Trabalho de topografia - Laser Scanner

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Laser Scanner
O Laser Scanner (varredura a laser) é um equipamento de medição tridimensional de alta precisão com capacidade para emitir uma sequência de raios lasers, orientados, sobre a superfície de um objeto ou de uma cena, com a finalidade de determinar a posição espacialdos pontos medidos. Estes equipamentos se destacam devido à exatidão no levantamento podendo alcançar níveis de precisão na casa de centésimo de milímetros. Geram uma nuvem de pontos com taxas de coleta que podem chegar a mais de 900.000 pontos/segundo. Para cada ponto medido é atribuído um coordenada XYZ.
Vantagens do se utilizar o Laser Scanner:
Medição sem contato: Evita acesso em áreas de risco, fácil captura de dados, captura da integridade das cenas críticas.
Custos operacionais reduzidos: sem necessidade de retorno de visitas, sem espera para permissões e redução do tempo de projeto.
Confiança nos dados: compreensão fácil da cena, detalhes ricos de dados e precisão.
Eficiência operacional: redução do risco do retrabalho, redução de tempo de paradas e reaproveitamento dos dados.
A Fig.XX mostra a evolução do Laser Scanner.
Figura XX – Evolução do Laser Scanner
Existem três tipos de Laser Scanners:
Hand Scanner (Scanner de mão): como o próprio nome já diz, é um scanner portátil de fácil manuseio.
Aplicações: Preservação de patrimônio, Arte e Arquitetura, Educação e pesquisa, computação gráfica, realidade virtual (jogos), digitalização do corpo humano, investigação forense e outros.
A fig. XX ilustra o Hand Scanner.
Figura XX – Hand Scanner
Scanner terrestre: Modelo mais utilizado
Aplicações: Levantamento de estruturas, construção civil, patrimônio histórico, topografia, mineração e outras.
A fig. XX ilustra o Scanner terrestre.
Figura xx – Scanner terrestre
Scanner aéreo: Levantamentos realizados a partir de uma vista aérea.
Aplicação: Inventário florestal (Fig. XX)
Figura XX – inventário florestal
Funcionamento
São três os princípios básicos de medição a laser: Triangulação, Time of Fligth (TOF) e Diferença de fase.
Triangulação
Possuem um ou dois sensores CCD (charge-coupled device), que é um sensor semicondutor para captação de imagens, e uma fonte de energia (laser). O pulso laser é emitido e seu retorno é registrado pelos sensores CCDs. 
Figura XX – Princípio de Triangulação
Quando se utiliza um sensor é chamado câmera simples (Fig. XX) e quando se utilizada dois sensores é chamado câmera dupla (Fig.XX). 
No método de câmera simples o laser é emitido diretamente a um espelho que por oscilação ou rotação envia o pulso laser aos objetos.
Figura XX – Triangulação – Câmera simples
No método de câmera dupla o laser é emitido direto ao objeto. O ângulo da varredura dos pulsos é registrado no sistema a cada pulso emitido e conhecendo-se a baseentre sensor e as câmeras, é possível determinar a posição dos pontos refletridos pelo objeto.
Figura XX – Triangulação – Câmera dupla
Este tipo de sistema é indicado para reconstrução de pequenos objetos com muitos detalhes (estátuas e esculturas).
É mais indicada para levantamentos a curta distância, tem baixa taxa de coleta de pontos (em torno de 500 pontos/segundo) e tem precisão submilimétricas.
Time Of Fligth (TOF)
Este princípio permite estimar a distância através da determinação do tempo de retorno do pulso laser, que é emitido milhares de vezes por segundo. Portanto determina-se a distância e a inclinação de cada observação, que serão utilizadas para calcular a posição 3D de cada ponto da nuvem.
Figura XX – Princípio de funcionamento Time Of Fligth
Este método é o mais utilizado para aplicações onde é preciso coletar informações acima de 50 metros de distância. Apresenta taxa de coleta até 80000 pontos/segundo e seu alcance pode variar entre 100 e 1500 metros.
As medições realizadas por este princípio de funcionamento fazem com que o pulso eletromagnético seja emitido pelo transmissor ao mesmo tempo em que um contador eletrônico é iniciado. O pulso é refletido pelo objeto e retorna ao receptor. Neste momento o contador interrompe sua contagem. Se a velocidade de propagação do sinal for conhecida, é possível determinar a distância percorrida pelo pulso laser, que é o dobro da distância ao objeto.
A exatidão está na faixa que vai do milímetro a alguns centímetros.
Diferença de fase
Este princípio utiliza o método de comparação de fase da onda laser para coletar as coordenadas X, Y e Z dos pontos registrados. Enquanto os outros métodos fazem com que um único pulso seja refletido, este método utiliza as variações da onda para realizar as medições. A distância do equipamento ao objeto é medida através da comparação da fase de onda, ou seja, entre a fase de saída e a fase de chegada do pulso. A fig. XX ilustra o método Diferença de fase.
Figura XX – Método Diferença de fase
Apresenta taxa de coleta até 525000 pontos/segundo e consegue boa precisão (3 mm a 6 mm) em baixas distâncias (até 25 metros).
Método de trabalho
Os dados são coletados em campo de acordo com a especificação de cada equipamento conforme sua aplicação (trabalho a ser realizado).Diferentes tipos de laser scanners poderão ser utilizados de acordos com suas características.
Por exemplo, para fazer o levantamento de dados de uma estátua, deverá ser utilizado um equipamento com a taxa de coleta maior com uma capacidade menor para distâncias. Ao modo que para levantamentos topográficos de grandes áreas, a capacidade de se medir em grandes distâncias seja mais importante.
Após coleta dos dados, estas informações são passadas para softwares destinados ao tratamento das imagens obtidas pelo Laser Scanner. Cada aplicação exigirá um tratamento diferente.
Aplicação na Engenharia civil
Tudo que pode ser escaneado pode ser medido. Há diversas aplicações do Laser scanner na engenharia civil. Calcular volumes, levantamentos topográficos, modelagem de edificações, monitoramento de estruturas e etc.
Monitoramento de pontes e viadutos (Fig.XX)
Figura XX – Monitoramento de pontes
Cálculo de volume da pilha de minério no porto de Tubarão (Fig.XX)
Figura XX – Cálculo de volume de minério – Porto de Tubarão
Levantamento de talude de quartzito instável – Mina de Timbopeba (Fig.XX)
Figura XX – Levantamento de dados em talude instável – Mina de Timbopeba
Modelagem de edificações (Fig. XX)
Figura XX – Modelagem de edificações
Construção de túneis (Fig. XX)
Figura XX – construção de túneis
Verificação de estruturas (Fig.XX)
Figura XX – Verificação de estruturas
Interseções de trânsito (Fig.XX)
Figura XX – Interseção de trânsito
Especificações
Data sheet em anexo.
Preços
A variação de preços dos equipamentos de Laser scanner é muito grande. Os valores dependem de suas especificações como taxa de coleta (pontos/segundo), distâncias, precisão e acessórios.
Referências bibliográficas:
http://www.agrimensordofuturo.com/post.cfm?id=23
http://mundogeo.com/seminarios/geomatica2011/arquivos/irineu_silva-leica.pdf
file:///C:/Users/User/Downloads/MESTRADORodrigoGoncales.pdf