لیزر اسکنرهای زمینی

تکنولوژی اسکن سه بعدی و یا رقومی کردن آبجکت های فیزیکی از سال های ۱۹۸۰ در دسترس است. از زمان توسعه نسل اول لیزر اسکنرهای زمینی، این تکنولوژی در طی توسعه پیوسته محصولات دستخوش تغییراتی شده و در بسیاری از زمینه های نقشه برداری رشد و توسعه پیدا کرد.

شورای تحقیقات ملی کانادا NRCC در بین اولین استفاده کنندگان لیزر اسکن جهت ثبت میراث فرهنگی است.

NRCC = The National Research Council of Canada

کاربرد لیزر اسکن می تواند از نمایش یک سرتاسر یک سایت تاریخی به وسیله لیدار هوایی تا آنالیز دقیق و با دقت زیر میلیمتر یک شئ باستانی با استفاده از اسکنرهای برد کوتاه مبتنی بر مثلث بندی را شامل شود. امروزه اسکنر ها به طور گسترده ای در برداشت و نقشه برداری معماری، باستان شناسی و زیست محیطی مورد استفاده قرار می گیرند. با قابلیت ضبط خودکار داده ها، این ابزار چشم اندازی جدید را در نقشه برداری و برآوردن نیازهای این علم به وجود آورده است.

این فن­آوری جدید مکملی برای روش های سنتی و قدیمی تر به شمار آمده و با بکارگیری آن می­توان روش های قدیمی را با سرعت و دقت بیشتری انجام داد.

لیزر اسکنینگ مرکب از جمع آوری و گرفتن داده ها با سرعت بالا از سطوح پیچیده و محیط های خارج از دسترسی ما  به صورت کاملا خودکار می باشد. لیزر اسکنرها در واقع همان توتال استیشن های سابق هستند. این ابزار میدان دیدی شبیه به چشم انسان دارند. منشور نیاز ندارند. برداشت اطلاعات را با سرعت بالایی انجام می دهند. قابلیت این را دارند که با رایانه کنترل شوند. همچنین قابلیت اتصال به GPS را دارند.

این ابزارها به عنوان فن­آوری نسبتاً جدید در زمینه نقشه برداری، روز­ به روز در حال توسعه و پیشرفت بوده و برای جمع آوری اطلاعات زمینی به کار می روند. این سیستم ها اطلاعات را به صورت آنی (Real-Time) و با مقیاس حقیقی جمع آوری می کنند. این خصوصیت در مورد مدل­سازی اشیاء پیچیده بسیار حائز اهمیت است، از این جهت که می­توان تمام جزئیات شیء مورد نظر را به نحو احسن برداشت نمود.

اسکنر لیزری در واقع یک توتال استیشن رباتیک است که بدون نیاز به رفلکتور که با سرعتی بالا و باور نکردنی نقاط محیط اطراف خود را برداشت نموده و به کامپیوترهدایت کند. در سیستم های لیزر اسکنر همانند توتال استیشن های لیزری عمل طول­یابی بدون استفاده از رفلکتور و به صورت شبکه ای منظم انجام می شود.

اساس کار اسکنر لیزری نیز مانند دوربین های نقشه برداری اندازه گیری دو عنصر طول و زاویه است.

 لیزر اسکنرهای سه بعدی امروزه پیشرفته ترین فناوری موجود را برای اندازه گیری و برداشت اشیاء ارائه می دهند. در مقایسه با فتوگرامتری، لیزر اسکن های سه بعدی مستقیما تعداد زیادی نقطه را تولید می کنند. مدل ابر نقطه که به وسیله لیزر اسکنرهای سه بعدی تولید می شود، مجموعه غنی اطلاعاتی و همچنین یک نقطه شروع برای بسیاری از فعالیت­ها است. (۲)

ابر نقطه به وجود آمده می تواند برای ترسیم نقشه – با استفاده از مثلث بندی نقاط – و همچنین تولید مدل سه بعدی سطوح مورد استفاده قرار گیرد. این مدل به طور کلی در بسیاری از برنامه های کاربردی سه بعدی قابل استفاده نیست، بنابراین معمولا آن را از طریق یک فرآیند مهندسی معکوس به مدل مش مثلثی و یا مدل­های CAD تبدیل می کنند به طوری این مدل ها بتوانند برای اهداف مختلفی مورد استفاده قرار گیرند.

Reverse Engineering = مهندسی معکوس

در واقع، لیزر اسکنرها می توانند بسیاری از نیازهای کاربرانی را که در حفاظت سایت های تاریخی درگیر هستند؛ پوشش دهد. زیرا این ابزار می توانند به طور مستقیم برای مدل سازی سه بعدی و اندازه گیری نقطه به نقطه  استفاده شده و پاسخگوی کاربردهای آینده نیز باشند؛ گویی که کاربر به طور فیزیکی در سایت حضور داشته است.

هدف استفاده از لیزر اسکنر منحصرا ایجاد ابر نقطه ای از عارضه مورد نظر نمی باشد؛ بلکه ویرایش اطلاعات جمع آوری شده، مدل سازی شیء مورد نظر و همچنین انجام آنالیزها و استخراج اطلاعات هندسی را نیز شامل می شود.

دسته بندی لیزر اسکنرها

لیزر اسکنر­های زمینی با در نظر گرفتن نوع ساختمان آن ها، سیستم اندازه گیری آن ها، دقت و برد مسافت متغیر هستند. به طور کلی یک سیستم لیزری سه بعدی از اجزای اندازه گیری زاویه و طول تشکیل شده است.

فرآیند کار در لیزر اسکنرها عموما از سه مرحله تشکیل شده می شود:

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

 

انواع لیزر اسکنرها بر اساس روش اندازه گیری فاصله

سیستم اندازه گیری  فاصله به برد (فاصله) و دقت حاصله از سیستم بستگی دارد. به منظور تولید یک مدل ابر نقطه دقیق از تمامی سطوح جسم، باید دو عامل مهم دقت بعد و وضوح مکانی لیزر اسکن مد نظر قرار گیرند.

در این راستا سه تکنولوژی برای اندازه گیری فاصله با لیزر اسکنرها مورد استفاده قرار می گیرد.

• محاسبه زمان رفت و برگشت موج (time of flight):

امروزه متداول ترین نوع سیستم اندازه گیری برای لیزر اسکنرها، اصل زمان پرواز می باشد. این سنسورها در مسافت های طولانی­تری کار می­کنند ( به عنوان مثال ۱۰۰-۲ متر)، اما دقت کمتری نسبت به سیستم­های مثلث­بندی دارند. سنسورهای تاخیر زمانی برای اشیائ بزرگ، به عنوان مثال سایت­های باستانی و بناهای معماری استفاده می شوند. این سیستم زمانی را که نور نیاز دارد که منبع لیزر منتشر شده، به جسم رسیده و بازگردد اندازه گیری می­کند. با در نظر گرفتن سرعت ثابت نور، فاصله تا جسم محاسبه می شود.

 

• روش اندازه گیری اختلاف فاز (phase comparison)

در کنار اصل زمان پرواز روش فاز نیز دومین روش معمول برای بردها و فواصل میانی می باشد. برد اندازه گیری در این روش به ۱۰۰ متر محدود می شود. در این حالت می توان به دقت چند میلی متر در اندازه گیری فواصل دست یافت.

• مثلث بندی (triangulation)

سیستم های مبتنی بر مثلث بندی در مسافت های کوتاه کار می کنند (بین ۱/۰ تا ۵۰۰ سانتیمتر) و می توانند به دقت بالایی برسند. روش اندازه گیری فاصله در این نوع لیزر اسکنرها، مثلث بندی اپتیکی می باشد. با این فن می توان به دقت هایی در حدود چند میکرومتر دست یافت. شئ مورد نظر که به وسیله یک دوربین CCD دیده می شود، با یک پرتو نور مورد هدف قرار می گیرد. یک مثلث با استفاده از نقطه منبع نور، نقطه نوری روی سطح آبجکت و نقطه تصویر شده در دوربین CCD تشکیل می شود. لیزر اسکنر­هایی با برد کوتاه در زمینه های بسیار متفاوتی کاربرد دارند؛ اما اصلی ترین کاربرد آن ها در مستند­سازی بنا­ها و اشیاء تاریخی است.

Optical Triangulation = مثلث بندی اپتیکی

در اینجا لازم است به این نکته اشاره شود که اسکنرهایی که بر پایه مثلث بندی کاری می کنند بیشتر برای برداشت سوژه های کوچک و اسکنرهای Time Of Flight بیشتر برای سوژه ها بزرگ مفید هستند.

انواع لیزر اسکنرها بر اساس زاویه دید

لیزر اسکنر­های سه بعدی بر اساس زاویه دید طبقه بندی متفاوتی دارند. عموما دو نوع زاویه میدان دید در این زمینه شناخته شده است:

• میدان دید دوربینی
• میدان دید ۳۶۰ درجه یا پانوراما

زاویه میدان دید دوربینی اشاره بر میدان دید با زاویه محدودی دارد که در دوربین عکس­برداری نیز استفاده می شود. لیزر اسکنر­هایی که دارای میدان دید پانوراما هستند (مانند Riegl و Lieca) قابلیت چرخش ۳۶۰ درجه و برداشت کامل محیط اطراف را دارند. با استفاده از لیزر اسکنر­های پانوراما می توان برداشت های مناسبی را از داخل اتاق ها، تونل ها و … تهیه کرد. به عنوان مثال این نوع از لیزر اسکنرها قادر هستند که تمام فضای داخل اتاق را مانند کره ای برداشت کنند.

دستگاه های دید پانوراما به این دلیل که به تعداد ایستگاه های استقرار کمتر نیاز دارند و ثبت و برداشت اطلاعات راحت تر و دقیق تر صورت می­پذیرد، نسبت به دستگاه های دید دوربینی ارجحیت دارند.

مراحل تهیه مدل سه بعدی از داده های لیزر اسکنر

تهیه مدل سه بعدی توسط اسکنر لیزری سه بعدی دارای سه مرحله اصلی می باشد.

برداشت زمینی

در این مرحله با استقرار دستگاه در محل های مورد نظر نسبت به جمع آوری اطلاعات (برداشت نقاط) اقدام می شود. بدین منظور، لازم است شبکه نقاط برداشت به گونه ای طراحی شود که هر قسمت از بنا، حداقل از یک استقرار قابل مشاهده باشد. همچنین لازم است به منظور امکان یکپارچه سازی برداشت ها از استقرارهای مختلف، در هر استقرار، عوارضی از دیگر استقرارها نیز مشاهده و برداشت شوند. (این عوارض می توانند به صورت مصنوعی و با استفاده از تارگت در محل مناسب ایجاد شوند.)

یکپارچه سازی و ویرایش

پس از تکمیل عملیات برداشت، مجموعه ای از ابرهای نقاط به صورت منفرد به دست می آید که لازم است برای داشتن ابر نقاط یکپارچه از کل یک بنا، این ابرهای نقاط با یکدیگر تلفیق شوند. برای تلفیق دو به دوی ابرهای نقاط، یکی از ابرهای نقاط به عنوان پایه در نظر گرفته می شود و ابر نقطه استقرار دیگر به آن متصل می شود. اتصال دو ابر نقطه به یکدیگر بدون نیاز به اطلاعات تکمیلی (مانند مختصات دو استقرار) قابل انجام است و صرفاً با داشتن حداقل سه نقطه مشترک (بر روی عوارض برداشت شده یا تارگت) قابل انجام است. به عبارتی سیستم مختصات ابرنقطه مبنا به عنوان سیستم مختصات مبنا انتخاب می شود و دومین ابر نقطه با نقاط مشترک به سیستم مختصات ابرنقطه مبنا برده می شود. این فرایند با توجه به قابلیت نرم افزار مورد استفاده، می تواند برای دو یا چند ابرنقطه مختلف به طور همزمان انجام شود. همچنین در صورتی که موقعیت استقرارها در یک سیستم مختصات مشخص باشد، می توان بدون نقاط مشترک برداشت شده نیز یکپارچه سازی را انجام داد. پس از تلفیق اطلاعات بایستی ویرایش شوند. ویرایش دارای دو بخش عمده می باشد: حذف اطلاعات اضافه و انتقال اطلاعات به سیستم مختصات مورد نیاز. در برداشت عوارض توسط دستگاه اسکنر لیزری، با توجه به برداشت اتوماتیک نقاط، تقریباً در تمامی برداشتها اطلاعات اضافه نیز برداشت می شوند که علاوه بر افزایش حجم داده ها، در مواردی ممکن است باعث ایجاد خطا در زمان ساخت سطوح ایجاد نماید. بنابراین لازم است قبل از هرگونه پردازشی برروی داده ها، این نقاط اضافه حذف شوند. با توجه به اینکه برداشت در سیستم مختصات داخلی دستگاه انجام می شود، در مرحله ویرایش اطلاعات بایستی تبدیل سیستم مختصات انجام شود. برای این کار نیز نیازی به دانستن مختصات ایستگاههای برداشت نمی باشد و صرفاً با دانستن مختصات تعدادی از نقاط (حداقل دو نقطه) عمل تبدیل سیستم مختصات انجام می شود.

پس از کامل شدن فرآیند اسکن، یک گام مهم پیش از تولید مدل سه بعدی آبجکت باقی می ماند و آن تولید شبکه است. فرایند اسکن کردن یک مدل ابر نقطه متراکم و نا­منظم است. عملیات ایجاد یک مدل از این حجم نقاط شبیه به پازل پیچیده­ای از “نقاط را به هم متصل کن” که در آن نقاط باید برای خلق یک شبکه چند ضلعی به یکیدیگر متصل شوند. بعد از انجام این کار، شبکه چند ضلعی نقص های متعددی همچون مثلث های گم شده  و یا سوراخ دارد. علی رغم اسکنیگ کامل و دقیق، داده ها ممکن است از دست بروند. این مسئله به دلیل حرکت خطی مستقیم اشعه لیزر و عدم توانایی آن در دست یابی به منطق برش یافته از آبجکت اجتناب نا­پذیر است. اطلاعات بافت و رنگ آبجکت اسکن شده باید در فرآیندی جداگانه به مدل سه بعدی اعمال شود. به این منظور باید تصاویر رنگی دیجیتال را تهیه کرده و به سطح مدل سه بعدی اختصاص داد.

 تهیه خروجی های مورد نیاز

پس از برداشت نقاط با تراکم مورد نیاز و یکپارچه سازی ابرهای نقاط ، مدل سه بعدی مجازی بنا کاملاً در دسترس استو می توان کلیه مدل سازی ها و اندازه گیری های مورد نیاز را بر روی آن ها انجام داد. این مدلسازی ها می توانند شامل مثلث بندی و برازش رویه به سطوح، تهیه منحنی میزان، تهیه مقاطع در زوایا و موقعیت های مختلف، تهیه نقشه های بافت و جنس سطوح و … باشند.

مزایا و معایب استفاده از لیزر اسکنرها

مزایای استفاده از لیزر اسکنر

در این بخش برتری ها و مزایای استفاده از لیزر اسکنر مورد بررسی قرار می گیرد:

لیزر اسکنر در مدت زمان بسیار کوتاهی قادر به برداشت میلیون ها نقطه است. بنابراین مهمترین برتری این ابزار سرعت بالای آن در برداشت نقاط و کاهش دادن حجم عملیات میدانی است. برتری عمده سیستم های لیزری سه بعدی نسبت به دوربین های نقشه برداری در نقطه نظر سرعت بالای برداشت اطلاعات و دانسیته نقاط و یا فواصل شبکه نقاط (Grid) برداشت شده است.

• با اینکه تکنیک های مبتنی بر عکس فرآیند بسیار ساده ای برای کسب اطلاعات دارد اما این روش ها در ثبت اطلاعات سطوح پیچیده محدودیت دارند. در مقابل، شکل سطوح محدودیتی را در روش لیزر اسکن موجب نمی شود. در واقع به دلیل تراکم بسیار بالای نقاط و قابلیت آن برای ارائه مختصات سه بعدی واقعی، لیزر اسکنرها احتمالا نتایج بهتری را نسبت به فتوگرامتری برای برداشت اشیاء و سوژه های نامتقارن، با فرم آزاد، سطوح نامنظم، ساختمان های بزرگ با جزییات زیاد و پیچیده از لحاظ تعداد منحنی ها و برآمدگی ها مانند بخش هایی از یک اسکلت و یا غار به دست خواهند داد. همچنین تکنولوژی لیزر اسکنرهای سه بعدی به ویژه برای ثبت مناظر به ویژه هنگامی که ایجاد فهرست های دقیق لازم است به سرعت انجام شود؛ بسیار مناسب است. مستند­نگاری این نوع سوژه ها به وسیله تکنیک های گرافیکی و عکس محور بسیار دشوار است.
• لیزر اسکنر در تاریکی و نور کم نیز می تواند مورد استفاده قرار می گیرد و از سایه ها یا کنتراست روشنایی اثر نمی پذیرد.
• این ابزار می تواند به تنهایی و یا در ترکیب با دیگر روش های نقشه برداری جهت نیل به اهداف مختلف مورد استفاده قرار گیرد.

معایب و مشکلات استفاده از لیزر اسکن

در این قسمت مشکلاتی که در استفاده از اسکنرهای لیزری با آن ها مواجه هستیم، پرداخته شده است:

• در حالی که اطلاعات متریک اسکنرهای لیزری به ویژه در برداشت و مدل کردن مجسمه ها و سطوح نرم مؤثر است، این ابزار در برخی از مواقع در شناسایی و گرفتن اطلاعات لبه های تیز و خطوط متقاطع که برای نمایش صحیح معماری بسیار ضروری هستند، ضعیف عمل می کند.

خطای برداشت لبه ها از مهم ترین مسائل و مشکلاتی است که امروزه در کار با لیزر اسکنرهای مورد بحث و بررسی فراوان قرار گرفته است. زمانی که لکه لیزر به سطح دارای لبه برخورد می کند، دو حالت اتفاق می افتد: اول آنکه، ممکن است کلاً لبه جا بیفتد و لکه لیزر در یکی از دو طرف لبه با سطح برخورد نماید. دوم آنکه، ممکن است بخشی از لکه لیزر به یک طرف لبه و بخشی دیگر به طرف دیگر لبه با سطحی با جنس یا عمق متفاوت برخورد کرده و از آن برگشت داده شود، که در این صورت میانگین وزن دار به عنوان فاصله لیزراسکن تا لبه اختیار م شود که دقیق نیز نخواهد بود این تأثیر بسیار حائز اهمیت ­است و می­تواند منجر به بروز داده­های اشتباه و سطوح کاذب در این قسمت ها بشود. با توجه به این امر، استقرار اضافی برای مشخص شدن محل نویزها و استفاده از داده های فتوگرامتری برای تعیین موقعیت دقیق لبه ها و حذف داده های اشتباه و نویزها می بایست مد نظر قرار گیرد.

• همچنین فقدان اطلاعات معنایی در مدل ابر نقطه لیزر اسکن تفسیر آبجکت را مشکل می کند.

اشعه لیزر نمی تواند رنگ سطوح برداشت شده را تشخیص دهد. در نتیجه، مدل ابر نقطه به دست آمده از لیزر اسکن بی رنگ است. امروزه لیزر اسکنرها (به عنوان مثال اسکنرهای VI-700™) به دوربین های دیجیتال مجهز هستند تا بتوانند به طور همزمان اطلاعات بافت و رنگ آبجکت برداشت شده را اخذ کنند، اما وضوح و رزولیشن این تصاویر اغلب بسیار کمتر از حدی است که بتواند مفید واقع شود.

بنابراین علاوه بر اطلاعات هندسی که به وسیله حسگرهای فعال به دست می آید، تصاویر دیجیتال (که عموما به طور جدا گرفته می شوند) نیز باید جهت اختصاص بافت و به دست آوردن مدل واقعی استفاده شود. بنابراین برای پردازش های بیشتر روی اطلاعات جمع آوری شده بهتر است که دستگاه لیزر اسکن را به دوربین عکسبرداری دیجیتال مجهز کنیم.

اما پیش نیازهایی برای متصل کردن ارزش RGB به ارزش دیجیتال وجود دارد که باید رعایت شوند. اولین کار این است که تصویر دیجیتال باید عاری از هرگونه انحراف لنز باشد. اعوجاج قابل توجه و ناسازگاری های موضعی ممکن است هنگام اعمال یک تصویر استاندارد بر روی کل مدل یک آبجکت پیچیده  مشکلاتی را به وجود می آورد. به خصوص لنزهای زاویه گسترده، منجر به ایجاد اعوجاج شعاعی می شوند به طوری که یک خط راست مستقیم به نظر نمی رسد. موقعیت، جهت گیری و عامل زوم دوربین نیز باشد مشخص باشند.

به منظور تعدیل این مشکل و ایجاد یک نمایش قانع کننده از واقعیت، هندسه مدل را می توان به بخش هایی تقسیم کرده و به هر یک از این بخش ها به طور جداگانه  تصاویر گرفته شده را جهت اعطای بافت و رنگ به مدل اختصاص داد.

• بخش هایی از عارضه که پرتو لیزر به آنها تابیده نشده است (نواحی پنهان)، منجر به بروز مشکلاتی در ابر نقاط می شوند به طوری که، مدلی که از داده های برداشت شده به دست می آید، عارضه را به طور کامل شامل نخواهد شد. اغلب با استفاده از ایستگاه های اسکن اضافی این گپ ها پر می شوند.
• یکی دیگر از عوامل محدود کننده کیفیت اسکنرها خاصیت بازتابشی سطح آبجکت است. نوع انعکاس بستگی به نوع بافت و ساختار سطح مورد نظر دارد. انواع انعکاس عبارتند از: آینه ای، پخش شونده، پخش شونده آینه ای.

چنانچه سطح براق باشد به عنوان مثال از جنس طلا و یا سنگ مرمر، لیزر به درستی بازتاب پیدا نخواهد کرد و در نتیجه داده های XYZ  ناصحیحی به دست خواهد آمد. اشیاء شفاف مانند شیشه نور را منکسر کرده و اطلاعات سه بعدی نادرستی را به دست می دهند.

زمانی که شئ سطحی زبر (خشن) و تیره دارد، بسیاری از اشعه های لیزر جذب شده و برخی از نقاط از دست رفته و ثبت نمی شوند. به عنوان مثال، روشن شده است که آجرهای قرمز پاسخی ضعیف به برخی از اسکنرها می دهند در حالی که ملات پاسخ مناسبی به نور تابانده شده از لیزر اسکنر خواهند داد.

اگرچه در بسیاری از موارد امکان تغییر سطح به منظور مناسب کردن آن برای عملیات اسکن وجود دارد. به عنوان مثال برای اسکن کردن اشیاء براق، پوشاندن آن با لایه ای نازک از پودر سفید به لیزر اسکنر کمک می کند که فوتون های نوری بیشتری منعکس شده و به لیزر بازگردند.

• بازتابش غلط ممکن است در نتیجه مرطوب بودن سطح نیز رخ دهد. بنابراین اسکن کردن هنگام بارندگی یا پس از آن تا حد امکان باید اجتناب شود. در بررسی اثر وجود رطوبت، از آنجایی که آب، پرتوهای مادون قرمز نزدیک را جذب می کند، عملاً هنگام وجود رطوبت بر سطح، بازتابندگی امواج لیزر اتفاق نمی افتد. بنابراین بررسی شرایط اسکن در زمانی که عارضه مورد نظر مرطوب باشد، مناسب به نظر نمی رسد. همچنین نور شدید آفتاب نیز می تواند مشکلاتی را برای برخی از اسکنرهای زمینی ایجاد کند.
• دقت لیزر اسکنرها نمی­تواند به دقت ابزارهای ژئودتیکی برسد و امکان افزایش دقت را برای مقیاس های بزرگتر عکس – همانطور که در فتوگرامتری انجام می شود – فراهم نمی­کند.
• به دلیل ابعاد بزرگ و حداقل برد دستگاه، امکان استفاده از این روش در فضاهای کوچک وجود ندارد.
• با توجه به تنظیمات دستگاه به صورت زاویه چرخش و یا تراک نقاط در فاصله مشخص، تراکم نقاط در قسمتهای مختلف ابر نقاط یکسان نمی باشد. (در یک مجموعه تنظیمات، با کاهش فاصله از دستگاه تراکم افزایش و با افزایش فاصله تراکم کاهش می یابد.)
• این تکنیک همچنان بسیار پر هزینه بوده و نیازمند اپراتورهایی با مهارت بالا و پردازش های زمان بر بعدی – در جایی که ویرایش داده ها برای تولید نتایج معنی دار و صحیح دشوار است – می باشد.
• علاوه بر این، مشکلات متعدد دیگری نیز وجود دارد که هنگام وارد کردن داده های اسکنر (registration) و اختصاص رنگ به مدل ابر نقطه امکان رو­به رو شدن با آن وجود دارد، به عنوان مثال می توان به کم بودن حجم حافظه سیستم برای پردازش داده ها به دلیل تراکم بالای ابر نقطه، رنگ آمیزی اشتباه به دلیل الگوریتم موجود در نرم ­افزار، خطا در بار­گذاری و نمایش داده های اسکنر اشاره کرد. این مسئله بدین دلیل رخ می­دهد که نقاط برداشت شده توسط دستگاه در هر استقرار بسیار زیاد است حجم فایل دیتای خام پردازش نشده بسیار زیاد است. بنابراین نیاز داریم روش های را به کار ببریم که حجم دیتا کاهش پیدا کند. البته این بدان معنا نیست که اطلاعات مورد نیازی را از دست بدهیم بلکه فقط اطلاعات اضافی و خطاهای موجود را از بین برده تا حجم دیتا کاهش پیدا کند. برای کاهش داده ها اولین راه حل موجود حذف نقاطی است که به اشتباه برداشت شده اند. به این نقاط که بخشی از آبجکت نبوده و به دلیل قرار داشتن در مسیر اشعه لیزر برداشت شده اند، نویز گفته می شود. نویزهای موجود در داده های لیزراسکنر نیز تحت تأثیر عوامل مختلف از جمله گرد و غبار و ذرات معلق در هوا زمانی که استقرار در مکان هایی با وجود باد شدید اتفاق می افتد، ایجاد می شوند. این نویزها به کمک الگوریتم هایی در مرحله پردازش داده ها قابل حذف می باشند ولی زمان پردازش را افزایش می دهند.

 راه حل­ دیگر آن استفاده از مدل های ریاضی است. بدین صورت که به طور مثال دیواری که با چند هزار نقطه برداشت شده و می دانیم دیوار صاف است به جای چند هزار نقطه صفحه ای به نقاط برازش می کنیم و از این صفحه به جای نقاط استفاده می کنیم. این کار حجم داده را کاهش می دهد و فقط مدل ریاضی یک صفحه خواهیم داشت. به صورت مشابه برای اشکال هندسی دیگر که قابل تبدیل به مدل ریاضی هستند نیز این عمل را انجام می دهیم. مثلا برازش استوانه به جای یک ستون و برازش یک مکعب به جای اشکال مکعبی.

علاوه بر این­ها، مجموعه عظیم ابر نقطه نیاز به پردازش بیشتر و فیلتر کردن نقاط غیر مرتبط، به عنوان مثال آبجکت های متحرک مانند مردم و پرندگان دارد. همچنین بنابراین میزان انرژی و زمان برای تولید یک مدل دقیق و بدون اشتباه از سوژه برداشت شده چند برابر زمانی است که برای اسکن کردن نیاز است.

نرم افزارهای مورد استفاده در فرآیند پردازش لیزر اسکنرها

برخی از نرم افزارهای موجود برای پردازش ابر نقاط به دست آمده به وسیله لیزر اسکنرها عبارتند از:

• RiSCANPRO
• PHIDIAS
• RapidForm2006
• GeoMagic

تمام این نرم افزار ها به دلیل حجم عملیات بالا و دقیق بسیار گران و پر هزینه هستند و معمولا با چندین قفل نرم افزاری و سخت افزاری از کپی شدن آنها جلوگیری می شود.

اسکنرهای فتولیزری

از خصوصیات منحصربفرد اسکنرهای فتولیزری (مانند Z420i و Z360 که محصول شرکت ریگل REIGL اتریش است) تلفیق فتوگرامتری برد کوتاه با ابر نقاط برداشت شده توسط اسکنر لیزری می باشد که در زمینه مستند­نگاری میراث فرهنگی کاربرد فراوانی دارد. این شیوه به منظور تهیه نقشه های دقیق خطی از کتیبه ها و سنگ نوشته ها مناسب است. تهیه اورتوفتو از این طریق کاری بسیار ساده بوده و با استفاده از تک عکس می­توان نقشه سه بعدی تهیه کرد.

نحوه برداشت نقاط به این صورت است که ابتدا دستگاه را روی نقطه دلخواه مستقر می نماییم سپس بر طبق اصول ترفیع روی نقاط معلوم رفلکتورهای کاغذی استوانه ای شکل مستقر می کنیم. در این مرحله بدون نیاز به تراز کردن دستگاه و با انجام تنظیماتی در داخل نرم افزار تمامی نقاط اطراف از جمله رفلکتورها در زمانی کوتاه برداشت می شوند. رفلکتورها از خاصیت انعکاس بالاتری نسبت به دیگر اجسام برخوردار هستند، لذا در داخل نرم افزار می­توان به راحتی به صورت اتوماتیک تشخیص داد. حال با توجه به اینکه تمامی رفلکتورها دارای مختصات محلی (سیستم مختصات اسکنر) و مبنا (سیستم مختصات WGS84 و یا هر سیستم مختصات مبنای دیگری) هستند، ترانسفورماسیون نقاط لیزری به سیستم مختصات مبنا امکان پذیر است. انتقال سیستم مختصات اسکنر به سیستم مختصات مبنا به صورت اتوماتیک در نرم افزار RiScan Pro به روش کمترین مربعات انجام می شود. بدیهی است هر چه تعداد رفلکتورها بیشتر باشد، درجه آزادی بالاتر و دقت این ترانسفورماسیون نیز بالاتر می رود. به همین ترتیب تمامی نقاط برداشت شده از ایستگاه های مختلف زمین مرجع می شوند.

روش کار بدین صورت است که بعد از اتمام برداشت نقاط توسط لیزر اسکنر دوربینی که روی اسکنر نصب شده است شروع به تصویربرداری کرده و سپس در داخل نرم­افزار RiScan Pro تصاویر با ابر نقاط تلفیق شده و نقاط رنگ طبیعی به خود می گیرند. البته ایجاد تناظر یک به یک و ارتباط هر نقطه لیزری با پیکسل متناظر آن در تصویر بعد از انحام کالیبراسیون دوربین عکسبرداری و کالیبراسیون سخت افزاری بر روی اسکنر صورت می پذیرد. در نرم افزارهایی همچون PHIDIAS و PHOTOCAD می توان ابر نقاط و تصاویر را با هم وارد نرم افزار نمود و بدون نیاز به انجام توجیهات داخلی، نسبی و مطلق کار پردازش و تبدیل را انجام می داد.

بعد از وارد کردن نقاط لیزری و تصاویر به داخل نرم افزار رویه ای سه بعدی روی نقاط لیزری، که با تصویر تلفیق شده اند، برازش داده می شود. سپس با حرکت ماوس می­توان بردارهای سه بعدی روی تصویر ترسیم نمود. در واقع ماوس روی تصویر حرکت نمی کند بلکه بر روی رویه برازش داده شده بر نقاط لیزری حرکت می کند. با توجه به اینکه نقاط توسط لیزر اسکنر به صورت نا­منظم برداشت می شوند تشخیص لبه اجسام صرفا از طریق نقاط لیزری امکان پذیر نمی باشد ولی با تلفیق عکس به راحتی می­توان لبه ها را نیز ترسیم نمود.

---

منابع:

 Bellian, J.A., Kerans, C., & Jennette, D.C. (2005). Digital outcrop models Applications of terrestrial scanning LiDAR technology in stratigraphic modelling. Journal of Sedimetry Research, 75, 166-176.

 Boehler, W., Heinz, G., Marbs, A. 2005. The potential of non-contact close range laser scanners for cultural heritage recording. In:Proceedings of CIPA XXth International Symposium, September 26–October 1, 2005, Torino, Italy, 430–۴۳۵z

Yuriy, Reshetyuk, 2009, Self-calibration and direct georeferencing in terrestrial laser scanner, InternationalArchives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, vol.XXXVI, part 3/W19, pp. 186-191.

 Boehler, W., & Marbs, A. (2005). Investigating Laser Scanner Accuracy. Retrieved at http://scanning.fh-mainz.de/scannertest/results300305.pdf on 02 September 2009.

Boehler, W., Heinz, G., Marbs, A. 2005. The potential of non-contact close range laser scanners for cultural heritage recording. In:Proceedings of CIPA XXth International Symposium, September 26–October 1, 2005, Torino, Italy, 430–۴۳۵٫

Rüther, H., Mtalo, G., Mngumi, E. 2003. 3D modelling of heritage sites in Africa. A case study in the world heritage site of Kilwa Kisiwani, Tanzania. In: Proceedings CIPA XIXth InternationalSymposium, September 30–October 4, Antalya, Turkey,175–۱۸۰

 Lerma, J.L., Van Genechten, B., Heine, E., Santana, M., 2008. 3D Risk Mapping. Theory and Practice on Terrestrial Laser Scanning.Training Material Based on Practical Applications. Universidad Polite´cnica de Valencia, Spain.  Yuriy, Reshetyuk, 2009, Self-calibration and direct georeferencing in terrestrial laser scanner, InternationalArchives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, vol.XXXVI, part 3/W19, pp. 186-191.

سعادت سرشت، ۱۳۸۷ ، محمد، ایده ای نو در اتوماسیون شبکه برای لیزر اسکنر زمینی، مجله مواد مهندسی، شماره ۱، ۱۳-۲۴

سعادت سرشت، ۱۳۸۷ ، محمد، ایده ای نو در اتوماسیون شبکه برای لیزر اسکنر زمینی، مجله مواد مهندسی، شماره ۱، ۱۳-۲۴