DigitalTwin4FM #3 – Introduction and Laser Scanning Requirements
Laser Scanning Introduction and Requirements
Laser scanning (LiDAR – Light Detecting and Ranging) is a very fast and accurate method of obtaining data on the geometry of an object. The measurement is based on the principle of laser determination of the distance from a point with specific coordinates (the center of the scanner) to the tested object and determination of its coordinates in the adopted spatial polar coordinate system. Laser scanning has both terrestrial, mobile and airborne applications. Learn the introduction and requirements of laser scanning. Learn about laser scanning requirements and introduction, a vital technique for accurate and efficient data collection.
This method has been effectively used for several years to perform measurements in various industries, including architecture, construction, and industry. It is also invaluable in archaeological work, conservation of monuments, and museums. The benefits of scanning are most visible where we are dealing with an object of a complex shape, hard-to-reach places, or very large surfaces, and where short measurement times and assured accuracy are important. Laser scanning is commonly used in the process of creating a Digital Twin – a digital twin of an object (it is often the only correct method), i.e. to obtain as-built information about an existing object. This data serves as a basis for creating a BIM model.
This article is part of the “Digital Twin for Property Managers” series promoting the training of the same title and explaining the path to delivering BIM models for Facility Management purposes and transforming them into a Digital Twin of the facility. Click below to check the previous posts:
- Digital Twin vs BIM Model: What’s the Difference?
- Asset Information Requirements and Essential Documentation
- Introduction and Laser Scanning Requirements
- BIM Arrangements with Facility Management Team
- BIM Workflow Output Standards for Property Managers
Point Cloud
The product of laser scanning is a point cloud. It is a collection of a huge number of individual points located in the same coordinate system, having additional data, such as the value of the signal reflection intensity, RGB color or classification, in addition to information about the x, y, z coordinates.
Scanning requirements
We most often scan volumetric objects using the terrestrial scanning method, or, depending on the project requirements, using a less precise dynamic method. Before starting the measurement, it is necessary to specify in detail the needs for which the service is to be performed. Thanks to this, the selection of the data acquisition technique and the parameters of the scan itself will be the most optimal from the economic point of view of the project, and the resulting point cloud will allow for effective work in further processing, including data modeling.
Features of the resulting point cloud
Below are the main features that characterize the resulting point cloud:
- output coordinate system
- data alignment tolerance value
- Cloud density – minimum recognizable object
- cloud thickness
- information about color or lack thereof
Coordinate system
Układ współrzędnych – informacja w jakim układzie dane będą pozyskane ma kluczowe znaczenie. Jeśli zależy nam, by wszystkie dane przestrzenne korelowały ze sobą, muszą znajdować się w tym samym układzie współrzędnych lub w układach o znanych parametrach, umożliwiających swobodną transformację danych między tymi układami. Jeśli chcemy np. zasilić istniejący model BIM danymi przestrzennymi o nowo powstałe instalacje, pomiar tych instalacji musi być w układzie istniejącego modelu lub w układzie umożliwiającym transformację do tego układu.
Tolerancja wyrównania danych
Tolerancja wyrównania danych jest rozumiana jako różnica w odległości między dwoma dowolnymi punktami na chmurze punktów, a odległością między tymi samymi punktami zmierzona inną metodą (dokładniejszą). Jest to istotny parametr podczas wyboru techniki pomiarowej. Dla małych obiektów np. 1000m2, utrzymanie tej samej tolerancji (przykładowo ±1 cm) jest o wiele łatwiejsze niż dla obiektu np. powierzchni 10000 m2. Aby utrzymać dokładność, należy wybrać odpowiednio dokładny skaner (dokładność pomiaru odległości, kąta pionowego i poziomego oraz wychylenia). Niejednokrotnie w celu zapewnienia dokładności pomiaru, należy wykonać pomiary tachimetryczne, które przy większych obiektach są często niezbędne.
Gęstość chmury
Gęstość chmury jest parametrem, który określa nam oczekiwaną odległość między dwoma sąsiadującymi punktami. Utrzymanie tej samej gęstości na całej wynikowej chmurze niejednokrotnie jest zbędne. Najlepszym sposobem na określenie tego parametru jest zdefiniowanie rozmiaru minimalnego rozpoznawalnego obiektu, którego lokalizacja na chmurze powinna być jednoznacznie identyfikowalna. Dzięki temu na powierzchniach płaskich jak ściany, ilość punktów pozyskaliśmy z mniejszą gęstością, a obiekty takie jak wiązary, czy instalacje uchwyciliśmy z większą gęstością. Czas który poświęcamy na skaning w pomieszczeniach, w których nie ma dużego zagęszczenia przechwytywanych obiektów (np. instalacji), zredukowaliśmy. W dalszej części ilość danych będzie mniej obciążać nasz komputer podczas dalszej analizy.
Miąższość chmury
Miąższość chmury określa nam tzw. grubość charakterystyczną dla danego skanera, ściśle związaną z metodą pomiaru odległości (fazową lub impulsową) oraz błędem jej wyznaczenia. Im mniejsza miąższość, tym dane są dokładniejsze i łatwiejsze w interpretacji. Dane pochodzące z naziemnych skanerów laserowych, dla powierzchni gładkich, niepołyskliwych, charakteryzują się miąższością na poziomie 0.002m – 0.005m (2-5 mm). Dane pozyskane o wiele szybszymi skanerami dynamicznymi, wartość miąższości mają już na poziomie 0.020m – 0.050m (2-5 cm). W przypadku gdy mamy do czynienia z obiektami, gdzie ważne z punktu widzenia pomiaru są elementy o małych wymiarach, lub też określenie ich lokalizacji wymaga dużej precyzji – parametr miąższości (wybór metody) powinien być jak najmniejszy.
Informacja o kolorze
Informacja o kolorze jest nadawana na podstawie zdjęć wykonanych bezpośrednio po wykonaniu pomiaru skanerem laserowym, lub też w trakcie w przypadku dynamicznych systemów. Pozyskanie tej informacji wpływa na czas pomiaru oraz znacząco wpływa na ilość danych, która zostanie pozyskana, a co za tym idzie również na czas przetwarzania. Dla większości obiektów, gdzie produktem jest wykonanie inwentaryzacji architektonicznej w postaci modelu BIM, informacja o kolorze nie jest konieczna, wystarczy jedynie informacja o intensywności odbicia sygnału (reprezentowana najczęściej w skali barw szarości). W sytuacji jednak, gdy mamy do czynienia z instalacjami, gdzie mnogość rurociągów oraz korytek jest znacząca, z pomocą przychodzi dodatkowa informacja, jaką jest właśnie kolor rzeczywisty. Dla osoby modelującej, informacja ta znacznie ułatwia pracę oszczędzając czas i minimalizując prawdopodobieństwo pomyłki.
Oprócz zdefiniowania powyższych cech, równie ważne jest precyzyjne określenie zakresu opracowania. W szczególności zdefiniowanie co jest przedmiotem pomiaru, np.:
- zewnętrze budynku wraz z połacią dachową,
- wszystkie pomieszczenia, w tym techniczne,
- czy w budynku znajdują się pomieszczenia z ograniczonym dostępem? Jeśli tak to jakie warunki należy spełnić by móc wykonać w nich pomiar,
- pomiar instalacji znajdującej się ponad podwieszanym sufitem.
Kontrola jakości otrzymanych danych – Wprowadzenie i wymagania skanowania laserowego
The data we received is the basis for further work. The errors we made at this stage are transferred to each subsequent stage. To the stage based on geometry throughout the entire cycle of building a digital twin. Once the data has been made, it can be used to perform many studies, both less and more specialized. It is important to be sure that we have obtained and processed them correctly . Performing data quality control often requires specialized software and knowledge of this narrow field of geodesy. Depending on the size of the object and the significance of the measurement, we can expect the contractor to provide quality assurance in the form of additional work. We can also commission such control to companies specializing in this type of measurement methods.
SUMMARY – Introduction and requirements of laser scanning
Laser scanning as a commonly used measurement method is a very fast and accurate technique for obtaining information about the geometry of an object. Performed in accordance with parameters appropriately selected for the needs, it allows for saving a significant amount of time. For example, during the construction of a BIM model, which is part of a digital twin. Data obtained by laser scanning can be used by many specialists. Both during work related to the creation of a model for the needs of architectural and construction inventory, construction calculations, or other types of analyses based on geometry. They also allow for obtaining information on the current equipment of rooms, or are helpful when creating measurement tables. Having data from laser scanning is an irreplaceable database of information about the geometry of an object.
………………………………………………………
In the next parts of the series, we will talk about BIM agreements with the Facility Management team. These will include: determining the division of elements in the building and their information requirements.
