ЧТО ТАКОЕ ОБЛАКО ТОЧЕК?

Облако точек — это необработанные данные 3D-лазерных сканеров. Это данные, на основе которых производится оценка измерений и разрабатываются конечные изделия. Поэтому крайне важно производить необходимые измерения для получения этих данных и обрабатывать их различными инструментами после их получения. Облака точек могут содержать функции, которые варьируются от устройства к устройству. Хотя эти функции являются параметрами, которые непосредственно показывают их качество и работоспособность, все они имеют некоторые существенные особенности облака точек. (Аygün)

Практики имеют множество возможностей при работе с облаками точек благодаря характеристикам данных:

• Облако точек можно поворачивать по желанию в программном обеспечении, и его можно рассматривать с разных точек зрения и с разных расстояний,
• Точки, которые не нужны или не измеряются, можно легко удалить,
• Контрольные измерения могут быть легко выполнены путем измерения расстояний по облаку точек,
• Объекты CAD можно создавать из соответствующих частей облака точек или из целого благодаря поверхностям, которые очень хорошо соответствуют реальному объекту. Эта функция представляет собой наиболее важную функцию облака точек; Эта функция данных открыла двери для обратного проектирования всех структур. В результате, благодаря процессу моделирования становится возможным передавать данные лазерного сканирования в CAD-систему.  Таким образом, был найден экономичный способ экспорта геометрии зданий или инвентарных списков промышленных предприятий в систему CAD. С этой точки зрения реставрацию или сложное планирование интерьера теперь можно выполнять в цифровом виде. Специально для модернизации старых зданий новый метод был быстро принят, когда он хорошо сочетался с другими лазерными методами (лазерный измеритель, безотражательный тахеометр).

Облако точек содержит два типа данных:

• метрические данные: Определяет геометрию объекта и показывает пространственные отношения между объектами в окружающей среде,,
• Визуальные или тематические данные: Он создается для описания характеристик поверхности объекта и может использоваться для расчета достоверности данных о расстоянии для каждой точки.

 Работа с лазерными 3D-сканерами синонимична работе с облаками точек. Проверка сканирующих измерений на точность, целостность и содержащуюся в них информацию определяет качество этих процессов. Люди, работающие с лазерными 3D-сканерами, должны знать структуру и качество облаков точек и иметь опыт обработки облаков точек.

Структура облака точек

Облако точек — это набор 3D-точек, определяющих очертания или особенности поверхности объекта, и каждый лазерный сканер генерирует данные облака точек. Наряду с данными 3D-координат точек также записываются данные интенсивности отраженного от объекта лазерного луча, а неокрашенные облака точек обычно представляются в полуцветном виде с этими данными плотности (в оттенках серого). Поскольку активная энергия регистрируется в лазерных сканерах, эти значения интенсивности также могут быть зарегистрированы в темноте. Такое представление данных о плотности сложных структур подходит для визуального анализа; Поскольку разные поверхности имеют разные значения коэффициента отражения, объекты, которые трудно отличить по их истинному цвету, можно разделить по значениям плотности. Тем не менее, в представлении конечного продукта предпочтение отдается облакам точек истинного цвета.

Рисунок 2: Различные подходы к окраске облака точек.

Лазерные сканеры интегрированы с внутренними и внешними цифровыми камерами. Эти камеры захватывают изображения сканируемого объекта в реальном цвете во время или после сканирования. Поскольку оптические оси сканера и камеры совпадают, измеренная точка может быть сопоставлена ​​с соответствующим пикселем. Поэтому результирующему облаку точек можно присвоить значения пикселей истинного цвета.

Эти данные облака точек сохраняются в разных форматах. Необработанные данные каждого лазерного сканера получаются в разных форматах, и подавляющее большинство этих форматов можно конвертировать друг в друга. Базовое программное обеспечение лазерного сканера, разработанное производителями, выполняет основные процедуры, такие как открытие, проверка, очистка и сохранение облаков точек. Хотя каждое программное обеспечение в основном ориентировано на формат облака точек, создаваемый его собственным устройством, оно имеет возможность открывать данные облака точек с помощью других расширений и выполнять те же операции.

Облака точек можно получить в результате одного сканирования, но их часто используют в сочетании с данными нескольких сканирований для полной идентификации объекта.
Процесс слияния содержит одни и те же данные поверхности из многих общих областей сканирования. Однако физические свойства сканируемого объекта и некоторые систематические ошибки устройства появляются вместе в сливающихся облаках точек. Программное обеспечение используется для устранения этих ошибок и максимально четкого отображения поверхности объекта, представленной облаком точек. Каждое программное обеспечение использует разные алгоритмы.

Процесс преобразования полученного облака точек в конечный результат происходит путем последовательного применения взаимосвязанных шагов. Облако точек обрабатывается путем преобразования его в разные форматы с одним и тем же геометрическим элементом. Поэтому необработанное облако точек должно быть максимально простым и всеобъемлющим. Это зависит от качества измерения лазерного сканирования.

Качество облаков точек

Лазерное 3D Сканирование —это очень успешный метод измерения для получения данных с высокой точностью и соответствующий потребностям. Тот факт, что не существует стандарта качества выполненных измерений трехмерного лазерного сканирования, означает, что не существует стандарта качества облаков точек, которые являются результатом измерения.

С этим; свойства, которыми должны обладать облака точек, можно определить по измеряемому объекту. Сканируемые объекты часто имеют сложную структуру и неправильную негеометрическую форму. Облако точек, которое должно быть получено, представляет эту сложную структуру и предоставляет желаемую информацию об этой структуре, предоставляя некоторые технические параметры с помощью сканирующего устройства и программного обеспечения для сканирования.

Важным шагом в разработке стратегии измерения с помощью наземных лазерных сканеров является выбор сканера, который может захватывать измеряемый объект с достаточной точностью. Таким образом, можно получить облака точек со следующими характеристиками:

• Возможность показать все необходимые детали на поверхности объекта,
• Возможность иметь реальные цвета, когда это необходимо для представления объекта,
• Во время измерения также будет измерено множество различных нежелательных объектов. Форсирование аппаратных мощностей используемых компьютеров может привести к неполным или некорректным операциям, связанным с облаками точек. Облака точек должны содержать необходимую геометрическую информацию об объекте и его окружении, а из данных следует удалить лишние части.
• Облака точек могут быть связаны с опорными геодезическими сетями. В этом случае, если будут использоваться целевые точки с известными координатами, необходимо сканировать цели с достаточной плотностью, чтобы произвести соответствующее преобразование.

Обработка облаков точек

Облака точек преобразуются в конечные продукты, подвергая их различным процессам с помощью программного обеспечения. Программное обеспечение, разработанное для 3D-лазерного сканирования, должно обрабатывать огромные объемы данных. Облака точек, на измерение которых уходит несколько минут, могут занять часы на обработку для различных целей.

Виртуальные объекты с определенной геометрией, определенные как объекты САD, представляют собой объекты, в которые часто преобразуются облака точек. Результатом одного сканирования с плотным интервалом являются миллионы точек. Импорт их непосредственно в программу САD означает перегрузку. По этой причине компании, разрабатывающие программное обеспечение для лазерного сканирования, разрабатывают специальное подключаемое программное обеспечение, которое работает в фоновом режиме их программного обеспечения САD, чтобы обеспечить загрузку всех облаков точек. На основе этой функции достаточно легко получить нужные объекты СAD или выполнить анализ данных.

Обработка облаков точек начинается с анализа отдельных сканов для получения объекта. В этих обзорах; Некоторые ошибки, вызванные сканером, пользователем, сканируемым объектом и средой сканирования, можно отследить. Некоторые из этих ошибок исправляются базовым программным обеспечением для сканирования. Каждое программное обеспечение имеет специальные инструменты фильтрации для исправления этих ошибок. Эти операции могут не полностью соответствовать запросам пользователя. Поэтому после процесса следует проверить облака точек и оценить навыки используемых инструментов. По мере того, как специалисты-практики пробуют такие процесы с различным программным обеспечением, они получают возможность выполнять необходимые операции быстрее и точнее.

Рисунок 3: Процесс фильтрации облака точек в программе SCENE.

Очищенные и объединенные облака точек могут быть переданы в программное обеспечение, где они будут подготовлены в качестве конечного продукта. Общий термин для процесса преобразования полученного облака точек в более полезный продукт — моделирование, или, точнее, поверхностное или геометрическое моделирование. Существуют различные подходы к процессу моделирования. Для небольшого объекта наиболее типичным продуктом будет цифровая модель геометрии объекта, возможно, в виде решетчатой ​​поверхности, такой как треугольная нерегулярная сетка (TIN — Triangular Irregular Network). (Aygün)

Сканрование объединение данных может потребовать проверки созданной модели в зависимости от сложности поверхности. Например, для больших плоских областей требуется меньше треугольников, чем для более детализированных областей. Это дает пользователю контроль над размером производимой модели, сохраняя детали там, где это необходимо, но устраняя ненужную сложность в других областях. (Аygün)

Для создания полной и непрерывной модели объекта могут потребоваться некоторые корректировки TIN для заполнения пробелов в поверхностях объекта, для которых невозможно собрать данные. Полученный TIN пригоден для использования в различных видах анализа. Более подходящими моделями являются улучшенные геометрические модели (сетки), которые также образованы треугольниками.На рисунке показана модель, сформированная из облака точек, полученного лазерным сканированием.

Рис. 4: Оригинальная каменная историческая реликвия (наверху), сетчатая модель (внизу).

Облака точек доступны не только в виде моделей после их слияния. Наличие гладкой геометрической формы измеряемого объекта позволяет отображать 2D-продукты с отображением краев объекта. Вертикальные и горизонтальные разрезы, планы и виды являются примерами этих данных.

Рис. 5: Пример ортофото, созданного из облака точек.

Инженеры топогрофы/геоматики часто работают с профессионалами из других дисциплин в процессах, требующих съемки с помощью лазерного сканирования. В таких междисциплинарных исследованиях наиболее подходящим ответом на потребности другой стороны с помощью выполненных измерений является профессиональный принцип, но это также может означать избежание времени и затрат.

Предоставление продукта, полученного на основе данных лазерного сканирования, может быть только началом процесса ответа на исходные вопросы исследования. Профессионалы, получающие конечный продукт, должны будут провести некоторый анализ с использованием продукта. Облака точек могут даже использоваться для некоторых анализов в необработанном виде, но специальные исследования, такие как анализ поверхности, требуют обработки полученной модели..

Как упоминалось ранее, лазерные 3D-сканеры также записывают данные об интенсивности лазерного луча, отраженного от объекта. Поскольку большинство сканеров работают за пределами спектра, видимого человеческому глазу, собранная информация об интенсивности часто немного отличается от информации об интенсивности, видимой в полевых условиях. Эта информация может в некоторых случаях помочь показать различия, связанные с типом материала на поверхности.

Рисунок 6: Представление данных интенсивности лазерного сканирования раскопанной поверхности (слева), стратиграфическая запись того же места, подготовленная археологами (справа).

Подавляющее большинство транзакций, совершаемых в облаке точек, не могут выполняться автоматически. Эти процессы могут быть довольно трудоемкими и требовать личных навыков. Поэтому все операции, выполняемые в рамках проекта, и необработанные данные, полученные от устройства, должны храниться как метаданные проекта. Метаданные должны включать такую ​​информацию, как название и дата выполненной работы, а также технические характеристики собранных данных.