzie, pociągi oraz samochody. Ta metoda również nazywana jest jako kinematyczny skaning laserowy.

 

Skanowanie naziemne

 

Upraszając podejście do zagadnienia naziemnego skaningu laserowego, można porównać skaner 3D do tachimetru. Z tym, że wydajność z jaką pozyskuje informacje skaner laserowy jest nieosiągalna dla tachimetru obsługiwanego przez człowieku, a nawet dla najnowszych konstrukcji jakimi są tachimetry zmotoryzowane czy też tachimetry skanujące. W metodzie tej skaner umieszcza sie na statywie geodezyjnym. W celu pokrycia pomiarem skanerowym większych obszarów oraz uzupełnienia obszarów znajdujących się w "cieniu" skanowanych obiektów stosuje sie pomiar z wielu stanowisk.

 

Pozyskane dane z naziemnego skaningu laserowego zapisywane są na nośniku danych, którym najczęściej jest dysk twardy. Jest to spowodowane objętością tych informacji. Jednak wraz z postępem przenośnych kart pamięci coraz więcej skanerów daję i taką możliwość zapisu danych. Następnie dostajemy możliwość eksportu zapisanych danych w postaci chmury punktów do różnych formatów wraz z charakterystycznymi cechami. Produktami naziemnego skaningu laserowego między innymi mogą być: chmura punktów, trójwymiarowe modele, rysunki i plany, ortoskany i modele.

 

Skanowanie lotnicze

 

Lotniczy skaning laserowy opisywany jest w skrócie ALS (z ang. Airborne Laser Scannig), jednak częściej spotkać się można ze skrótem LIDAR (z ang. Light Detection and Ranging). Jest to fotogrametryczna metoda pozyskiwania danych w postaci chmury punktów, które są rejestrowane przez wiązkę lasera odbitą od danej powierzchni. W dużym uproszczeniu sama technologia opierająca się na skaningu laserowym jest taka sama jak w przypadku naziemnego skaningu laserowego.

 

System LIDAR montowany jest pod samolotem podobnie jak kamera fotogrametryczna. Jego trzonem prócz samego skanera jest system pozycjonowania oparty na systemie GPS oraz system inercyjny INS, który jest odpowiedzialny za bardzo precyzyjne obliczania kierunków przyśpieszeń. Sercem INS jest IMU (z ang. Intertial Measurement Unit), jest to elektroniczna jednostka która mierzy prędkość, orientacje oraz wychylenia samolotu przy pomocy zaawansowanych żyroskopów i przyspieszeniomierzów.

 

Standardowo dla lotów których zadaniem jest pozyskanie precyzyjnego modelu terenu DTM lotniczy skaning laserowy pozyskuje około 3-5 punktów na metr kwadratowy. Ilość punktów na metr kwadratowy między innymi zależy od parametrów lotu, wysokości oraz liczby nalotów. Przy niższych pułapach lotu można otrzymać gęstość nawet 20 punktów na metr kwadratowy. Oczywiście można powiedzieć, że klasyczna fotogrametria daje nam możliwość wygenerowanie dużo gęstszych siatek jednak musimy pamiętać o tym, że precyzyjnego pomiaru możemy dokonać tylko na terenie niczym nie przesłoniętym. Tam gdzie są lasy, zakrzaczenia już nie. Tu właśnie wychodzi przewaga LIDARa. W teorii laser powinien przeniknąć przez liście i dotrzeć do samego gruntu, dodatkowo dostajemy informacje Echo, która nam mówi o ilości przejść przez obiekty. Dzięki temu dostajemy orientacyjną informacje na temat materiału na który natrafił laser. Dokładność standardowych opracowań lotniczego skaningu laserowego szacuje się na około 0,10-0,15 m sytuacyjnie i 0,15 m wysokościowo, mowa tutaj o średnim błędzie.

 

Opracowywanie danych

 

Przetwarzanie danych skaningu laserowego składa się z następujących etapów:

- wzajemna rejestracja chmur punktów i ich połączenie w jeden model: wprowadzając na tym etapie współrzędne położenia skanera uzyskujemy wpasowanie modelu w układ współrzędnych geodezyjnych,

- filtracja danych: na tym etapie z chmury punktów usuwane są punkty leżące na obiektach zbędnych w dalszych etapach przetwarzania. W badaniach np. osuwisk chcemy uzyskać dane o powierzchni terenu, w związku z czym usuwana jest roślinność i zabudowa. Istnieje wiele różnych metod filtracji danych wykorzystujących zaawansowane algorytmy obliczeniowe. W ograniczonym zakresie filtrację można również przeprowadzić metodą manualną,

- interpolacja danych: na podstawie przefiltrowanej chmury punktów tworzony jest numeryczny model powierzchni terenu (NMT) badanego osuwiska. Z uwagi na dużą gęstość danych stosuje się najczęściej metody oparte na siatce trójkątów.

 

Przykłady zastosowań

 

Operowanie na "chmurze punktów" to zarówno realistyczne wizualizacje, precyzyjne pomiary w przeniesionej w wirtualną rzeczywistość przestrzeni, jak i podstawa do zaawansowanego modelowania przestrzennego. Skanowanie pozwala na gromadzenie danych geodezyjnych, pozyskiwanie danych do projektowania oraz inspekcji technicznych i analiz porównawczych obiektów. Skanowanie hałd, nasypów, wyrobisk i wszelkiego typu innych obiektów o nieregularnym kształcie ma zastosowanie w opisywanej technologii.

 

Wyniki pomiarów służą do sporządzenia trójwymiarowych modeli urządzeń, charakteryzujących się dokładnością rzędu kilku mm. Modele te wykorzystywane są przy projektowaniu instalacji nowych urządzeń oraz do kontroli geometrii urządzeń istniejących. Dzięki dużej gęstości zarejestrowanych punktów skaner laserowy pozwala na tworzenie modeli terenu o nieosiągalnej dotychczas dokładności.

 

Modele takie są niezastąpione np. przy projektowaniu nowych budowli czy obliczaniu mas ziemnych i inwentaryzacji wyrobisk w kopalniach, które innymi technikami byłyby niewykonalne, trudniejsze do wykonania lub niebezpieczne dla zdrowia i życia wykonujących pomiary. Technologia skanowania laserowego 3D znajduje zastosowanie m.in. przy inwentaryzacji budynków i zabytków, obiektów przemysłowych (maszty, instalacje, hale produkcyjne) i inżynieryjnych, w budownictwie cywilnym (mosty, tunele, drogi, badania skrajni, linii i węzłów kolejowych) oraz w górnictwie (wyrobiska, kamieniołomy i odkrywki kopalniane).

 

Opisywana technologia pozwala ewidencjonować naziemną infrastrukturę sieci przesyłowych np. rurociągów poprzez wykonanie cyfrowych zdjęć pionowych, opracowanie ortofotomap i skaning laserowy. Dokumentacja fotograficzno - pomiarowa umożliwia monitorowanie zmian otoczenia rurociągu wspomagając jego eksploatację i działania prewencyjne. W przypadku modernizacji czy projektowania nowych sieci tylko ta metoda inwentaryzacji gwarantuje ciągły powierzchniowo i najaktualniejszy zestaw danych dla danego wariantu korytarzowego.

 

Skaning laserowy w ostatnich latach z wielkim sukcesem upowszechnia się przy pomiarach geoprzestrzennych kopalń. Skanery mierzą dziś kopalnie na całym świecie m.in. w Australii i Ameryce, a dla potrzeb górnictwa urządzenia w iskrobezpiecznych obudowach produkują m.in. Niemcy. Na początku w kopalniach laserowych skanerów używano, aby dokładnie zmierzyć objętość zbiornków odstawczych na dole. Rozwiązywały jeden ze starych i znanych problemów górnictwa: ilość urobku w zbiorniku przy tradycyjnych pomiarach objętości zawsze była obarczona 10-15 proc. błędem, więc jedno opróżnienie zbiornika nie sprawiało jeszcze wielkich kłopotów, ale po kilku szychtach różnice w tonach wydobytego węgla robiły się całkiem pokaźne.

 

Teraz skanery wymiarują całe chodniki oraz szyby wydobywcze. W tych ostatnich szybko i dokładnie potrafią sprawdzić, czy np. prowadnice, po których porusza się klatka windy, nie wykrzywiły się nadmiernie, czy nic podczas ruchu nie zawadzi o skrajnię oraz czy duże elementy obudów lub kombajnów, które górnicy transportują pod ziemię, zmieszczą się na zaplanowanej trasie i nie zaklinują się znienacka w jakimś wąskim gardle, bo w ociosie znienacka zabraknie centymetra luzu. Skanery potrafią precyzyjnie dokumentować nieregularną powierzchnię wyrobisk, rejestrują najdrobniejsze krzywizny i załomy. Rezultat skaningu przechodzi oczekiwania najkapryśniejszych geodetów górniczych i projektantów maszyn. Cyfrowe wyniki pomiaru umożliwiają szybkie opracowanie przestrzennej, trójwymiarowej mapy - modelu, która odwzorowuje wyrobisko albo maszynę, jaka ma się w nim poruszać.


Technologia skanowania laserowego 3D stanowi cenne źródło danych w procesie monitorowania stanu obiektów i szkód górniczych. Wykorzystanie technologii skaningu laserowego w pracach badawczo - usługowych, pozwala na jeszcze lepsze przygotowywanie oceny skutków eksploatacji górniczej w obiektach zabudowy powierzchni i oceny ich odporności na górnicze deformacje podłoża.

 

Skanowanie laserowe 3D ma szeroki zakres zastosowań – od budownictwa, przez inwentaryzację wszelkiego typu obiektów aż po rekonstrukcję wypadków i katastrof budowlanych. Przykładowe obszary zastosowania skanowania laserowego to:

- wykrywanie zmian w czasie przez ponowny pomiar tych samych powierzchni,
- porównanie pomiaru 3D do map wektorowych dla znalezienia przestrzeni dla modyfikowanych urządzeń,
- planowanie rozbudowy dróg o powierzchnie i urządzenia towarzyszące,
- określenie objętości czerpanych zasobów w kopalniach odkrywkowych,
- określenie objętości materiałów sypkich (kruszywa, węgiel, rudy) na zakończenie okresu rozliczeniowego czasu (monitorowanie),
- inwentaryzacja przewodów napowietrznych,
- inwentaryzacja obiektów zabytkowych,
- pomiary inwentaryzacyjne objętości warstw: frezowanych i układanych w procesie budowy dróg – pomiar jakości wykonania prac,
- modelowanie miast, wizualizacje 3D budynków, wirtualne wycieczki,
- pomiary bez ingerowania w badane środowisko, w tym rekonstrukcja wypadków, katastrof budowlanych, dokumentacja miejsc zbrodni (kryminalistyka).

 

Skanowanie laserowe coraz częściej służy do celów inwentaryzacji obiektów przemysłowych, fabryk, linii przesyłowych i technologicznych oraz obiektów telekomunikacyjnych. Pozwala ono na ich dokładne odtworzenie w przypadku uszkodzenia lub awarii lub - w ostateczności - na pełną rekonstrukcję. Skanowanie jest bezdotykowe - czyli nie ma żadnego, najmniejszego wpływy na stan techniczny skanowanego obiektu, co ma duże znaczenie przy kruchych i delikatnych obiektach takich jak zabytki i obiekty sakralne. A także w miejscach gdzie pomiar tradycyjnymi technikami byłby niemożliwy do przeprowadzenia lub niebezpieczny dla operatora jak w przypadku hałd, żwirowni czy nasypów.

 

Inwentaryzacja oraz szczegółowa identyfikacja instalacji przemysłowych, które ze względu na wiele różnorodnych wcześniejszych modyfikacji posiadają istniejącą dokumentację inżynierską niedokładną lub niepełną, za pomocą technologii skanowania laserowego pozwala na odtworzenie i uaktualnienie dokumentacji. Dodatkowo, uzyskane w ramach projektu dane 3D pozwalają na szczegółowe określenie pozycji każdego elementu. Poza chmurą punktów istnieje możliwość dostarczenia wysokorozdzielczych panoram sferycznych, dzięki którym możliwe jest np. odczytanie nawet niewielkich opisów na instalacjach rurowych czy aparaturze.

 

Tam, gdzie dokładna informacja o przestrzennym układzie instalacji, maszyn i budowli jest istotna z punktu widzenia BHP, technologii czy procesów produkcji, technika skanowania laserowego 3D jest gwarantem otrzymania precyzyjnego trójwymiarowego modelu obiektu. Przy „nałożeniu” na chmurę punktów zdjęć cyfrowych, otrzymujemy fotorealistyczne, przestrzenne odwzorowanie skanowanego obiektu. Pomiary wykonane tą metodą cechuje bardzo duża dokładność i zdecydowanie bardzo krótki czas ich wykonania. Mając przestrzenny model mierzonego obiektu można wykonać dowolne widoki, przekroje poziome i pionowe z uzyskanej wcześniej bryły tworząc wektorowe czy płaskie rysunki.

 

W energetyce trójwymiarowa chmura punktów idealnie odwzorowuje nie tylko geometrię słupów ale również elementów takich jak: linie energetyczne, izolatory, transformatory i inne urządzenia techniczne. Monitoring sieci i linii energetycznych minimalizuje prawdopodobieństwo wystąpienia awarii i przerw w dopływie prądu, spowodowanych złym stanem technicznym urządzeń. Wczesna diagnostyka i analiza ryzyka wystąpienia kolizji z szatą roślinną lub nieprawidłowym utrzymaniem linii pomaga efektywnie zarządzać siecią energetyczną. Dla potrzeb energetyki wiatrowej wykonuje się dokładne mapy warstwicowe i mapy szorstkości terenu. Wspomaga się w ten sposób analizy występowania najdogodniejszych miejsc na budowy farm wiatrowych. W przypadku energii solarnej opracowuje się tzw. mapy nasłonecznienia. To mapy przedstawiające prognozowane nasłonecznienie dachu określone na podstawie modelu salda promieniowania.

 

Skanowanie laserowe w przypadku powodzi daje możliwość określenia wielkości zdemolowanego przez powódź obszaru. Umożliwia także określenie stanu urwisk, brzegów rzek, obiektów inżynierskich i budowlanych. Fakt, że, skanowanie laserowe może być wykonane z odległości setek metrów czy w powietrza z jeszcze większej odległości sprawia, że bez narażania się na niebezpieczeństwo można przeprowadzić pomiar obiektów odległych, niedostępnych dla człowieka, np. urwisk, nasypów, terenów zagrożonych lawinami.

 

Inne obszary zastosowań to m.in. kontrola mas ziemi, zwałowisk i procesów rekultywacji, opracowanie modeli przestrzennych 3D miast, inwentaryzację obszarów zagrożonych erozją i lawinami, a w leśnictwie inwentaryzację i monitoring roślinności oraz określanie cech drzew i drzewostanów. Dodatkową korzyścią z zastosowania bezdotykowego pomiaru geometrii za pomocą skanera 3D jest możliwość pomiaru produktów o delikatnej strukturze zewnętrznej i wrażliwych na uszkodzenia mechaniczne. Skanowanie laserowe znajduje zastosowanie także w chemii, petrochemii, gazownictwie, energetyce i ciepłownictwie oraz w szeroko rozumianym budownictwie, architekturze i konserwacji zabytków.

 

Modelowanie 3D

 

Nowoczesne technologie pomiarowe takie jak fotogrametria cyfrowa i naziemny skaning laserowy dostarczają informacji o otaczającej nas rzeczywistości w postaci zdjęć pomiarowych i chmur punktów. Jednakże informacja o geometrii obiektów zapisana w tej postaci często jest niepraktyczna z punktu widzenia odbiorcy dokumentacji obiektu. Dlatego też zachodzi potrzeba translacji wyników pomiarów i chmur punktów na modele wektorowe obsługiwane jak dotąd najczęściej przez oprogramowanie typu CAD. Trójwymiarowe modele powykonawcze pozwalają na szybsze i łatwiejsze poznanie obiektów. Oszczędzają czas potrzebny na projektowanie i instalację, skracając terminy realizacji projektów.

 

W procesie modelowania wykorzystywane są zarówno narzędzia dostępne w oprogramowaniu do przetwarzania chmur punktów jak i dedykowane oprogramowanie i algorytmy do modelowania 3D. Wektorowe modele 3D obiektów przemysłowych znajdują różnorakie zastosowania m. in.:

–  jako inwentaryzacja stanu istniejącego,

–  jako dane wejściowe w systemach zarządzania infrastrukturą,

–  do badania kolizji między infrastrukturą planowaną a istniejącą.

 

Nowoczesne oprogramowanie dostarcza coraz wydajniejszych narzędzi do modelowania obiektów geometrycznych. Dostępne opcje automatycznego wpasowywania obiektów czy też katalogi gotowych elementów znacznie przyspieszają i upraszczają proces modelowania. Opcje modyfikacji wstawionych elementów pozwalają na precyzyjne wpasowanie reprezentacji geometrycznej obiektu w pozyskaną chmurę punktów. Dzięki narzędziom informującym o dokładnościach dopasowania elementów wektorowych do chmury punktów możemy kontrolować jakość wykonywanego modelowania. Uzyskiwane dokładności wpasowania na poziomie kilku milimetrów pozwalają opisywaną metodą uzyskiwać trójwymiarowe inwentaryzacje obiektów przemysłowych.

 

Należy jednak zauważyć, że warunkiem koniecznym sprawnego prowadzenia prac związanych z modelowaniem jak również uzyskiwania wysokich dokładności wpasowania jest posiadanie możliwie kompletnej i dobrej jakościowo chmury punktów, gdzie pod pojęciem jej jakości rozumiemy odpowiednio dobraną gęstość pozyskiwanej chmury punktów, precyzyjnie wykonaną orientację, redukcję i filtrację szumów oraz błędnie zarejestrowanych punktów.


Modelowanie chmur punktów pozwala tworzyć modele CAD z dokładnością do kilku milimetrów. Dokładność jest uzależniona od modelowanego obiektu, ale zwykle wymagana jest do 2 mm. Na czas tworzenia modelu w dużej mierze wpływa stopień oczekiwanej szczegółowości. Wykonane modele CAD mogą być eksportowane do programów inżynieryjnych, takich jak np. AutoCAD, MicroStation, PDMS czy PDS w zależności od potrzeb i wymogów. Model zawiera wystarczającą ilość informacji do przeglądu zdefiniowanego obszaru i może być stosowany jako punkt odniesienia w procesie projektowania. Pomaga to ograniczyć kosztowne wizje terenowe i zmniejszyć ryzyko kolizji, ponieważ nowo zaprojektowane elementy mogą być kontrolowane na bieżąco w modelu 3D.

 

Skanowanie laserowe w połączeniu z projektem lub dokumentacją instalacji mogą być wykorzystywane do tworzenia w pełni inteligentnych modeli PDMS. Istniejący model może być również dostosowany do chmury punktów, w celu stworzenia modelu powykonawczego. To sprawia, że dalsze projektowanie jest łatwiejsze i szybsze. Model PDMS zapewnia projektantom uzyskanie pełnego spektrum opcji, takich jak schematy P&ID, rysunki izometryczne, raporty, obliczenia wytrzymałościowe itd.

 

Branże i dziedziny, w których znajduje zastosowanie skanowanie laserowe i modelowanie 3D:

- drogownictwo i budownictwo cywilne: pozyskiwanie danych i tworzenie cyfrowych modeli stanowiących podstawę do projektowania i inwentaryzacji obiektów inżynierskich, inwentaryzacja dróg i linii kolejowych, węzłów drogowych, mostów i wiaduktów, tuneli, obiektów hydrotechnicznych,

- przemysł przetwórczy, chemiczny i petrochemiczny: inwentaryzacja i modelowanie 3D skomplikowanych instalacji,

- przemysł wydobywczy: inwentaryzacja i modelowanie 3D odkrywek, hałd, szybów, komór podziemnych,
- budownictwo: inwentaryzacja istniejących konstrukcji w przypadku ich remontów lub komputerowych symulacji wytrzymałościowych,

- konserwacja zabytków i archeologia: szybka inwentaryzacja skomplikowanych zabytków i stanowisk archeologicznych dla potrzeb badań, dokumentacji archiwalnej lub dokumentacji projektowej,
- planowanie przestrzenne i zarządzanie zespołami urbanistycznymi: technologia skanowania 3D jest obecnie jednym z najbardziej efektywnych czasowo i ekonomicznie narzędzi pozyskania danych potrzebnych do generowania trójwymiarowych modeli miast i osiedli,

- zarządzanie kryzysowe: szybka inwentaryzacja obiektów, które uległy awarii lub z powodu skażenia są niedostępne do bezpośredniego pomiaru,

- sektor wojskowy: pozyskiwanie danych do tworzenia wirtualnego pola bitwy, które na poziomie dowodzenia pozwala na integrację wszystkich rodzajów działań rozpoznawczych i bojowych,
- kryminalistyka: dokumentacja miejsca zdarzeń i analizy symulacyjne.

 

Urządzenia i usługi związane ze skanowaniem laserowym i modelowaniem 3D w przemyśle tanieją z każdym rokiem i stają się bardzo popularne. Podobnie taniały technologie GPS, których koszt był przed laty horrendalny a dziś są powszechnie dostępne i masowo używane.

 

Marek Figiel

 

Źródło: Apply Capnor, Eurosystem, Kadex Inżynieria, materiały XXIII SEP, MGGP Aero, nettg.pl, PIG-PIB, Politechnika Wrocławska, PMJ, skanowanie-laserowe.pl, TPI, www.skanowanielaserowe3d.blogspot.com, fragmenty artykułu „Modelowanie obiektów przemysłowych na podstawie danych z naziemnego skaningu laserowego” B. Mitka, Ł. Mikołajczyk, T. Noszczyk.

 

 

                                  

11 stycznia 2018