لیزر اسکنر چیست؟ چطور کار می‌کند؟

لیزر اسکنر چیست | لیزر اسکنر یکی از به روز ترین و پیشرفته ترین تجهیزات نقشه برداری است که برای سهولت و دقت بیشتر در اجرای امورات نقشه برداری مورد استفاده قرار می گیرد. لیزر اسکنر به نقشه بردار کمک می کند تا در مدت زمانی بسیار کم، توانایی برداشت اطلاعات زیادی از پروژه را داشته باشد و در نهایت مدل سه بعدی دقیقی را تهیه نماید. با ما تا انتهای این مقاله همراه شوید تا اطلاعات کاملی از لیزر اسکنر به همراه نحوه کارکرد این ابزار را در اختیار شما عزیزان قرار دهیم.

لیزر اسکنر چیست

آشنایی اولیه با لیزر اسکنر

لیزر اسکنر از حدود چهل سال پیش یعنی 1980 میلادی به صورت تخصصی در نسل اول لیزرهای اسکنر زمینی مورد استفاده قرار گرفته و به مرور زمان با پیشرفت تکنولوژی در سالهای اخیر از قابلیت های پیشرفته ای در نقشه برداری برخوردار می باشد.

لیزر اسکنر یک توتال استیشن رباتیک است که با دوربین فتوگرامتری و بدون رفلکتور می تواند در زمانی بسیار کم با سرعت بسیار بالا تمامی نقاط اطراف خود را برداشت و ثبت نماید. اگر بخواهیم به زبان ساده تر ساختار عملکردی لیزر اسکنر را بیان کنیم می توان گفت که لیزر اسکنر عملکردی همچون چشم انسان را داراست و هر منظره و شی را که چشم انسان قادر به دیدن آن می باشد توسط دستگاه اسکنر لیزری قابلیت برداشت را خواهد داشت.

لیزر اسکنر همانند دوربین های نقشه برداری برای سنجش طول و زاویه مورد استفاده قرار می گیرد و با توجه تکنولوژی خاصی که در این دستگاه وجود دارد به راحتی می توان بدون نیاز به رفلکتور، تنها با ارسال اشعه لیزری اطلاعات انبوهی از ابر نقاط محدوده دستگاه به صورت آنی با ابعاد واقعی اشیاء را برداشت کرد.

با انتقال اطلاعات برداشت شده و انتقال آن به نرم افزارهای حرفه ای نقشه برداری (RiSCANPRO، PHIDIAS و…) با متد post-process کار پردازش آن را انجام داد و بعد از اینکه پردازش ابر نقاط به اتمام رسید، می توان توسط مثلث بندی به ترسیم مدل سه بعدی سطح پرداخت تا در موارد خاص به اهداف مورد نظر رسید

همچنین ببینید:‌ معرفی اسکنر تریمبل SX10

انواع لیزر اسکنر چیست؟

لیزر اسکنر در ابتدا در دو دسته کلی هوایی و زمینی دسته بندی می شوند و سپس با توجه به نوع ساختار و طول برد مسافت و سیستم سنجشی که دارند به دو دسته ذیل تقسیم می شوند که هر کدام دارای کاربردها و مزایای منحصر به فردی هستند که عبارتند از:

• لیزر اسکنر بر اساس سنجش برد
• لیزر اسکنر بر اساس زاویه دید

لیزر اسکنرهای زمینی با توجه به نوع ساختار آنها و برد مسافتی و سیستم سنجشی که دارند از سنجش زاویه و طول متشکل می شود که نحوه کار آنها در سه مرحله انجام می شود در مرحله اول اشعه های لیزر توسط دوران کننده ها یا آینه های متحرک ارسال می شود و در مرحله دوم اشعه های لیزر از سطح آبجکت بازتاب دارند و در مرحله سوم اشعه های بازتابی به دستگاه بر می گردند و پس از دریافت این اشعه ها در حافظه دستگاه ثبت می شوند. در ادامه هر یک از این دو دسته را با جزییات بیشتری مورد بررسی قرار می دهیم با ما همراه باشید.

انواع لیزر اسکنر بر اساس متد سنجش برد

در این متد تمرکز اصلی روی دقت سنجش برد یا فاصله است و برای این منظور نیاز به تولید ابر نقاط دقیق از کلیه سطوح آبجکت خواهیم داشت که باید دارای دو ویژگی وضوح مکانی و دقت بُعد لیزر اسکن مد نظر باشد که به همین خاطر از سه فناوری پیشرفته ذیل استفاده می شود.

1. Time of Flight یا سنجش مدت زمان رفت و برگشتی موج انتشار یافته
2.  Phase Comparisonیا  سنجش اختلاف فاز
3. Triangulation یا سنجش به روش مثلث بندی

در ادامه هر سه فناوری را برای درک بهتر شما دوست عزیز با جزییات بیشتری مورد بررسی قرار خواهیم داد.

1. Time of Flightیا سنجش مدت زمان رفت و برگشتی موج

اصل زمان پرواز از ابتدایی ترین اصول سیستم سنجش در لیزر اسکنرها به شمار می آید. سنسورهای سنجش در این فناوری مسافت های زیادی را تحت پوشش خود، از 2 متر تا 100 قرار می دهند که بیشتر در آثار و بناهای تاریخی مورد استفاده قرار می گیرند.

در این روش با توجه به سرعت نور که مقدار ثابتی است با ارسال اشعه لیزر به آبجکت و بازتاب آن فاصله دستگاه اسکنر تا آبجکت مورد نظر اندازه گیری می شود و بدین ترتیب اندازه گیری فاصله محاسبه می شود.

2.Phase Comparison یا  سنجش اختلاف فاز

علاوه بر اصل زمان پرواز از فناوری اندازه گیری اختلاف فاز برای فواصل میانی که برد آنها محدود به 100 متر می باشد، استفاده می شود. در این روش مطابق با اختلاف فاز موج ارسال شده و دریافت شده طول یابی محاسبه می شود.

3. Triangulationیا سنجش به روش مثلث بندی

روش مثلث بندی برای سنجش بردهای کوتاه از 1 سانتی متر تا 500 سانتی متر مورد استفاده قرار می گیرند چرا که از دقت بسیار بالایی این روش برخوردار است. لیزر اسکنرها از روش مثلث بندی اپتیکی بهره مند هستند و این قابلیت باعث می شود که دقت برداشت نقاط در حد چند میکرومتر باشد.

نحوه کار در این روش بدین صورت است که آبجکت مورد نظر توسط یک دوربین سی سی دی دیده شده و با اشعه لیزر توسط منبع نور، هدف قرار داده می شود بین نقطه نور و نقطه نور روی سطح منبع نور و نقطه ای که در دوربین سی سی دی تصویر شده است یک مثلث تشکیل می شود و بدین وسیله برد اندازه گیری می شود. از این روش به صورت تخصصی در آثار و اشیاء تاریحی استفاده می شود چرا که اساس کار در این روش برای سوژه های کوچک می باشد اگر سوژه مورد نظر شما بزرگ است باید از اسکنرهای لیزر time of flight یا سنجش مدت زمان رفت و برگشتی موج که در بالا توضیح دادیم استفاده نمایید.

تا به اینجای مطلب با دسته اول لیزر اسکنرها آشنا شدید، اما در ادامه به بررسی لیزر اسکنرها بر اساس متد زاویه دید می پردازیم.

انواع لیزر اسکنر بر اساس متد زاویه دید

در این نوع لیزر اسکنرها دسته بندی بر اساس زاویه دید است که به صورت کلی از دو روش میدان دید دوربینی و میدان دید پانوراما یا دید 360 درجه ای استفاده می شود.

در اسکنر بر اساس روش میدان دید دوربینی قابلیت میدان دید با زاویه بسیار محدودتری نسبت به میدان دید پانوراما است که همین امر باعث می شود که برداشت های مناسبی از محیط نتوان انجام داد اما در میدان دید پانوراما به دلیل 360 درجه ای بودن میدان دید می توان برداشت های مناسبی از داخل تونل، اتاق ها و… را به صورت کره ای تهیه نمود.

دستگاه های لیزر اسکنر مجهز به میدان دید پانوراما به دلیل قابلیت 360 درجه ای بودن نیاز به ایستگاه های مستقر خواهند داشت و به نسبت میدان دید دوربینی، برداشت و ثبت داده ها به دقت بالاتر و در مدت زمان کمتری انجام شود به همین خاطر استفاده از میدان دید پانوراما توصیه می شود.

مزایای لیزر اسکنر چیست؟

تا به اینجای مطلب آشنایی نسبی با لیزر اسکنر پیدا کرده اید و پاسخ لیزر اسکنر چیست را دریافت کردید اما در این بخش می خواهیم به مزایای لیزر اسکنر بپردازیم.

1. لیزر اسکنر در زمان کوتاهی قادر خواهد بود تا بتوان مختصات میلیون ها نقطه را برداشت کرد. از جمله مزایای لیزر اسکنر سرعت بالا در برداشت ابر نقاط و کاستن از حجم عملیات میدانی می توان اشاره کرد، چرا که از مهم ترین برتری های اسکنر سه بعدی به دوربین نقشه برداری، داشتن سرعت بالا در برداشت داده و فواصل شبکه نقاط یا Grid دانست.
2. تکنیک های مبتنی بر عکس مکانیزم بسیار آسانی برای دریافت داده به همراه دارد اما این تکنیک ها برای ثبت داده سطوح پیچیده دارای محدودیت می باشد اما در لیزر اسکنر اینطور نیست و هیچگونه محدودیتی در استفاده از این روش وجود ندارد چرا که به دلیل داشتن حجم بالای نقاط قابلیت مختصات سه بعدی را ایجاد می کند و نسبت به روش فتوگرامتری، خروجی بهتری را شاهد خواهیم بود .
3. لیزر اسکنر بدون نیاز به سایه یا کنتراست روشنایی می تواند در تاریکی و نور کم نیز به کار گرفته شود.
4. لیزر اسکنر هم به صورت مجزا و هم در کنار سایر تجهیزات نقشه برداری می تواند مثمر ثمر واقع شود و رسیدن به هدف نهایی را برای پروژه مورد نظر ایجاد نماید.

معایب لیزر اسکنر چیست؟

لیزر اسکنر همانند سایر تجهیزات پیشرفته دارای یکسری نقاط ضعف و عیب می باشد که در ادامه با هم آنها را مورد بررسی قرار خواهیم داد.

1. لیزر اسکنر برای مدل کردن سطوح نرم و مجسمه ها به دلیل داشتن اطلاعات متریک بسیار موثر عمل می کند، اما در برخی شرایط برای برداشت و شناسایی داده های لبه های تیز و خطوط متقاطع دچار ضعف می گردد و برای نمایش صحیح معماری عملکرد ضعیفی از خود نشان می دهد در واقع یکی از معایب لیزر اسکنر خطای برداشت لبه هاست.
2. لیزر اسکنر به دلیل در دسترس نبودن داده های معنایی در مدل ابر نقطه روند تفسیر شیء را مختل می کند چرا که اشعه لیزر قابلیت تشخیص رنگ سطوح برداشت شده را ندارد و به همین خاطر در این شرایط مدل ابر نقطه تهیه شده بی رنگ می باشد.
3. یکی دیگر از عواملی که روی کیفیت لیزر اسکنرها تاثیر می گذارد ویژگی بازتابشی سطح شیء مورد نظر است برای مثال اگر سطح براق یا شفاف باشد مانند سنگ مرمر، شیشه، طلا و… لیزر به خوبی نمی تواند بازتاب داشته باشد و نتیجه کار داده های غیر صحیح خواهد بود.
4. یکی دیگر از معایب لیزر اسکنر بازتابش غلط به خاطر مرطوب بودن سطح آبجکت می باشد به همین خاطر حتی الامکان در زمان بارندگی و بارش برف و… از اسکن کردن باید صرف نظر کرد چرا که بازتابش امواج لیزر اتفاق نمی افتد.

گام به گام تهیه مدل 3 بعدی با لیزر اسکنر

تهیه مدل 3 بعدی با لیزر اسکنر نیاز به 3 گام زیر دارد که عبارتند از:

• عملیات برداشت زمینی
• عملیات Registration یا یکپارچه سازی و ویرایش
• تهیه خروجی

با سه گام تهیه مدل سه بعدی به وسیله لیزر اسکنر آشنا شدید در ادامه هر یک از این گام ها را با جزییات بیشتری توضیح خواهیم داد.

1. عملیات برداشت زمینی

در مرحله اول باید دستگاه را مستقر کرد و سپس برداشت نقاط را در دستور کار قرار داد به همین منظور باید شبکه برداشت نقاط به صورتی طراحی و اجرا شود که هر یک از بخش های مورد نظر با یک یا چند ایستگاه قابل دیدن باشد.

برای اینکه امکان انجام عملیات یکپارچه سازی و ویرایش برداشت ها وجود داشته باشد لازم است در هر استقرار عارضه هایی از دیگر استقرارها قابل دیدن و برداشت باشد که این کار را می توان به شکل مصنوعی و هدفمند در مکان مناسب انجام داد، چرا که در عملیات برداشت زمینی باید ابر نقطه ها در هر استقرار انجام شده و سپس این ابر نقاط به هم اتصال پیدا نمایند.

1. عملیات Registration یا یکپارچه سازی و ویرایش

پس از انجام عملیات برداشت، مجموعه بسیار زیادی از ابر نقاط به صورت مجزا تهیه می شود که با تلفیق ابر نقطه ها نسبت به هم باعث یکپارچگی می شوند. یکی از ابر نقطه ها به عنوان مرجع در نظر گرفته شده و ابر نقطه استقرار دیگر به آن اتصال می باید و با متصل شدن دو ابر نقطه به یکدیگر بدون نیاز به مختصات دو استقرار با داشتن سه ابر نقطه به صورت همزمان قابل انجام است و این مکانیزم در نرم افزار مربوطه با توجه به توانایی های نرم افزار برای دو یا چند ابر نقطه قابل انجام است.

در صورتی که در یک سیستم مختصات، موقعیت استقرارها مشخص باشد بدون نیاز به نقاط مشترکی که برداشت شده اند می توان کار یکپارچه سازی را انجام داد. بعد از اینکه تلفیق داده ها باید دستخوش ویرایش شوند چرا که در گام ویرایش باید داده های اضافی حذف شده و داده ها به سیستم مختصات مورد نیاز منتقل شوند با این کار از حجم داده ها کاسته شده و از بروز خطا در موقع ساخت سطوح جلوگیری کرد.

بعد از اتمام مراحل اسکن، یک مرحله بسیار مهم قبل از تولید مدل سه بعدی وجود دارد و آن هم تولید شبکه می باشد چرا مراحل اسکن کردن مدل ابر نقطه به صورت پیچیده و متراکم خواهد بود به همین خاطر باید همانند تکمیل کردن قطعات یک پازل عمل کرد، برخی مثلث ها گم یا سوراخ می شوند و در این شرایط امکان از بین رفتن اطلاعات وجود خواهد داشت در حالی که اسکن به صورت کامل و با دقت بالا انجام شده است.

دلیل این موضوع به خاطر عدم دست یابی اشعه لیزر به منطقه برش خورده از شیء است و این موضوع جز جدایی ناپذیر می باشد که راه حل این مسئله تهیه عکس های رنگی دیجیتال است تا به سطح مدل سه بعدی آن را تعمیم داد.

2. تهیه خروجی

بعد از اینکه گام اول و دوم یعنی برداشت نقاط با حجم بالا و یکپارچه سازی ابر نقاط با دقت بالا انجام شد مدل 3 بعدی ساختمان یا بنا آماده خواهد بود و در این حالت می توان تمامی مدل سازی ها و سنجش های مورد نیاز را روی آن اعمال کرد.

شایان ذکر است که مدل سازی در این شرایط، شامل تهیه منحنی میزان، مثلث بندی، تهیه مقاطع در موقعیت ها و زوایای مختلف و… خواهد بود

کاربرد لیزر اسکنر در تهیه DTM یا مدل رقومی زمین

با توجه به اینکه نمایش بعد سوم مختصات علاوه بر اهمیت زیاد آن، دارای دشواری های خاصی در زمان نمایش آن روی کاغذ یا مانیتور است به همین خاطر اغلب مهندسان نقشه برداری دنبال راهی بودند تا ارتفاعات نقشه را به خوبی نشان دهند که از روش های مختلفی همچون سایه روشن، هاشور، اعداد ارتفاعی و… استفاده می کردند.

از جمله کاربرد لیزر اسکنر در پروژه های عمرانی می توان به تهیه مدل رقومی زمین یا DTM می توان اشاره کرد. با استفاده از لیزر اسکنر می توان نقاط را به صورت مستقیم برداشت کرد بدین صورت که اشعه لیزر را با زاویه خاصی به طرف آبجکت مورد نظر ارسال می گردد و تعداد اشعه های برگشتی و ابر نقاط ثبت شده به حدی است که در محیط نرم افزاری سیویل تری دی  قابل نمایش است.

سخن پایانی

در این مطلب به بررسی کامل لیزر اسکنر پرداختیم تا شما درک بهتری از این دستگاه بسیار کارامد در حوزه نقشه برداری پیدا نمایید و مباحث بسیار مهمی از جمله تعریف اولیه از دستگاه لیزر اسکنر، انواع لیزر اسکنر، مزایا و معایب آن به همراه گام به گام تهیه مدل 3 بعدی با استفاده از لیزر را به صورت کامل توضیح دادیم.

در پایان خوشحال خواهیم شد نظرات، سوالات و تجارب خود را درباره لیرز اسکنر در قسمت نظرات با ما و دیگر دوستانتان به اشتراک بگذارید شاد و پیروز باشید.