نقشه برداری از شهرها، معادن، کارخانه ها و دیگر موارد، یکی از مهم ترین بخش های هر پروژه ایست که باید توسط گروه متخصصان و مهندسان نقشه برداری انجام شود. این کار روش های مختلفی دارد و همگام با پیشرفت فناوری، با متد های جدید و دقیق تری انجام می شود. یکی از کارآمدترین و بهترین روش ها، نقشه برداری با لیزراسکنر یا همان LiDAR است که در ادامه مطلب به آن می پردازیم.
لیزراسکنر چیست و چگونه کار می کند؟
LiDar (Light Detection And Raging) یا همان لیزراسکنر، فناوری پیشرفته ای برای برداشت اطلاعات و تهیه نقشه به صورت سه بعدی است. اساس کار این فناوری، پالس های لیزری (پرتابه های نوری نامرئی) هستند که در میلیون ها تابش به اطراف شلیک می شوند.
این پالس ها به اجسامی چون دیوار، درخت، زمین، بناها و عملا هرآنچه در محیط وجود دارد برخورد کرده و بازمی گردند. دستگاه لیدار با اندازه گیری دقیق زمان رفت و برگشت نور و همچنین زوایای افقی و عمودی، موقعیت دقیق مکانی یعنی مختصات X,Y,Z را در فضا پیدا می کند. با کنار هم قرار گرفتن این میلیون ها نقطه اندازه گیری شده یک مدل سه بعدی دقیق به نام “ابر نقاط” به دست می آید که داده اصلی نقشه برداریست.
به طور خلاصه می توان گفت لیزراسکنر مثل یک چشم الکتریکی عمل می کند که به جای ثبت دو بعدی تصویر، فصله و عمق همه چیز را اندازه می گیرد.
انواع لیزراسکنرها
بر اساس بستری که دستگاه روی آن نصب می شود، لیزراسکنرها به سه دسته اصلی تقسیم می شوند:
-
اسکنر لیزری زمینی
در این نوع نقشه برداری اسکنری، دستگاه روی یک سه پایه ثابت نصب شده و در ایستگاه های مختلف سایت قرار می گیرد. لیزر محیط را از زوایای مختلف اسکن کرده و نقشه ای دقیق ارائه می دهد. در واقع این روش، بالاترین دقت را در میان انواع روش هی اسکنر دارد. (دقت میلی متری).
کاربرد اصلی اسکنرلیزری زمینی بیشتر برداشت نمای ساختمان ها، پروژه های معماری، بناهای تاریخی و ساخت و ساز های صنعتی عظیم و دقیق است.
-
اسکنر لیزری هوایی یا پهپاد
از پرکاربردترین روش های لیزراسکنر، نقشه برداری با استفاده از پهپادهاست که یکی از بهترین ابزارها برای نقشه برداری هستند. لیزراسکنر، روی یک پهپاد یا هواپیمای نقشه برداری نصب می شود. سیستم های تعیین موقعیت ماهواره ای GPS/GNSS و سنسورهای اینرسی IMU نیز در نقشه نگاری لیدار هوایی ترکیب می شوند تا مدلی دقیق به دست آید.
ویژگی برجسته و مزیت نقشه برداری با لیزراکسنر پهپادی آن است که مساحت های بسیار وسیع را در مدت زمانی کوتاه پوشش می دهد و نیازی به نیروی انسانی زیادی ندارد. پالس های لیزر حتی قادرند از میان شاخ و برگ های درختان عبور کنند و مختصات سطح زمین هم به دست آورند.
کاربرها: تهیه نقشه های توپوگرافی مناطق بزرگ، معادن، جنگل داری، نقشه برداری راه ها و خطوط انتقال نیرو.
مطالب بیشتر: نقشه برداری معدن با پهپاد
-
اسکنرلیزری متحرک یا پیمایشی
اسکنرلیزری روی یک وسیله نقلیه مثل خودرو یا قطار، یا حتی به صورت کوله پشتی دستی مثل SLAM قرار گرفته و هم زمان با حرکت اپراتور یا خودرو، محیط اطراف اسکن می شود.
ویژگی های برجسته این روش، سرعت فوق العاده در برداشت از مسیرها بدون نیاز به توقف است.
کاربردها: نقشه برداری از خیابان ها و جاده ها، تونل ها، خطوط ریل آهن و فضاهای داخلی بزرگ در یک سازه.
جدول مقایسه انواع لیزراسکنر
| نوع اسکنر | نحوه استقرار | میزان دقت | بهترین کاربرد |
| زمینی (TLS) | ثابت روی سهپایه | فوقالعاده بالا (میلیمتری) | ساختمان، بناهای تاریخی، صنعتی |
| هوایی (ALS) | نصب روی پهپاد/هواپیما | متوسط تا بالا (سانتیمتری) | مناطق وسیع، توپوگرافی، جنگل |
| متحرک (MLS) | نصب روی خودرو یا دستی | بالا | خیابانها، تونلها، فضاهای داخلی |
مراحل انجام نقشه برداری با لیزراسکنر
عملیات نقشه برداری با لیزراسکنر به طور کلی در 3 فاز اصلی انجام می شود؛ یعنی پیش از برداشت، حین برداشت و بعد از برداشت. هر فاز را بیشتر بررسی می کنیم.
فاز اول: پیش از عملیات
برنامه ریزی دقیق اصل اول هر پروژه نقشه برداری است. برای داشتن یک برنامه دقیق نیز قبل از روشن کردن دستگاه، اقدامات زیر انجام می شود:
بازدید میدانی و امکان سنجی:
هندسه سایت، میزان موانع، وضعیت نور و دسترسی ها باید مشخص شود. همچنین دقت مورد نیاز پروژه نیز به همین موارد بستگی داشته و باید تعیین گردد. مثلا دقت پروژه ساختمانی با دقت راه سازی متفاوت است.
برنامه ریزی ایستگاه های اسکن:
موقعیت دقیق مکان هایی که باید دستگاه لیزر در آن قرار گیرد (در روش اسکن زمینی) تعیین شوند تا نقاط کور به حداقل برسند. در نظر گرفتن میزان همپوشانی بین ایستگاه ها نیز برای اتصال اسکن ها نیاز است. معمولا 30 درصد همپوشانی برای اتصال اسکن ها نیاز است.
ایجاد شبکه کنترل زمینی و جانمایی تارگت ها:
تارگت ها، صفحات یا کره هایی هستند که نور لیزر را بازتاب داده و به عنوان نقطه های مشترک بین اسکن ها عمل می کنند.
نقاط کنترل زمینی یا GCPs : سپس مختصات این تارگت ها با دستگاه های دقیقی مثل توتال استیشن یا GPS چندفرکانسه برداشته می شود، تا ابر نقاط مختصات واقعی داشته باشند.
با به دست آمدن تمام این اطلاعات، مهندسان آماده اند تا برنامه ریزی لازم را انجام داده و برای فاز عملیاتی آماده شوند.
فاز دوم: عملیات میدانی (برداشت داده ها)
به مرحله اجرای واقعی اسکن در سایت می رسیم.
گام اول: انتخاب پلتفرم و استقرار آن
بسته به نوع لیزراسکنر، پلتفرم مورد نظر انتخاب و آماده می شود:
- استقرار لیزراسکنر روی سه پایه در ایستگاه های تهیه شده در روش اسکن زمینی
- انتخاب نوع پهپاد با تجهیزات لازم یعنی LiDAR در روش نقشه برداری پهپادی
- و تهیه و نصب دستگاه در خودروهای مورد نیاز در روش پیمایشی
گام دوم: تنظمات اسکن
اپراتور بر اساس پروژه مورد نیاز، فاصله بین نقاط (رزولوشن) و تراکم ابر نقاط را تنظیم می کند. مثلا، اسکن سریع یا اسکن با تراکم بالا. این تنظیمات به نیازهای پیمانکاران و نوع خروجی های مورد نظر آن ها بستگی دارد.
گام سوم: اجرای اسکن لیزری
ابزار یا وسایل مورد نیاز (پهپاد، یا خودرو یا دستگاه ثابت بر پایه ها) راه اندازی شده و میلیون ها نقطه در چند دقیقه به همراه شدت بازتاب نور ثبت می شود. همان داده های با ارزشی که برای ادامه کار لازم است.
گام چهارم: تصوربرداری و رنگی سازی
علاوه بر پالس های لیزر، نیاز است تا دوربین داخلی دستگاه از محیط عکس های پانوراما هم تهیه کند، تا به هر نقطه از ابرنقاط، رنگ واقعی RBG اختصاص داده شود.
نکته: در نقشه برداری با لیزراسکنر زمینی، لازم است تا دستگاه به ایستگاه بعدی منتقل شده و تمام این فرآیند مجددا تکرار شود، تا داده ها از تمام زوایای سازه یا منطقه بدون نقطه کور به دست آیند.
فاز سوم: پردازش دفتری
کار میدانی پایان یافته و مهندسان مجددا به دفتر باز می گردند. داده های خام از حافظه دستگاه برداشته و به کامپیوتر منتقل می شود. پس از انتقال داده ها در فرمت های مورد نیاز، مراحل زیر انجام می شود:
اتصال و همپوشانی اسکن ها:
تمام اسکن های انجام شده بر اساس تارگت های مشترک یا الگوریتم های هوشمند، ترکیب شده و یک ابر نقاط یک پارچه سه بعدی به دست می آید.
زمین مرجع کردن:
ابر نقاط کلی، روی سیستم مختصات UTM یا مختصات محلی پروژه که با داده های توتال استیشن به دست آمده اند، منطبق می شوند.
فیلترسازی و نویزگیری:
عناصر ثبت شده اضافه مانند خودروهای در حال حرکت، افراد، پردندگان یا سایر انعکاس های کاذب، از مدل فیلتر می شوند تا تصویری با داده های مورد نیاز و بدون مزاحم داشته باشیم.
مدل سازی و گرفتن خروجی:
با استفاده از تمام این داده ها، نرم افزارهای تخصصی که نقشه برداران از آن ها استفاده می کنند، مدل های مورد نیاز را تولید می کنند. نقشه های دوبعدی برای استخراج مقاطع، پلان ها و نماها. و نقشه های سه بعدی برای تبدیل ابرنقاط به عناصر هوشمند و ساخت مدل های سه بعدی.
همچنین در این مرحله، مدل رقومی زمین DEM/DTM نیز در صورت نیاز تهیه می شود. (برای پروژه های توپوگرافی و راه سازی).
مزایای کلیدی اسکنر لیزری در مقایسه با روش های سنتی
روش های سنتی نقشه برداری مانند توتال استیشن یا شاخص و دوربین، اگرچه هنوز هم در پروژه ها استفاده می شوند، اما به دلیل دقت کمتر و نیاز به مدت زمان و هزینه های بیشتر، تا حد زیادی جای خود را به روش های مدرن مثل نقشه برداری با لیزراسکنر داده اند. البته، این روش ها خود هنوز در خدمت نقشه برداری لیزر اسکنری به کار می روند.
در جدول زیر نقشه برداری با لیزراسکنر را با روش های سنتی مقایسه میکنیم:
| شاخص مقایسه | نقشهبرداری سنتی (توتال استیشن / دوربین) | نقشهبرداری با لیزراسکنر (LiDAR) | مزیت اصلی اسکنر لیزری |
| سرعت برداشت داده | کند (چند صد نقطه در روز) | فوقالعاده سریع (میلیونها نقطه در ثانیه) | کاهش چشمگیر زمان حضور در سایت (تا ۸۰٪ سریعتر) |
| تراکم و جزئیات دادهها | محدود (فقط نقاط کلیدی و انتخابی برداشت میشوند) | کامل و سهبعدی (ثبت تمام خصوصیات هندسی محیط) | ایجاد ابر نقاط (Point Cloud) با جزئیات واقعی و تمامرخ |
| دقت ابعادی و هندسی | دقت نقطه به نقطه خوب، اما احتمال جا افتادن جزئیات بالاست | دقت میلیمتری و یکنواخت در کل سطح سازه | حذف خطای انسانی در عدم برداشت عوارض پیچیده |
| ارتقای ایمنی اپراتور | نیازمند حضور فیزیکی در تمام نقاط (گاهی خطرساز) | برداشت از راه دور (Remote Sensing) | برداشت ایمن از دیوارهای ریزشی، ارتفاعات و مناطق سمی |
| بازدید مجدد از سایت | در صورت فراموشی یک نقطه، نیاز به مراجعه دوباره است | صفر یا حداقل (تمام محیط به صورت دیجیتال ذخیره شده) | صرفهجویی در زمان و هزینه رفتوآمد مجدد |
| مدلسازی و خروجیها | عمدتاً نقشه ۲ بعدی (CAD)؛ مدلسازی ۳ بعدی زمانبر است | مستقیم به مدل ۳ بعدی و BIM (سازگار با Revit) | سهولت در تبدیل به مدل اطلاعات ساختمان (BIM) |
| برداشت در تاریکی | نیازمند نور محیطی یا نشانه روی چشمی اپراتور است | مستقل از نور محیط (لیزر خودتابش است) | امکان کار در شب، داخل تونلها و فضاهای تاریک |
کاربردهای اصلی نقشه برداری با لیزراسکنر
نقشه برداری با لیزراسکنر می تواند در طیف وسیعی از پروژه ها انجام شود و این خود یکی از مزایا و دلایل محبوبیت آن است. بیشترین کاربردهای نقشه برداری LiDAR را بررسی می کنیم.
-
در معماری و صنعت ساختمان
معماری، عمران و ساخت و ساز یکی از بزرگترین بازارهای استفاده کننده از نقشه برداری لیدار هستند. بعضی از استفاده های این فناوری در ساختمان سازی عبارتند از:
تهیه نقشه از وضعیت موجود:
بسیاری از ساختمان های قدیمی یا حتی نوساز در مناطق خاص، فاقد نقشه های کاغذی اولیه بوده و یا در حین ساخت تغییراتی داشته اند. برای تهیه نقشه از وضعیت به روز، می توان از اسکنرهای لیزری استفاده کرد که ظرف چند ساعت ابعاد دقیق ستون ها، دیوار ها، ارتفاعات و دیگر موارد را برداشت کرده و نقشه ای دقیق ارائه می دهند.
پیاده سازی مدل اطلاعات ساختمان یا BIM:
یک مدل هوشمند سه بعدی از جمله نیازهای مهندسان برای طراحی تاسیسات و بخش های مختلف ساختمان بدون تداخل با یکدیگر است. خروجی ابر نقاط که با نقشه برداری لیزری به دست می آید می تواند به خوبی چنین مدلی را ارائه دهد.
مرمت و بازسازی:
پیش از تغییر دکوراسیون، کاربری بنا یا بازسازی و تعمیرات مهم، لازم است تا مدل دقیقی از سازه وجود داشته باشد. مدل سه بعدی می تواند کج بودن دیوارها، ناترازی های سطح و سقف، موقعیت دقیق ستون ها و دیگر اطلاعات لازم را به دست دهد.
-
میراث فرهنگی و باستان شناسی
حفظ بافت های قدیمی و آثار تاریخی رشته ای تخصصیست که نیاز به دقت بالایی دارد. برای نگهداری یا بازسازی و حتی مستندنگاری بناهای تاریخی نیز از نقشه برداری اسکنری لیزری استفاده می شود. بخصوص که بناهای تاریخی با معماری هندسی پیچیده، قوس های ظریف و تزئینات زیاد، با روش های سنتی چندان دقیق قابل اندازه گیری نیستند.
نقشه برداری با لیزراسکنر بناهای تاریخی می تواند نتایج زیر را فراهم کند:
مستندنگاری و آرشیو دیجیتال:
به جهت تهیه نسخه پشتیبان دیجیتالی با دقت میلی متری و رنگ واقعی، از اسکن سه بعدی بناهای تاریخی استفاده می شود. در صورتی که بنا به دلیل بلایای طبیعی آسیب دیده یا نیاز به بازسازی داشته باشد، این داده ها بسیار ارزشمند خواهند بود.
پایش و تحلیل ها:
بناهای تاریخی حتی پیش از مرمت و بازسازی هم نیاز به مراقبت دارند. به منظور شناسایی ترک خوردگی ها، نشست ها، فرسودگی، انحراف و سایر آسیب هایی که ممکن است بنا با آن روبرو شود، اسکن های سه بعدی در فواصل مختلف تهیه می شود تا سازه قابل پایش و تحلیل باشد.
-
صنایع نفت، گاز، پتروشیمی و کارخانجات
محیط های صنعتی بزرگ مانند پالایشگاه ها و کارخانجات، مملو از لوله کشی های عظیم و درهم تنیده، سازه های بزرگ و مخازن و تجهیزات پیچیده هستند. برای نقشه برداری از چنین فضاهایی از نقشه برداری لیدار استفاده می شود. این نقشه های استفاده های زیر را دارند:
مدلسازی تأسیسات و لوله کشی:
برداشت دستی نقشه از لوله ها در ارتفاعات خطرناک عملا غیرممکن است. لیزر اسکنر می تواند تمام لوله ها، والو ها و تجهیزات را با قطر و مسیر دقیق بدون هیچ خطری ثبت کند.
بررسی تداخلات:
پیش از نصب و اضافه کردن یک دستگاه جدید، تغییر در محیط یا اضافه کردن خطوط لوله، باید طرح جدید روی ابر نقاط وضعیت فعلی قرار گیرد تا مشخص شود آیا نصب تجهیزات جدید تداخلی ایجاد می کند یا خیر.
-
معادن و احجام ترابری
از دیگر محیط های صنعتی بزرگ که نیاز به نقشه برداری های دقیق دارند، معادن هستند. نقشه برداری از معادن که بیشتر با روش هوایی انجام می شود، نیازمند دقت، سرعت و ایمنی هستند، بنابراین نقشه برداری با لیزراسکنر در این رابطه می تواند بسیار مناسب باشد. بخصوص برای معادن زیرزمینی و سربسته یا محاسبه احجام در محیط های پیچیده و بدون نور، از نقشه برداری لیدار استفاده می شود؛ چرا که فتوگرامتری نیاز به نور دارد و فقط برای معادن باز ممکن است.
نقشه برداری معادن و احجام با روش لیزری کاربردهای زیر را دارد:
محاسبه دقیق احجام عملیات خاکی:
با اسکن لیزری از دپوهای مواد معدنی یا گودبرداری ها، می توان مدل سه بعدی سطح (DTM) ساخته و حجم دقیق خاکبرداری یا خاکریزی را با دقت بسیار بالا (خطای نزدیک به صفر) محاسبه کرد.
پایش دیواره معدن:
اسکن مداوم دیواره های معادن کمک می کند تا دیوار های در حال ریزش شناسایی شوند و اقدامات لازم برای ایمنی آن ها، پیش از وقوع حادثه و خسارات جانی و مالی به عمل آید.
-
مهندسی عمران، زیرساخت و تونل سازی
در تونل سازی، ساخت زیرساخت های عظیم و مهندسی های عمرانی، به منظور موارد زیر از نقشه برداری لیدار استفاده می شود:
پایش و تحلیل هندسه تونل ها:
لیزراسکنر می تواند بخش های اضافه حفاری شده یا بخش هایی که کمتر حفاری شده اند را مشخص کند، تا مقطع دقیق لاینینگ تونل مشخص شود.
مستندنگاری پل ها و راه ها:
با اسکنرلیزری متحرک می توان صدها کیلومتر از جاده ها، خصوص راه آهن و پل ها را نقشه برداری کرد، بدون آن که نیازی به مسدودسازی ترافیک باشد.
-
مدیریت بحران و حوادث
در مواردی نیز به منظور مدیریت بحران و پایش دقیق شرایط خاص مانند تصادفات، بلایای طبیعی مثل زلزله و سیل، یا حتی صحنه های جرم، از نقشه برداری لیدار استفاده می شود تا بتوان مدل سه بعدی دقیق پیش از به هم خوردن اثرات به دست آورد. این داده ها هم برای مدیریت و رسیدگی هرچه بهتر به آسیب ها و هم به عنوان مستندات دقیق قابل استناد هستند.
خدمات نقشه برداری لیزراسکنر را از کجا دریافت کنیم؟
یکی از چالش ها و نگرانی های پیمانکاران برای نقشه برداری لیزری، هزینه های اولیه سنگین و نیاز به تجهیزات برای نقشه برداری و پردازش آن هاست. اگر پیمانکاران بخواهند تجهیزات نقشه برداری را خود تهیه کنند، هم نیاز به تجهیزات تخصصی و گران قیمت چون پهپاد یا دستگاه های LiDAR دارند، هم باید افرادی را برای پردازش داده ها و آماده سازی مدل ها استخدام کنند. این کارها هزینه و وقت زیادی را طلب می کند.
بنابراین، راه حل نه تهیه این تجهیزات و افراد، بلکه سپردن کار به دفاتر و گروه های تخصصی نقشه برداریست. این افراد، خود تجهیزات مختلف نقشه برداری مثل پهپاد، دستگاه های لیدار و دوربین ها و کامپیوترهای فوق العاده قوی برای پردازش داده ها را دارند. اپراتور ها و مهندسان نرم افزاری، خود تمامی مراحل نقشه برداری لیزری را انجام داده و خروجی های مورد نظر را در اختیار پیمانکاران قرار می دهند.
برای نقشه برداری با لیزراسکنر، از روش های زمینی تا هوایی و پهپادی با گروه مهندسین مشاور سیراوند تماس بگیرید.
سوالات متداول
آیا لیزراسکنر به طور کل جایگزین تجهیزات سنتی مثل توتال استیشن شده است؟
خیر. هنوز هم از روش های سنتی استفاده می شود، اما به عنوان بخشی از روش های مدرن مثل لیزراسکنر.
اصلی ترین تفاوت لیزراسکنر LiDAR و فتوگرامتری (عکاسی سه بعدی) چیست؟
فتوگرامتری بر اساس پردازش تصاویر و تداخل عکس ها مدل را ساخته و وابسته به نور است، در حالی که اسکنر لیزری، مستقیما فاصله سنجی نوری را انجام می دهد که دقت بسیار بالاتری داشته و در محیط های بدون نور و کاملا تاریک هم عمل می کند.
آیا می توان از لیزراسکنر در معادن زیرزمینی و ساختمان های سرپوشیده هم استفاده کرد؟
بله. اسکنر لیزری نیازی به نور محیط نداشته و بر اساس فرستادن پالس های لیزری و محاسبه رفت و برگشت نور عمل می کند.
فرمت های رایج خروجی ابرنقاط (PointClouds) چیست؟
فرمتهای عمومی و استاندارد شامل e57.، LAS.، PTS. و XYZ. هستند که در اکثر نرمافزارهای مهندسی (مثل Autocad، Revit، Cyclone و Pix4D) قابل فراخوانی میباشند.
آیا برای نقشه برداری لیزری، باید تجهیزات LiDAR را خریداری کرد؟
خیر نیازی به خرید تجهیزات نقشه برداری نیست. گروه های نقشه برداری مجهز مثل گروه مهندسین مشاور سیراوند، خود تمامی تجهیزات شامل لیزراسکنرها، پهپادها، کامپیوترهای مورد نیاز و تکنسین ها برای نقشه برداری را دارند.
بدون دیدگاه