Лазерное сканирование 2014 / Литература Лекции / Середович В.А., Комиссаров А.В., Комиссаров Д.В., Широкова Т.А. Наземное лазерное сканирование. 2009

стенки, из цилиндрической системы координат в прямоугольную. Такая операция облегчает обработку точечной модели, поскольку ее интерпретация в виде плоского чертежа более наглядна.

Для представления точечной модели боковой поверхности РВС в виде плоского чертежа необходимо выбрать модель цилиндра, на которую будет проецироваться массив точек, принадлежащих стенке резервуара. Наиболее оптимальной будет такая модель цилиндра, которая максимально точно вписывается в точечную модель, полученную в результате обработки сканерных данных РВС. После построения модели цилиндра в интерактивном режиме задается его диаметр в соответствии с технической документацией резервуара. Для точечной модели задается система координат, ось ZС которой совпадает с осью модели цилиндра, а начало – с ее нижней точкой. Графическое представление цилиндрической и прямоугольной систем координат, используемых при определении деформации стенок резервуара, показано на рис. 135.

Рис. 135. Графическое представление цилиндрической и прямоугольной систем координат

Преобразование координат точек точечной модели стенки РВС выполняется по формулам:

X P	2				i RC ;	(71)
i	360
YP	ZC		;		(72)
i		i
Z P	Ri ,				(73)
i
где		i –			угол между осью YC	и направлением на точку i, координаты

которой получены в результате обработки сканерных данных;

RC – радиус вписанного цилиндра в массив точек в соответствии с документацией;

ZC – координата точки боковой поверхности РВС в прямоугольной пространственной системе координат OCXCYCZC;

Ri – отстояние каждой точки стенки от оси резервуара в плоскости, параллельной XCYC.

Для определения координат	X P	, YP	, Z P величины Ri и	i вычисляются по
	i	i	i

координатам точек точечной модели стенки резервуара.

В процессе преобразования координат точек точечной модели существует возможность отбраковки грубых ошибочных измерений путем анализа координаты Z Pi . Для этого надо задать допустимую величину изменения

отметок, исходя из возможной величины деформации стенки РВС, при превышении которой точки считаются не принадлежащими поверхности резервуара. После вычислений по формулам (71), (72) и (73) будут получены

координаты	Z P	точек, описывающих поверхность стенки резервуара,
	i

аналогично цифровой модели рельефа. Затем создается карта боковой поверхности резервуара, которая наглядно описывает все деформации стенки РВС. По ней можно достаточно просто идентифицировать места деформаций на реальном объекте, если замаркировать на поверхности резервуара точку начала отсчета горизонтального угла i. На данную карту можно нанести места расположения сварных швов, что повысит ее информативность. Пример карты деформаций поверхности резервуара приведен на рис. 136.

Масштаб 1 : 180 Горизонтальные сечения проведены через 1 см

Шкала высот, м Рис. 136. Карта деформаций боковой поверхности резервуара

При традиционной методике проведения работ деформация стенки резервуара определяется по отклонению образующих его боковой поверхности от вертикали [66], что в отличие от представленной технологии, не позволяет достаточно полно оценить степень деформации стенок.

Определение отклонений образующих стенки резервуара от вертикали. По традиционной технологии данная задача решается путем установления отклонения от вертикали нижней, средней и верхней точек каждого пояса, расположенных на вертикальных сварных швах [18, 66].

Схема определения отклонений образующих стенки РВС от вертикали по сканерным данным представлена на рис. 137.

Рис. 138. Определение объема резервуара

Рис. 137. Определение отклонений от вертикали образующих стенки РВС по данным сканирования

При использовании данных наземного лазерного сканирования отклонение образующей от вертикали в точке p находится как среднее значение отклонений точек, принадлежащих заданному сектору размером a b. Согласно инструкции [66], сектор должен выбираться такого размера, чтобы внутри него деформацией можно было пренебречь. Если задать расстояние между точками pi по вертикали (dверт) и горизонтали (dгор), можно вычислить отклонения от отвесной линии для любого количества точек, принадлежащих образующим стенки РВС

[71, 72].

Определение объема резервуара.

Основной информацией, необходимой для нахождения объема РВС, являются данные о геометрии наружной стенки резервуара. Для этих целей традиционная технология

предполагает измерение периметра резервуара, высоты поясов и отклонений образующих резервуара от вертикалей, проходящих через наружный контур днища резервуара (точки A, B, C и т. д. на рис. 137). Использование единой точечной модели резервуара, созданной по результатам сканирования, позволяет получить более точную и достоверную информацию об объеме РВС, образованном его наружной поверхностью с учетом деформаций стенки.

Определение объема резервуара по сканерным данным осуществляется по отдельным поясам высотой H (схема представлена на рис. 138), значение

которой задается.

Каждый пояс точечной модели, в свою очередь, разбивается на угловые секторы. Радиус R сектора вычисляется как среднее значение радиусов Ri точек, принадлежащих ему. Объем элементарного тела в пределах пояса высотой H, ограниченного сектором с длиной дуги , будет равен [71, 72]:

V R2 H . (74)

i	360

Объем тела в пределах всего пояса VH вычисляется как сумма объемов элементарных тел Vi, принадлежащих данному поясу, либо через

средний радиус всего пояса. Объем резервуара будет равен сумме объемов тел, ограниченных поясами. Чем меньше размер поясов и секторов, тем точнее будет учитываться геометрия наружной стороны стенки РВС. В дальнейшем, в

Рис. 139. Сечение точечной модели в нижней части резервуара

полученную величину объема резервуара вводятся поправки за влияние различных факторов, предусмотренные стандартом [18, 71, 72].

Определение отклонения наружного контура днища резервуара от горизонтального положения. В соответствии с [66], величина неравномерной осадки наружного контура днища РВС определяется по отметкам точек, соответствующих вертикальным стыкам первого пояса и днища и расположенных не менее, чем через 6 м друг от друга. Отметки точек измеряются путем нивелирования контура днища.

При наличии результатов наземного лазерного сканирования легко можно получить отметки точек днища, используя вертикальные сечения точечной модели резервуара (рис. 139). Число этих сечений задается равным количеству вертикальных швов. Учитывая высокую плотность точечной модели, в камеральных условиях можно определить отметки любых точек по периметру наружного контура днища резервуара с представлением результата в графическом или табличном виде [71,

72].

Практические работы, выполненные с целью диагностики вертикальных цилиндрических резервуаров, расположенных на территориях ОАО «СибнефтьНоябрьскнефтегаз»

и ОАО «Славнефть», подтвердили высокую эффективность применения технологии лазерного сканирования для

определения геометрических параметров РВС. Использование сканерных данных позволяет с высокой степенью точности и достоверности решать следующие задачи:

1)определение вертикальности оси резервуара;

2)построение подробной карты деформации стенки резервуара;

3)определение отклонения образующих стенки резервуара от вертикали;

4)вычисление объема резервуара;

5)определение отклонения наружного контура днища от горизонтали. Важным преимуществом методики диагностики РВС с использованием

технологии лазерного сканирования является то, что все измерения выполняются дистанционно. При этом точность определения геометрических параметров в два раза превышает точность единичного измерения сканера.

Данную методику также можно использовать для диагностики горизонтальных резервуаров, тем более что для них требования к точности определения геометрических параметров являются менее жесткими.

4.5.Использование технологии наземного лазерного сканирования для медицинских целей

Вмедицине очень часто необходимо знать геометрические параметры человека, с использованием которых создаются различные протезы, корсеты и т. д. В настоящее время для их производства в медицинской отрасли используется оборудование, способное работать с метрической информацией, представленной в трехмерном виде. Поэтому наличие точных трехмерных моделей реальных людей позволяет повысить качество подобного производства.

При создании корсетов и протезов процесс подбора их истинных размеров и габаритов происходит в несколько этапов, на каждом из которых методом проб и ошибок подгоняют образец под параметры конкретного больного. При таком подходе пациент неоднократно вынужден участвовать в неприятном и порой болезненном процессе примерки, и расходуется большое количество материала. Кроме этого, должна быть высокой квалификация исполнителя.

Применение трехмерной модели отдельных органов конкретного человека совместно со знанием его физиологии дает возможность оперативно создавать индивидуальные корсеты и протезы правильных размеров.

Важной областью применения трехмерной модели человека является пластическая хирургия. В этом случае можно визуально оценить на экране монитора изменения, которые произойдут после операции.

Для медицинских целей следует использовать триангуляционные лазерные сканеры, позволяющие определить пространственные координаты отдельных точек человеческого тела с точностью в несколько десятых долей миллиметра. Технологически процесс съемки триангуляционными лазерными сканерами аналогичен сканированию импульсными и фазовыми НЛС. Трехмерные модели

Рис. 140. Трехмерная модель зубных протезов

медицинского назначения целесообразно строить по сканерным данным в виде TINили NURBS-поверхностей. На рис. 140 показана модель протезов зубов, созданная по результатам наземной лазерной съемки высокоточным сканером с помощью программного продукта Polygon Edition.

Использование технологии наземного лазерного сканирования в медицине позволяет уменьшить личные ошибки медицинского персонала при изготовлении протезов и корсетов.

4.6.Прогнозирование и ликвидация чрезвычайных ситуаций с применением технологии наземного лазерного сканирования

Опыт показывает, что эффективность проведения спасательных операций и мероприятий по предотвращению чрезвычайных ситуаций (ЧС) во многом зависит от наличия полноценной метрической информации об объекте, где они проводятся. Единственным возможным источником получения такой информации является детальная трехмерная модель, на которой были бы

отражены все виды коммуникаций, сигнализаций (оповестительные, пожарные, охранные и др.), места, где расположены видеокамеры, и т. д. Такие векторные трехмерные модели позволяют решить следующие задачи [74]:

проектирование мероприятий по предотвращению ЧС; разработка автоматизированных систем принятия управленческих

решений в условиях ЧС;

проектирование систем безопасности и жизнеобеспечения с целью эффективной их эксплуатации;

поиск и устранение неисправностей оборудования; моделирование и прогноз развития нештатных ситуаций (пожаров,

прорывов химреагентов, аварий, терактов и т. д.);

проектирование путей доставки необходимого оборудования (например, в тоннелях);

проектирование путей эвакуации населения; проектирование мест установки камер слежения;

разработка системы навигации роботов и спасательных групп в условиях недостаточной видимости.

Использование трехмерных моделей нефтегазовых объектов позволяет смоделировать по ним аварийную ситуацию, в частности, разлив нефти, химреагентов и других веществ (рис. 141). При моделировании таких ситуаций в современных программных продуктах возможно учесть не только параметры рельефа, но и физические свойства среды, что значительно повышает достоверность получаемой информации. При построении моделей ЧС следует учитывать динамические свойства опасного вещества: вязкость, текучесть и впитываемость в поверхность земли, трение при соприкосновении с другими веществами, время высыхания, коэффициент отталкивания и др. В результате моделирования ЧС можно определить траекторию движения и район распространения нефтепродуктов, повреждения в любом месте объекта, оценить степень ущерба предприятию как в экономическом, так и в экологическом плане. Модели ЧС можно использовать для разработки мер по предотвращению или максимальному снижению риска их возникновения, а также по обеспечению мер безопасности рабочих на производстве и способов их эвакуации.

Рис. 141. Модель разлива нефти на дожимной насосной станции

Существенным достоинством моделей ЧС является максимальная реалистичность и возможность визуального контроля за ходом развития событий.

Применение трехмерной модели ЧС в сочетании с дополнительными системами слежения позволяет:

в режиме on-line детально оценивать процесс ликвидации последствий ЧС, что особенно важно для объектов стратегического назначения (метрополитен, ГЭС, шлюзы и т. д.);

повысить оперативность и эффективность управленческих решений на объектах повышенной опасности и в условиях чрезвычайных ситуаций.

Для построения детальной трехмерной модели сложных технологических объектов стратегического назначения с целью прогнозирования и ликвидации чрезвычайных ситуаций наиболее эффективным средством получения пространственной информации является наземное лазерное сканирование. На рис. 141 представлена трехмерная модель дожимной насосной станции и рельефа, полученная по данным наземной лазерной съемки.

4.7.Методика калибровки цифровых камер с использованием наземных лазерных сканеров

Наземные лазерные сканеры можно использовать для определения параметров калибровки цифровых неметрических камер. Сущность калибровки камер заключается в следующем.

С помощью цифровой камеры фотографируется тест-объект с нескольких точек пространства 32 . Параметры калибровки неметрических цифровых камер (элементы внутреннего ориентирования, радиальная и тангенциальная дисторсия), а также элементы внешнего ориентирования снимков определяются на основе использования формул связи между координатами точек специального тест-объекта и измеренными плоскими координатами точек цифровых снимков.

Основные этапы методики калибровки цифровых неметрических камер с использованием наземного лазерного сканера показаны на рис. 142.

Создание тест-объекта. Для создания тест-объекта используются специальные светоотражающие марки, представленные на рис. 29, которые подбираются в соответствии с рекомендациями фирмы-изготовителя сканера.

Создание тест-объекта

Установка сканера, наземное лазерное сканирование тест-объекта

Определение координат специальных марок

Установка цифровой камеры, съемка тест-объекта

Обработка результатов сканирования и фотографирования тест-объекта

Определение параметров калибровки цифровой камеры

Рис. 142. Основные этапы калибровки цифровых неметрических камер по данным наземной лазерной съемки

При фотографировании специальных марок необходимо, чтобы они изображались по всему полю снимка. Для обеспечения рельефности тестобъекта с целью повышения достоверности результатов калибровки следует задавать такое максимальное Smax и минимальное Smin отстояния от цифровой камеры до точек тест-объекта, чтобы соблюдалось следующее условие 10 :

Smax Smin		1	,	(75)
S	3

где S – среднее расстояние до точек тест-объекта.

Точность определения параметров калибровки зависит от характера изменения ошибок по полю снимка, возможности аппроксимации их на небольших участках и числа точек тест-объекта. В большинстве случаев испытательный тест-объект с количеством точек от 120 до 150 удовлетворит требованиям точности определения искажений в координатах точек снимка

4, 11 .

Наземное лазерное сканирование тест-объекта. Практически у всех современных моделей НЛС есть встроенная функция для сканирования специальных марок с максимально возможным угловым разрешением (см. прил. 1). От качества сканерной съемки марок зависит точность определения координат их центров.

Перед сканированием тест-объекта определяется оптимальное расстояние от специальных марок до сканера.

С теоретической точки зрения, точность определения координат центров марок будет выше, если располагать сканер как можно ближе к маркам. Это объясняется тем, что в данном случае при максимальном угловом разрешении НЛС количество точек на скане, принадлежащих каждой марке, будет больше. С другой стороны, минимально измеряемые расстояния всеми сканерами ограничены. Кроме того, результаты калибровки НЛС показали, что наивысшая точность определения координат центров специальных марок различными

сканерами достигается на разных расстояниях. Поэтому для каждой модели сканера следует устанавливать оптимальное расстояние до марок, исходя из экспериментальных исследований [32].

На основе анализа источников [32] следует, что лазерный сканер необходимо располагать симметрично относительно точек тест-объекта и примерно на одинаковом расстоянии от них, чтобы исключить влияние изменения величины отстояния марок от сканера на точность определения координат точек тест-объекта.

Оптимальная схема расположения наземного лазерного сканера и цифровой неметрической камеры относительно тест-объекта представлена на рис. 143.

Съемка тест-объекта цифровой неметрической камерой. Перед съемкой необходимо обосновать количество съемочных станций и их расположение, чтобы снять весь тестовый объект при минимальном количестве точек фотографирования и обеспечить заданную точность калибровки камеры.

Рис. 143. Расположение наземного лазерного сканера и цифровой камеры при съемке испытательного тест-объекта

Из проведенных исследований 4 выявлено, что при увеличении числа снимков (рис. 144), участвующих в калибровке, точность определения систематических искажений в плоских координатах точек цифрового изображения возрастает пропорционально корню квадратному из отношения (t 1)t 2 (t – число снимков). Следовательно, можно сделать вывод, что

практическая стабильность результатов калибровки наблюдается при числе снимков от 15 до 20. Такое количество снимков можно принять за достаточное и оптимальное.

t

Рис. 144. Влияние числа снимков на точность калибровки

При проведении исследований цифровой неметрической камеры предлагается выполнять съемку тест-объекта с четырех-пяти точек фотографирования, при этом с каждой точки должно быть получено по четырепять снимков.

Для определения координат точек тест-объекта с заданной точностью необходимо задать отстояние камеры от объекта, рассчитанное по формуле:

S	3 x	f ,	(76)
	mx

где mx – средняя квадратическая ошибка определения координат точек тест-объекта по цифровым изображениям в масштабе снимка;

δx – ошибка определения координат точек тест-объекта с использованием НЛС;

f – фокусное расстояние камеры.

Перед съемкой тест-объекта цифровой фотоаппарат жестко крепится на штатив, что позволяет задать фиксированное положение центра фотографирования. Затем производится фотографирование тест-объекта. После этого камера устанавливается на следующую точку и снова выполняется фотографирование.

Определение параметров калибровки камеры и элементов внешнего ориентирования снимков. После окончания наземного лазерного сканирования и фотографирования тест-объекта выполняются следующие работы:

обработка данных, полученных наземным лазерным сканером, с целью определения пространственных координат точек тест-объекта (специальных марок);

измерение координат изображений центров специальных марок на цифровых снимках;

вычисление параметров калибровки съемочной камеры; оценка точности определения параметров калибровки и подготовка

отчета.

Для калибровки камер по снимкам специального тест-объекта используются условия коллинеарности проектирующих лучей 21, 27, 32 :