Технологии

Инструменты изучения реальности

Широкий круг задач, которые приходится решать исследователю, сводится к созданию моделей, отражающих реальные объекты. Среди объектов материальной культуры, с которыми мы работали, встречались предметы широкого спектра: от мелких, найденных археологами фрагментов керамических изделий до обширных территорий, населенных некогда народом доколумбовой культуры. 

Изучение объектов в среде их существования часто неудобно или невозможно в связи с наличием различных мешающих изучению помех, уникальности объекта и опасениями его утратить в процессе изучения, зачастую просто из-за плохой доступности или значительных размеров объектов. Во многих случаях ограниченность ресурсов растягивала изучение объектов на годы или вынуждала иследователей ограничиться исследованиями лишь отдельных фрагментов объекта. Все это, а также необходимость научного документирования объекта, приводит к необходимости его моделирования с использованием современных высокопроизводительных средств сбора данных. Идет речь о создании цифрового образа объекта, который с необходимой точностью отражает его реальные свойства и позволяет производить измерения его параметров, заниматься анализом его свойств. Цифровая модель может быть сохранена на значительное время современными и пересохранена будущими средствами хранения информации. Она становится доступной для широкого круга исследователей при организации дистанционного доступа через интерпнет. Особенно важно создание качественных моделей для объектов, которые могут быть утрачены частично или полностью из-за природных факторов или деятельности человека. В инженерных приложениях моделирование реальных объектов позволяет так же способствовать проектным работам и контролю качества реализованных в натуре работ а так же оптимизировать эксплуатацию уже созданных объектов.

Способы моделирования

Развитию технологий к настоящему времени привело к созданию нескольких способов моделирования. Среди используемых нашей лабораторией доминируют две технологии сбора данных для цифрового моделирования:

  • - активный сенсор - лазерное сканирование
  • - пассивный - фотограмметрия

Среди прочих методов рассматриваются использовние сканеров структурированного света и геофизические методы.

Важно отметить, что в процессе  моделирования объекта, могут использоваться комбинированные данные, то есть данные, собранные с помощью разных методов.  Такой подход позволяет оптимизировать затраты времени на съемку и обработку и стоимость работ, принимая во внимание требования детальности данных.

Современные методы ГИС позволяют свести данные, полученные различными спрсобами, в единую цифровую модель с необходимой точностью отражающую параметры реального объекта.

 

Технологии лазерного сканирования

Использование технологий лазерного сканирования для документирования формы поверхностей стало возможным и получило широкое развитие в начале двухтысячных годов, как только появилось надежное оборудование для производства ряда работ в интересах картографов, проектировщиков, строителей и пользователей (эксплуатирующих организаций) дорог, тоннелей, плотин, линий электропередач. Вскоре были оценены возможности лазерных сканирующих систем, устанавливаемых на воздушных судах. В процессе съемок  была обнаружена возможность выявления истинной поверхности грунта, скрытой растительностью. Технологии дешифрирования полученных результатов сканирования позволили выделять аномалии формы поверхности, которые нельзя было объяснить естественными причинами. Таким образом в руках исследователя появился инструмент для исследования значительных площадей и выявления скрытых археологических объектов.

Основные принципы технологии лазерного сканирования

Видеть невидимое

Технология воздушного лазерного сканирования основана на использовании мощного импульсного лазера, установленного на воздушном судне (это может быть вертолёт, самолет, беспилотный летательный аппарат). Лазер генерирует кратковременные порции светового излучения в инфракрасной, то есть невидимой глазом, области спектра. Благодаря физическим процессам в полупроводниковом кристалле излучателя, генерируется монохромный, когерентный слабо расходящийся луч, который направляется на объект изучения. Отраженный от поверхности объекта луч частично поглощается этой поверхностью, рассеивается встреченными на пути препятствиями и воздушной средой, однако до сенсора, имеющегося в составе прибора, доходит достаточное для регистрации количество энергии. Определив время от момента излучения светового импульса до момента возвращения отраженного света к сенсору прибора, используя постоянство скорости света, можно вычислить расстояние между прибором и отражающей поверхностью. Как уже было сказано, луч лазера имеет не строгую цилиндрическую форму, а расходится конусом. Величина светового пятна на исследуемой поверхности зависит от параметров прибора и от расстояния между прибором и поверхностью. Типичные лазеры, используемые в лидарной технологии, имеют угол расхождение луча менее 1.0 миллирадиана. Это означает, что при сканировании с типичного значения высоты 300 метров, диаметр светового пятна на земле будет менее 0.3 метра.

В результате, каждый импульс луча лазера, направленный с воздушного судна на поверхность, покрытую растительностью, проходя через нее, может иметь несколько отражений (от листьев, стеблей и пр.), последнее из которых является отражением от земной поверхности.  Важно, разумеется, чтобы препятствие не перекрывало собой полностью световое пятно.  Таким образом создается эффект «видения» невидимой, закрытой от наблюдателя растительным покровом, поверхности и возможность выявления аномальных структур рельефа

Для обеспечения снятия профиля местности не только вдоль линии полета воздушного судна, но и в достаточно широкой полосе вдоль этой линии, прибор оборудован зеркальным отражателем, который циклично отклоняет луч лазера поперек движения воздушного судна. Ширина полосы съемки определяется углом сканирования прибора (типичные значения до 45-75 градусов) и высотой полета.

Необходимыми компонентами системы воздушного лазерного сканирования являются так же устройство глобального позиционирования (GPS) и инерциальная система. позволяющая в любой момент определить и зарегистрировать положение лазерного сканера в пространстве. Повысить точность результатов до необходимой величины помогают стационарные или переносные GPS-приемники - базовые станции, которые устанавливаются в районе съемки в точках с известными координатами. 

Многие задачи решаются с помощью наземных лазеров без использования воздушного судна. Обычно эти задачи связаны с документированием крупных материальных объектов материальной культуры и окружающей их обстановки.  Это могут быть постройки, инженерные сооружения, образцы техники различного назначения, элементы рельефа, археологические раскопы, пещеры.

 Картинку бы с лучшим разрешением и дорисовать  в ней копированием группировку спутников - еще пару штук. Картинка эта самодельная из какой-то презентации-  может найти оригинал и доработать? Откомментировать немножко рисунок. Разместить его повыше посреди текста.

 

Примеры использования технологии лазерного сканирования

     

Слева фотография участка с густой растительностью, скрывающей от наблюдателя искусственную земляную платформу. Справа - цифровая модель той же местности, полученннная на основе данных лазерного сканирования. Долина реки Гуайабамба, Эквадор.

Эффективность выявления скрытых растительностью археологических объектов на больших площадях убедительно подтверждена экспедицией 2015 года в долину реки Упано (Эквадор)

 Изучение профиля обнаруженной с помощью лазерного сканирования аномалии с помощью возможностей ГИС

Изучение профиля обнаруженной с помощью лазерного сканирования аномалии с помощью возможностей ГИС. Исследование геометрии подобных аномалий позволяет оценить ее происхождение и перспективы археологического вскрытия.

Хорошо бы картинку с лучшим разрешением!  Стоит ли упоминать Самбек, где это снималось? Или заменить на какую-то другую.

Не надо ли добавить еще какие-то примеры? Хорошо бы, наверняка есть. Хорошо бы примеры подтверждающие еще какие-то преимущества технологии. Например, модель танка или что то другое, что есть, сделанное наземным лазером.