SLAM сканеры
Современные технологии 3D съемки можно условно поделить на две группы: наземные сканеры – для получения максимальной точности и деталировки и мобильные сканеры – для получения быстрого результата в движении.
В настоящее время широкое распространение получили мобильные лазерные сканеры на технологии SLAM (Simultaneous localization and mapping).
Технология SLAM
Технология SLAM – это одновременная локализация (определение своего местоположения) и картографирование (сканирование), позволяет устройству определять свое местоположение и перемещаться в пространстве, анализируя положение окружающих объектов.
SLAM сканер объединяет технологии GNSS-RTK, лазерного сканирования LiDAR и инерциальной системы (IMU) в единой платформе. Это позволяет выполнять 3D-сканирование как внутри, так и снаружи помещений.
Исходными данными для ориентации прибора в пространстве являются окружающие объекты (например, деревья, столбы, здания, а также внутри помещения стены, потолки, пол, статичные предметы) в процессе сканирования, а также встроенные в прибор датчики. В каждый момент времени прибор определяет свое местоположение за счет окружающего пространства и датчиков, и проводится сканирование, а получаемые данные доступны для наблюдения с начального момента времени до текущего либо на дисплее прибора, либо на дисплее вспомогательного устройства (смартфоне, планшете, компьютере).
В SLAM сканере в качестве датчиков используются инерциальная система (IMU) и LiDAR.
Инерциальная система навигации (IMU) включает в себя акселерометр, гироскоп и иногда магнитометр и представляет из себя комплекс методов обработки данных и вычислительных алгоритмов, которые позволяют определять положение конкретного объекта в пространстве и времени.
Измеряющая головка лидара
LiDAR – это лазерный локатор, который сканирует пространство с помощью лазерных лучей. Современные лидары представляют собой быстро вращающуюся в одной плоскости головку, излучающую, как правило, 16 или 32 лазерных луча одновременно, при этом сама головка лидара может вращаться в другой плоскости.
Лидар сканирует пространство короткими световыми импульсами со скоростью до 150 000 микровспышек в секунду. Приемник поглощает отраженный свет. Вычисление расстояния до объектов происходит на базе измерения времени отражения светового луча. Устройство анализирует полученную информацию от множества микроимпульсов, направленных в разные стороны, что позволяет снять облако точек трехмерного изображения объекта.
При измерениях (съемке) инерциальная система в автономном режиме определяет пространственное положение облаков точек, измеряемых лидаром. Объединение полученных облаков точек в единое облако, представляющее собой пространственную трехмерную модель помещения, объекта или местности, выполняется с помощью блока обработки (микрокомпьютера и программного обеспечения, поставляемого вместе со сканером).
В дополнение к SLAM на основе LiDAR (который включает в себя 2D и 3D-картографирование) существует также визуальный SLAM или vSLAM. Как следует из названия, Visual SLAM вычисляет положение и ориентацию устройства относительно его окружения, одновременно создавая карту окружающей среды, используя только камеру. В то же время функция визуального SLAM отслеживает точки интереса по последовательным кадрам камеры для триангуляции трехмерного положения камеры. Эта информация затем используется для построения 3D-карты.
Объединение SLAM сканера с технологией спутниковой навигации (GNSS) позволяет повысить точность измерений. Технология GNSS используется для построения траектории с помощью совместного использования инерциальной системы (IMU) и GNSS. Кроме того, по данным RTK осуществляется связка по меткам времени траектории и сканов.
Области применения SLAM сканеров
SLAM сканеры могут применяться в очень широком диапазоне. Это может быть:
- съемка различных зданий, сооружений, конструкций, промышленных объектов;
- фасадная съемка;
- съемка внутри помещений;
- создание поэтажных планов;
- 3D моделирование (BIM-проектирование);
- подсчет объемов сыпучих материалов (песок, щебень, уголь и др.);
- съемка движущихся объектов;
- маркшейдерия;
- сканирование лесных массивов;
- сканирование шахт и тоннелей;
- инвентаризация.
Результаты съемки, выполненной лазерным SLAM сканером
Основные параметры SLAM сканеров
Основными параметрами SLAM сканеров являются:
- точность измерений;
- дальность сканирования;
- скорость сканирования.
Точность облака точек – это погрешность измерений, полученная SLAM сканером.
Дальность сканирования определяет максимально возможную дистанцию измерений от сканера до объекта.
Скорость сканирования – это количество облака точек, отсканированных в секунду. Для SLAM сканеров эта величина составляет, как правило, от 200 000 до 640 000 точек в секунду.
Достоинства и недостатки SLAM сканеров
Достоинства
- Мобильность и скорость работы. Благодаря технологии SLAM ручные сканеры не требуют установки на штатив и могут использоваться в движении. Это позволяет быстро и эффективно сканировать протяженные объекты, сложные пространства и труднодоступные места.
- Съемка внутри помещений и закрытых пространств. Огромным преимуществом SLAM технологии, в отличие от технологии мобильного сканирования, является возможность съемки объектов без GNSS приемника внутри помещений, туннелей, шахтах, пещерах и других объектов, где нет возможности приема спутникового сигнала. При этом можно производить непрерывную съемку, переходя с улицы внутрь здания или объекта, производя непрерывное сканирование и бесшовную сшивку полученных сканов в реальном времени.
- Визуальное отображение данных. Результат сканирования отображается в режиме реального времени на дисплее приложения (смартфоне, планшете, компьютере).
- Простота использования. Благодаря интуитивно понятным интерфейсам и мобильным приложениям работа с ручными SLAM сканерами отличается простотой и быстротой. На обучение уходит минимум времени.
- Стоимость. Стоимость SLAM сканера существенно ниже стоимости классического наземного 3D сканера.
Недостатки
- Точность сканирования. Основной недостаток – это точность. Современные ручные SLAM-сканеры обеспечивают точность измерений до 1–2 см. С другой стороны этого вполне достаточно для решения большинства практических задач.
- Дальность сканирования. Дальность сканирования современных SLAM сканеров невысока и, как правило, составляет от 100 до 300 м.
Заключение
Появление легких и компактных SLAM сканеров открывает новые возможности для профессионалов в различных отраслях. Технология мобильного сканирования стала гораздо более простой и доступной по стоимости, при этом она обеспечивает точность, приемлемую для решения множества задач. Дальнейшее улучшение математики SLAM-систем, а также увеличение скорости съемки лидаром поможет расширить сферы применения мобильных сканеров в будущем.
