نقشه برداران دانشکده سازمان نقشه برداری کشور

وب سایت تخصصی مهندسین نقشه بردار دانشکده سازمان نقشه برداری کشور

عضو شوید

عضویت سریع

کاربرد لیزر در نقشه برداری نوین

مقدمه:

واژه Laser مخفف عبارت Light Amplified By Simulated Emission Of Radiation است كه خود عبارت نشان دهنده اصول ايجاد ليزر است؛ همچنان كه از معناي واژه Simulate پيدا است منظور از آن برانگيختن و تقويت كردن پرتوهاي خاصي است كه منابع آنها اجسامي نظير ياقوت، نئودميوم و كربن است و واگرايي كمتري از خود نشان داده و در مقايسه با نور مرئي كه از هفت طيف قرمز، نارنجي، زرد، سبز، آبي، نيلي و بنفش تشكيل شده است، تك رنگ و يك طيفي (Coherent) هستند چون پرتوهاي ليزر تكرنگ هستند و واگرايي ندارند براي امتداد دهي در كارهاي عمراني بسيار مناسب بوده و در موارد بسيار دقيق نظير حفاري تونلها، نقشه برداريهاي زير زميني نظير مترو و در رسيدن به نقاط Break through كه از دو طرف حفاري انجام مي شود تا به هم برسند،‌ كاملا كاربرد دارند .

بكارگيري ليزر در ماهواره ها :

يكي از كاربردهاي عمده در مهندسي نقشه برداري استفاده از آن براي فاصله يابي از طريق ماهواره هاست اين سيستمها در تعيين موقعيت ماهواره ها به عنوان فاصله يابهاي ليزري Satellite Laser Ranging – SLR استفاده مي شوند. در SLR از ليزر استفاده مي شود، منتها ليزرهايي كه توان و برد بالا دارند و مي توان از فاصله اي حدود 20000 كيلو متر پالسهايي را از ايستگاه زميني به ماهواره فرستاده و از طريق منشورهاي تعبيه شده در ماهواره پرتوها به ايستگاه زميني برگشت داده شوند. در اوايل ايجاد SLR از ياقوت استفاده مي شد ولي در نسلهاي بعدي از نئودميوم استفاده شده است؛ در SLR

دقت فاصله يابي بلند از ايستگاه زميني به ماهواره در نسل اول حدود 10 متر بوده كه در نسلهاي بعدي (نسل چهارم) به حدود 2 ميلي متر رسيده است.

كاربرد ليزر در مسافت يابهاي الكترونيكي:

دسته اي از مسافت يابهاي الكترونيكي Electronic Distance Measuring Instruments كه اختصارا به آنها EDM مي گويند، با استفاده از اشعه ليزر كار مي كنند. در اين دستگاهها از ليزرهاي با منبع جامد نظير ياقوت يا نئودميوم استفاده نمي شود، بلكه منبع آنها نيمه هادي است نمونه اين نيمه هادي را مي توان ديود گاليم آرسنايد نام برد. اين نيمه هادي پرتو تكرنگي ايجاد مي كند كه خود برانگيخته است و ايجاد ليزري مي كند كه براي تعيين موقعيتهاي دقيق و براي جاهايي كه دقت امتدادي مدنظر است، مورد استفاده قرار مي گيرد. اساس كار مسافت يابهاي الكترونيكي سنجش غير مستقيم زماني است كه يك پرتو نور فاصله بين دو نقطه را طي مي كند.

گرچه اولين نسل مسافت يابهاي الكترونيكي براي فواصل زياد بسيار دقيق بودند، ولي اندازه آنها بزرگ، وزن آنها سنگين و قيمت آنها گران بود. بنابراين در كارهاي روزمره نقشه برداري وارد نشدند، در حالي كه مهندسان به دستگاههاي سبك، كوچك، ارزان و دقيق براي سنجش طول هاي كوتاه، از چند متر تا دو الي سه كيلومتر نياز داشتند. در واقع دستگاههاي EDM استفاده كننده از نور ليزر ، نسل سوم اين دستگاهها هستند. مزاياي اين مسافت يابها عبارت است از :

1- مصرف كم

۲- سبكي و قابليت حمل و نقل آسان

3- برد زياد (حداكثر برد 15 تا 60 كيلومتر)

4-دقت بالا در حدود ميليمتر.

با كوچك شدن اين دستگاهها و قابليت تركيب آنها با دستگاههاي ديگر دستگاههايي با نام توتال استيشن به بازار عرضه شد كه توسط آنها مي توان تمام كارهاي برداشت و پياده كردن را با دقت و سرعت بسيار زياد انجام داد. علاوه بر اين مي توان همزمان اطلاعات برداشت را در قسمت ذخيره كننده داده ها انباشته كرد. در مرحله بعد مي توان اين داده ها را در دفتر كار به صورت خودكار به رايانه منتقل كرد. رايانه نيز به نوبه خود پس از انجام محاسبات بر اساس برنامه، داده ها را به دستگاه رسام براي ترسيم نقشه يا چاپگر براي چاپ نتايج منتقل مي كند.

توتال استيشن هاي جديد مي توانند منعكس كننده ((Reflector را به صورت خودكار شناسايي كنند. به قسمت شناسايي كننده ماژول ATR (Automatic Target Recognition Module) مي گويند و ماژول ATR و EDM دستگاه به صورت يكپارچه در تلسكوپ دستگاه قرار داده شده است. اساساً ماژول ATR يک دوربين رقومي است كه جدايي يك پرتو را نسبت به محور نوري تلسكوپ، موقعي كه اين پرتو به طرف دوربين انعكاس يافته است تعيين مي كند. دستگاه پرتوها را به صورت هم محور منتشر مي كند، ماژول امكان قفل كردن روي هدف يا نشانه روي دقيق خودكار را به كاربر مي دهد. كاربر مي تواند يكي يا هردوي اين حالتها را فعال نمايد. در حالت نشانه روي دقيق به طور خودكار، احتياجي به تنظيم و نشانه روي دقيق به صورت دستي نيست. ابتدا نشانه روي تقريبي با دست يا تحت هدايت يك نرم افزار انجام مي شود و بعد دستگاه به طور خودكار و با بهره گيري از پرتو ليزر به صورت بسيار دقيق به هدف نشانه روي مي كند.

كاربرد ليزر در تهيه مدل رقومي زمين (DEM) :

نمايش بعد سوم يا مولفه سوم مختصات براي بسياري از كاربردها اهميت اساسي دارد اما نمايش بعد سوم سطح زمين يعني Z بر روي سطح مسطح كاغذ يا صفحه نمايش دشوار است. به همين دليل نقشه برداران از دير باز تلاش كرده اند روشهايي را براي نمايش ارتفاعات روي نقشه ارائه نمايند استفاده از هاشور، سايه روشن، گامهاي رنگي، اعداد ارتفاعي و منحني هاي ميزان از جمله اين روشها محسوب مي شوند.

يكي از كاربردهاي عمده ليزر در مهندسي، استفاده از آن در تهيه مدل رقومي زمين است با استفاده از روش اسكن سه بعدي با ليزر كه در واقع روش برداشت مستقيم نقاط است، مي توان به مدل سه بعدي رقومي از زمين دست يافت. روش كار به اين صورت است كه پرتو ليزر تحت زاويه خاصي به سمت منطقه مورد نظر فرستاده مي شود تعداد اين پرتوهاي برگشتي و در واقع تعداد نقاط ثبت شده آنقدر زياد است كه وقتي در محيطي مثل CAD نمايش داده مي شوند به نظر مي رسد كه سطح بازسازي شده است اين داده ها در اصطلاح ابر نقطه اي (Point Cloud) ناميده مي شوند. دستگاههاي ليزر اسكن داراي دو نوع هوايي و زميني هستند. يك ليزر اسكن هوايي سه عنصر اصلي دارد : GPS , IMU و Laser Scanner .

Laser Scanner

دستگاه خاصي است كه موقعيت نقطه محل هواپيما را ثبت مي كند. IMU زاويه حركت هواپيما با نقطه زميني را مي دهد و مسافت ياب Laser فاصله بين هواپيما و نقطه زميني را مشخص مي كند. برداشت نقاط بر اساس سه الگوي (Pattern) مختلف انجام مي شود: بيضي ، دايره و زيگزاگ و همپوشاني عرضي بين الگوها بستگي به دقت مورد نظر و طراحي پرواز دارد.

در ليزر اسكن زميني دستگاه بر روي سه پايه اي سوار مي شود و مي تواند دور تا دور خود را به صورت استوانه اي برداشت كند . پس از برخورد پرتو ليزر به منطقه مورد نظر، ضريب انعكاس جسم تعيين مي كند كه چه مقدار از سيگنال منتشر شده به ليزر بر مي گردد. مقدار اين انعكاس به طول موج ليزر بستگي دارد و خصوصا براي سطوح سياه و سفيد متفاوت است. پرتو ليزر پس از انتشار ممكن است به موانعي برخورد كند، مثلاً در ليزر اسكن هوايي در مناطق جنگلي پرتو ليزر قبل از رسيدن به زمين به يك يا چند شاخه برخورد مي كند اين مساله موجب مي شود دو يا چند انعكاس به مسافت ياب ليزري برگردد، اغلب سيستمها قادرند تمام پالسهاي بازگشتي به مسافت ياب يا حداقل اولين و آخرين پالس برگشتي را ثبت كنند. كاربردها و استفاده هاي مختلفي از آنها بر اساس اين اندازه گيري ها امكان پذير است. البته تهيه مدل از سطح زمين براساس اندازه گيري آخرين پالس است، اگر چندين پالس برگشتي وجود داشته باشد فقط آخرين پالس مي تواند به نقطه اي روي زمين تعلق داشته باشد، زيرا فاصله زمين از فاصله ياب از بقيه نقاط بيشتر است. براي كاربردهاي ديگري مثل تهيه مدلهاي سه بعدي شهر، اولين پالس اهميت بيشتري دارد و هچنين اولين و آخرين انعكاسها براي تهيه تراكم زيستي (Biomass) مورد نياز است همان طور كه ذكر شد، انعكاس به جنس مواد سطح بستگي دارد؛ سطوح طبيعي مثل گياهان مقادير انعكاس بيشتري نسبت به مواد ساخت بشر مانند آسفالت و بتون دارند. بنابراين به طور كلي تشخيص

گياهان و ساختمانها امكان پذير است به كمك روشهاي Filtering مي توان نقاط مورد نظر را در موارد خاص استخراج كرد و تعداد نقاط جمع آوري شده را براي هر كاربرد كاهش داد.

ليزر اسكن در حقيقت فني است كه مختصات نقاط را به طور مستقيم و به همراه زوايا و Offset ها برداشت مي كند. ليزر در سيستمهاي قديمي تنها مختصات نقاط را اندازه گيري مي كرد اما اخيرا اطلاعات ديگري نيز از عوارض براي پي بردن به نوع عارضه برداشت مي شود. ولي ليزر اسكن

توانايي برداشت در اين مناطق را نيز دارد. همچنين از آنجا كه ليزر از عوارضي مثل برگ درختان نيز عبور مي كند، در مناطقي مثل جنگلها نيز مورد استفاده قرار مي گيرد.

سرعت برداشت ليزر اسكن به حدود 28000 نقطه در ثانيه مي رسد و طي 4 دقيقه، 360 درجه (يك دور كامل) را برداشت مي كند. دقت دستگاهها براساس فاصله نقاط برداشت شده سنجيده مي شود كه معمولا حدود 2 سانتي متر الي 2 ميلي متر است و قيمت آنها بستگي به قدرت تفكيك و دقت آنها دارد.

كاربرد ليزر در ايجاد واقعيت مجازي (Virtual Reality):

Laser Scanning مي تواند داده هاي لازم براي توليد مدلهاي دقيق سه بعدي را به صورت بسيار سريع ، راحت ، كارآمد و مقرون به صرفه اي جمع آوري كند. در واقع، داده هاي حاصل از Laser Scanning در تهيه Virtual Reality بسيار مورد استفاده قرار مي گيرند.

در مورد برداشت اطلاعات توسط دستگاههاي Laser Scanning در قسمت قبل توضيح داده شد، داده هاي سه بعدي جمع آوري شده در رايانه ذخيره مي شوند و نرم افزارهاي مناسب قادرند آنها را براي مقاصد مختلف مورد بررسي و تفسير قرار بدهند.

مراحل مدل سازي سه بعدی:

اين روش را مي توان در شش مرحله اساسي خلاصه نمود:

1- نشانه روي به منطقه يا سازه مورد نظر.

2- اسكن (جاروب) منطقه يا سازه مورد نظر و توليد ابر نقطه اي .Point Cloud

3- دسته بندي نقاط تشكيل دهنده اشكال و اجزاي مختلف منطق يا سازه مورد نظر.

4- تشكيل سطوح و مشخص نمودن اجزا در زمينه برداشت شده.

5- ثبت و تركيب اشكال حاصله با يكديگر و خلق مجموعه داده هاي مصنوعي.

6- تشكيل مدل سه بعدي با جزئيات.

از آنجا كه تعداد نقاط ثبت شده بسيار زياد است، مدل سه بعدي تشكيل شده داراي جزئيات بسياري است. از اين رو براي اندازه گيريها و مطالعات بسيار دقيق و سريع بسيار مناسب است. از كاربردهاي مهم اين روش در مهندسي، طراحي سازه هاي مختلف مثل پل ها و ساختمانها و همچنين طراحي مسير راهها و بزرگراههاست.

با استفاده از اين فن، مي توان از زوايا و ديدهاي مختلف، موضوع مورد نظر را مورد بررسي قرار داد و در تعيين نوع مصالح قابل استفاده و هزينه ها قبل از انجام طرح از آن بهره گرفت. در زمينه طراحي بزرگراهها با دردسترس بودن ديد سه بعدي حاصل از منطقه مي توان در ساعتهاي پر ترافيك بدون حضور در منطقه و بستن جاده، بازديد و بررسيهاي لازم را انجام داد.

Electronic Distance Measuring Instruments

در برخی موارد با استفاده از این روش می توان با لیزر اسکن نمودن ساختمانها و شبیه سازی موقعیت فعلی بناها و یا ساختمانها در یک منطقه، در زمینه ایجاد و ساخت بناهای جدید و بررسی محدودیتها و امکانات موجود و آینده، مطالعات لازم را انجام داد. این فناوری این امکان را به وجود می آورد که بتوان هر سازه را در جاهای مختلف قرار داد و مشکلات آن را بررسی کرد. همچنین طراح می تواند با استفاده

از وسایل مخصوص مثل عینک و دستکشهای خاص، در قسمتهای مختلف قرار گرفته و حرکت نماید. و از زوایای مختلف سازه های تشکیل دهنده منطقه را مورد بازدید قبل از ساخت قرار بدهد.

این فناوری همچنین قابلیت شبیه سازی موقعیتهای مختلف مثل هوای طوفانی، سیل و امکان بررسی مقاومت سازه هایی مانند پل و کانالهای فاضلاب در هنگام بروز چنین وقایعی را نیز دارد.

در موقعیتهای خطرناک و پیچیده و در مکانهای غیر قابل دسترس که در آنها امکان انجام نقشه برداری زمینی وجود ندارد با استفاده از این روش می توان بخوبی و با دقت بالا مدلی مناسب از منطقه تهیه نمود.

یکی دیگر از کاربردهای این روش استفاده از آن در بررسی یا ترمیم آثار باستانی است. با این روش مجموعه نقاطی به صورت ابر نقطه ای از مکانهای قدیمی و تاریخی برداشت می شود و پس از پردازش این نقاط در رایانه ، مدل بنا تشکیل شده و امکان بازسازی یا ترمیم آن سنجیده می شود. همچنین نرم افزار امکان آن را فراهم می آورد که بتوان موقعیت و شکل بنا را قبل از تخریب یا تغییر شبیه سازی نمود.