لیزر اسکنر چیست؟ چطور کار می‌کند؟

با توجه به پیشرفت های روزافزون تجهیزات نقشه برداری در زمینه های مختلف و برای سهولت و دقت هرچه بیشتر در انجام پروژه ها ، استفاده از ابزار و وسایلی (مانند اسکنر لیزری) که این روند را تسریع کند در آینده ضروری است.

به این منظور آشنایی با اسکنر لیزری که یکی از پیشرفته ترین و دقیق ترین تجهیزات نقشه برداری بوده و به سرعت نیز در حال گسترش است، یک امر مهم تلقی می شود زیرا با استفاده از این تکنولوژی می توان در زمان کم، حجم انبوهی از داده را برداشت نمود و به مدل سه بعدی دقیقی دست پیدا کرد.

لیزر اسکنر چیست؟

اسکن لیزری یک تکنولوژی نوین در رشته نقشه برداری می باشد که به علت برداشت حجم بالای اطلاعات در کمترین زمان حجم زیادی از هزینه ها را کاهش می دهد و کاربرد های خاص خود را دارد که در این مقاله به ساختار کلی و کاربرد های آن می پردازیم.

لیزر اسکنر یک total station رباتیک است با این تفاوت که نیازی به رفلکتور برای برداشت نقاط ندارد و با فرستادن اشعه لیزری و با سرعت بسیار بالا می تواند حجم زیادی از نقاط اطراف خود که در برد دستگاه قرار می گیرد را برداشت کند.

ساختار برداشت لیزر اسکنر همانند چشم انسان است یعنی اگر در نقطه ای بایستیم، هر محدوده ای که چشم انسان بتواند ببیند،با لیزر اسکنر نیز قابل برداشت می باشد.

تکنولوژی اسکن سه بعدی یا رقومی کردن آبجکت های فیزیکی از سال 1980 شکوفا شد و تا به امروز مورد استفاده در بسیاری از زمینه های نقشه برداری واقع شده است. نسل امروزِ لیزر اسکنر ها نسبت به نسل اول آن ها پیشرفت چشمگیری در زمینه های مختلف نقشه برداری داشته است.

کلمه LASER مخفف Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation بوده و به معنای تقویت نور با انتشار اشعه برانگیخته یا تقویت شده می باشد.

در این عبارت simulate به معنای تقویت و برانگیختن پرتو های خاص نظیر کربن و … می باشد که این پرتو ها تک طیفی بوده (به همین علت اطلاعات برداشت شده از لیزر اسکنر ها تک رنگ می باشد) و از واگرایی کمتری نسبت به نور مرئی که هفت طیف رنگی دارند، برخوردار می باشد.

تکنولوژی این ابزار به گونه ای است که داده ها را به صورت آنی (real time) و با همان ابعاد واقعی ابجکت برداشت می کند و بعدا در نرم افزار های مربوطه به روش post-process پردازش می شوند.

پس از پردازش ابر نقاط توسط نرم افزار های مربوطه و به کمک مثلث بندی مدل سه بعدی سطح تولید میگردد که برای اهداف خاص مورد استفاده قرار می گیرد.

اساس کار لیزر اسکنر ها به طور کلی بر پایه اندازه گیری طول و زاویه است.

انواع لیزر اسکنر

لیزر اسکنر ها به طور کلی بر اساس ساختار و نوع سیستم اندازه گیری و برد مسافتی ای که دارند کارآیی های مختلفی در زمینه های نقشه برداری داشته و به دسته های مختلفی نیز تبدیل می شوند.

1. انواع لیزر اسکنر بر اساس اساس اندازه گیری فاصله
2. انواع لیزر اسکنر بر اساس زاویه دید

در ادامه به بررسی هرکدام می پردازیم:

1. انواع لیزر اسکنر بر اساس اساس اندازه گیری فاصله

سیستم های فاصله مبنا بر پایه برد و دقت می باشند و برای برداشت ابر نقطه و سپس تولید یک مدل دقیق می بایست به این دوعامل توجه نمود.

بر این اساس برای اندازه گیری فاصله انواع لیزر اسکنر ها با استفاده از یکی از سه روش زیر عمل می کنند:

• محاسبه زمان رفت و برگشت موج منتشر شده

این روش، یک روش متداول در نقشه برداری بوده که اکثر ما با آن آشنایی داریم.

در این روش بر اساس سرعت انتشار نور، فاصله جسم محاسبه می شود. این روش به نسبت دو روش دیگر که در زیر بیان میشود دقت کمتری داشته و معمولا برای کارهای بزرگ مقیاس مورد استفاده قرار می گیرد. برد این روش 1متر تا 6 کیلومتر بسته به نوع دستگاه می باشد.

• روش اندازه گیری اختلاف فاز

این روش بر اساس اختلاف فاز موج فرستاده شده و موج دریافتی عمل میکند (این روش اساس کار اکثر کارهای دورسنجی ماهواره ای می باشد) .برد این روش تا حدود 100 متر است اما طولیابی با استفاده از این روش با دقت چند میلی متر انجام می شود.

• روش مثلث بندی

برد این روش از 0.1 سانتی متر تا 500 سانتی متر بوده و فاصله یابی در آن بر اساس مثلث بندی اپتیکی می باشد. از آن جایی که دقت این روش در حد چند میکرون می باشد اکثرا برای کارهای مستند نگاری تاریخی ومرمت بناهای تاریخی مورد استفاده قرار می گیرد.

همانطور که اشاره شد این روش براساس مثلث بندی اپتیکی بوده و با ارسال یک اشعه نوری و بازگشت آن در دوربین CCD یک مثلث تشکیل می شود و با استفاده از محاسبات مربوطه که خرج از این بحث می باشد فاصله یابی انجام می گردد.

2. انواع لیزر اسکنر ها بر اساس زاویه دید

• زاویه دید دوربینی

در این نوع لیزر اسکنر ها زاویه دید محدود بوده و به اندازه زاویه دید دوربین های عکسبرداری می باشد.

• زاویه دید 360 درجه (پانوراما)

در این نوع لیزر اسکنر ها زاویه دید 360 درجه بوده و قابلیت برداشت کل سطح یک منطقه را دارند.

لازم به ذکر است در این نوع تعداد ایستگاه های استقرار لیزر اسکنر برای برداشت یک منطقه کمتر از نوع اول بوده و سرعت برداشت بیشتر می باشد بر همین اساس لیزر اسکنر های پانوراما نسبت به نوعی که زاویه دید دوربینی دارند ارجحیت دارد.

فرآیند کلی و اساس کار لیزر اسکنر ها:

• ارسال پرتوهای لیزر اسکن از طریق آینه ­های متحرک یا دوران کننده
• بازتاب پرتوهای لیزر از سطح عارضه
• دریافت و ثبت پرتوهای بازگشتی

مراحل برداشت به وسیله لیزر اسکنرها

همانطور که اشاره شد سیستم اسکنر لیزری یک توتال استیشن روباتیک است که نوع پانوراما آن بدون نیاز به تارگت 360 درجه گردش افقی می کند و نقاط را با بردهای متفاوت برداشت می کند.( یکی از برند های دستگاهی که برداشت با آن انجام می شود برند RIEGL است که برد 1200 متر دارد و سرعت برداشت آن 12000 نقطه در ثانیه است. اسکنر لیزری در مناطق تپه ماهور و کوهستانی بسیار کاربردی است، به دلیل دید وسیع حداکثر برد آن قابل استفاده است.)

عملیات برداشت در لیزر اسکنرها به صورت ابر نقاط در هر استقرار انجام میگیرد که پس از برداشت می بایست این ابر نقاط به نحوی به هم متصل شوند.

عملیات یکپارچه سازی (registration)

از آنجایی که معمولا GPS ای بر روی اسکنرهای لیزری مستقر نیست عملیات یکپارچه سازی داده های برداشتی برای لیزر اسکنرهایی به دو روش انجام میشود.

روش اول تارگت مبنا است که در هر استقرار حدود 6 تارگت در اطراف لیزر اسکنر قرار میدیم و با استفاده از GPS و یا توتال استیشن مختصات مراکز این تارگت ها خوانده میشه. تارگت ها انواع مختلفی دارد مثل استوانه ای، کروی و یا برچسپی. در کارهای توپوگرافی معمولا از تارگت استوانه ای استفاده میکنیم.

تارگت ها باید دور تا دور لیزر اسکنر در فاصله 50 تا 150 متری و در سطح ارتفاعی مختلف در نظر گرفته شوند.

در این سیستم هر استقرار تارگت های خاص خودش را دارد که توسط توتال استیشن قرائت میشود و بعد از اتمام برداشت در یک استقرار، دستگاه جابه جا شده و به مکان استقرار بعدی می رویم . در این روش باید ابر نقاط برداشتی با یکدیگر همپوشانی داشته باشند.

در مناطقی که همسطح تر از تپه ماهور است برد دستگاه کاهش پیدا میکند، به این دلیل که سیستم تارگت مبنا سرعت را کند میکند در نتیجه برای افزایش سرعت مجبور هستیم استقرار های بیشتری در فواصل کمتر بزنیم و از روش دیگری (روش قرائت مرکز لیزر اسکنر) استفاده کنیم.

روش دوم که قرائت مرکز لیزر اسکنر می باشد، استقرارهای بیشتری انجام می شود به این صورت که در هر استقرار بعد از انجام اسکن توسط اسکنر فقط مرکز لیزر اسکنر را قرائت میکنیم و در روند یکپارچه سازی با داشتن مراکز لیزر اسکنر (حتی بدون داشتن همپوشانی ابر نقاط) می توان ابر نقاط بدست آمده را یکپارچه نمود.

می توان برای سهولت برداشت مناطق فلت لیزر اسکنر را بر روی وسایل نقلیه باری نظیر وانت پیکاپ مستقر کرد تا در ارتفاع بالاتری از زمین قرار گیرد و منطقه بیشتری را بتواند برداشت کند و همچنین جابه جایی و استقرار آن نیز سریعتر انجام گیرد. باید توجه داشت که هنگام برداشت وسیله نقلیه می بایست کاملا بدون حرکت باشد و لیزر اسکنر به درستی روی آن مستقر باشد.

پروسه اسکن لیزری

پس از اتصال دستگاه به برق به منظور انجام توجیه محور های داخلی دستگاه، برای اینکه دستگاه محور های x، y و z خودش را نسبت به سیستم مختصات خودش توجیه کند و جهت هرکدام از محور ها را مشخص کند عملیات توجیه در درون دستگاه انجام می شود.

(در برند RIEGL همچنین این دستگاه نیاز به تراز کردن ندارد در روش تارگت مبنا تمام المان ها از تارگت گرفته می شود و در روش دوم نیز با استفاده از همپوشانی که بین ابر نقاط است المان ها مشخص می شوند. همچنین لیزر اسکنر 360 درجه در راستای افقی و 80 درجه در راستای قائم چرخش دارد.)

برای روش دوم نیز همانطور که می دانیم در سیستم فتوگرامتری اگر سه استقرار مشترک داشته باشیم تمامی المان ها مشخص می شوند.

با انجام تنظیمات نرم افزاری و زدن گزینه تایید، اسکنر روی نقطه صفر دستگاه قرار گرفته و شروع به برداشت می کند.

در مناطق فلت برد دستگاه بین 300 تا 500 متر کاهش می یابد. در یک استقرار دستگاه حدودا یک دایره به شعاع 1 کیلومتر را می توان برداشت کرد.

بعد از اتمام روند برداشت و در مرحله پس پردازش، مراکز لیزر اسکنر در داخل نرم افزار raiscan به نرم افزار داده می شود و طی پردازش multi process adjustment که پروسه سرشکنی است، ابرنقاط یکپارچه از سطح منطقه ایجاد می شود.

فیلتر پوشش گیاهی در نرم افزار raiscan باعث می شود که پوشش گیاهی منطقه را بتوان حذف نمود.

دقت دستگاه در کاتالوگ 5میلی متر در طول 1 کیلومتر است ولی در کارهای اجرایی و برداشت های توپوگرافی کاملا وابسته به این هستیم که شبکه بنچ مارکی که در منطقه داریم، چه دقتی دارد. چون انتقال سیستم مختصات از local  لیزر اسکنر به سیستم مختصات UTM توسط همین بنچ مارک ها انجام می شود.

تهیه خروجی

پس از اتمام برداشت حجم انبوهی از ابر نقاط در دسترس می باشد که هرکدام مختصات و ارتفاع مخصوص به خود را دارند، در واقع یک مدل سه بعدی مجازی از ابر نقاط در دست داریم که در نرم افزار های مربوطه می توان با استفاده از مثلث بندی یا برازش یک رویه به یک مدل یکپارچه تبدیل کرد.

همچنین از خروجی های بدست آمده از لیزر اسکنر جهت تولید نقشه های توپوگرافی، تولید منحنی های میزان، انجام محاسبات هندسی، تهیه نقشه های مختلف و … استفاده نمود.

قیمت لیزر اسکنر

حدود قیمت مدلهای لیزر اسکنر از 80 هزار دلار شروع می شود.

در این مقاله سعی بر این بود که شما را با تکنولوژی لیرز اسکنر آشنا کنیم. همچنین انواع آن، نحوه برداشت و خروجی های بدست آمده با استفاده از این اسکنر ها به طور کامل توضیح داده شد.

تیم آکادمی مان با برخورداری از تکنولوژی جدید لیزر اسکنر زمینی FARO توانایی برداشت و مدلسازی سه بعدی از بناهای تاریخی، محوطه های شهری و غیر شهری را دارار می باشد. برای کسب اطلاعات بیشتر با ما در ارتباط باشید.