Применение лазерного сканирования при информационном моделировании зданий. Обмерные работы здания музея современной истории россии и других объектов исторического наследия с применением лазерного сканирования Создание информационной модели

Технические проблемы с проведением обмерных работ архитектуры

Трехмерное лазерное сканирование стремительно становится неотъемлемой частью производства обмерных работ при подготовке проектов реставрации зданий и сооружений - объектов культурного наследия.

Очевидные преимущества технологии 3D лазерного сканирования:
- автоматическое представление результатов обмеров в цифровом виде;
- беспрецедентная скорость съемки (количество измерений до 1,2 миллионов измерений в секунду);
- высочайшая детальность лазерной съемки (шаг измерений 1–2 мм);
- выполнение обмерных работ без необходимости монтажа строительных лесов;
- автоматическая фотофиксация объекта съемки, совмещенная с процессом обмерных работ;
Всё это ставит эту технологию лазерного сканирования вне конкуренции по сравнению с традиционными методиками зданий и сооружений.

Благодаря указанным выше преимуществам, обмерные работы на объектах исторического наследия выполняются значительно быстрее и, в конечном итоге, гораздо качественнее и дешевле, чем с применением любых традиционных технологий.

Эта статья является собственностью компании «НГКИ». При использовании любых материалов с этого ресурса ссылка на сайт www.!

Компания «НГКИ» выполняет архитектурные обмеры с применением лазерного сканирования с 2003 года

Инженерная компания «НГКИ» занимается архитектурными обмерами зданий и сооружений с применением лазерного сканирования начиная с момента ввоза первых 3D лазерных сканеров в Россию в 2003 году.

По результатам съемки с применением лазерного сканирования наша компания выпускает общепринятые комплекты исполнительных чертежей:
- чертежи фасадов;
- планы кровли;
- поэтажные планы;
- горизонтальные и вертикальные разрезы и сечения;
- чертежи интерьеров;
- чертежи/шаблоны элементов декора.

Результаты обмерных работ с помощью лазерного сканирования и построение обмерных чертежей

Объем и качество измерений, выполняемых современными лазерными сканирующими системами, дают возможность, в отличие от фотосъемки, без увеличения временных затрат на дополнительные измерения получать высокоточную и достоверную информацию о размерах и объемах утрат и переносить их на обмерные чертежи.

Первичным результатом выполнения обмерных работ с помощью 3D лазерного сканирования является единое облако точек измерений, получаемое путем «сшивания» и объединения облаков измерений, получаемых на каждой из точкек установки 3D лазерного сканера. Сшитое и очищенное от помех облако точек измерений является важным источником информации обо всех геометрических параметрах элементов обмеряемого объекта. В случае, если после завершения подготовки обмерных чертежей облака точек измерений сохраняются, то исполнитель обмерных работ или Заказчик могут по облакам точек получить размеры, не попавшие на построенные в итоге объекта.

Промежуточным результатом обработки данных лазерного сканирования являются ортофотопланы, представляющие собой растровое изображение объекта с сохраненными пропорциями, размерами и координатами всех его элементов. Ортофотопланы позволяют осуществлять непосредственное построение плоских чертежей в программных комплексах типа AutoCAD. Однако, сама подготовка ортофотопланов по облакам точек выполненных измерений занимает очень значительное время и применяется только в случаях, когда исполнители обмерных чертежей не могут использовать программное обеспечение, позволяющее строить необходимые чертежи без трансформации имеющихся цифровых данных в ортофотопланы.

В случае, если компания обладает необходимым специализированным программным обеспечением и практическим опытом построения трехмерных моделей и чертежей с использованием данных лазерного сканирования, следующим практическим этапом выполнения работ является построение комплекта обмерных чертежей по сшитому облаку точек всего объекта. Геодезические предприятия, владеющие технологией 3D лазерного сканирования и многолетним опытом обмерных работ, как правило, быстро и эффективно выполняют работы по построению стандартного набора чертежей:
- чертежи фасадов;
- планы кровли;
- поэтажные планы;
- разрезы;
- сечения.

Итоговое качество подготовки обмерных чертежей в равной степени определяется как квалификацией специалистов, осуществляющих их подготовку, так и качеством полученных данных выполненного лазерного сканирования, то есть оптимальным размещением лазерных сканеров в процессе съемки, плотностью точек при каждом сканировании, геодезическим обоснованием на объекте, качеством фотофиксации на объекте.

В том же случае, если Заказчику требуются специализированные чертежи сложных элементов декора или их шаблоны, и Заказчик обладает опытом построения такого типа чертежей, то выполнение специализированных чертежей самим Заказчиком является оптимальным подходом к данной части работ. В этом случае оправданы даже дополнительные временные затраты на подготовку ортофотопланов, которые в значительной степени упрощают специалистам Заказчика построение чертежей или шаблонов. Построение цифровой 3D модели объекта является естественной возможностью, предоставляемой технологией лазерного сканирования . Однако в связи с тем, что цифровая 3D модель, выполняемая по полученным результатам исполнительной съемки, обычно не включается ни в один из пакетов документов, необходимых архитекторам и строителям, эта уникальная возможность зачастую остается невостребованной.

Ограничения в применении технологии 3D лазерного сканирования при выполнении архитектурных обмеров

Ограничения применения технологии 3D лазерного сканирования несоизмеримо меньше ограничений, возникающих при использовании традиционных технологий архитектурных обмеров, но, тем не менее, они тоже существуют.

Первое из таких ограничений - это «тени», то есть места, недоступные для лазерной съемки. Выполнение лазерной съемки фасадов с поверхности земли в условиях близкого расположения зданий естественно создает «тени» на сканах верхних этажей зданий. Использование в съемке с применением технологии 3D лазерного сканирования какого-либо подъемного механизма в целях исключения пресловутых «теней» на сканах неизбежно удорожает всю съемку, а также увеличит временные затраты и снизит точность съемки за счет нестабильности основания. Поэтому полевая бригада должна обладать существенным опытом выполнения съемочных работ с применением 3D лазерных сканеров, чтобы, с одной стороны, минимизировать размеры «теней» и оставить их только в тех местах, которые не будут критичными для построения планов фасадов и чертежей деталей, расположенных на фасадах, а, с другой стороны, существенно не увеличить трудозатраты на съемку в условиях ограниченных бюджетов, выделяемых Заказчиками на выполнение съемки объекта.

Второе ограничение связано с беспрецедентным объемом обрабатываемой измерительной информации. Например, выполнение съемки среднего по размерам объекта «Музей современной истории России», расположенного по адресу Москва, улица Тверская, д. 21, даже при минимальной детализации интерьеров, потребовала 725 сканов. Количество сканов, необходимых для съемки объекта, определяется не только и не столько размерами этого объекта, сколько его сложностью, то есть количеством помещений и сложностью их формы.

Обмеры Музея современной истории России с помощью лазерного сканирования и обработка данных

Общий объем сырых измерений (до обработки данных) при выполнении съемки Государственного центрального музея современной истории России (ГЦМСИР) составил более 47 гигабайт. Обработка столь внушительного объема данных требует использования самых современных компьютеров с максимальным объемом оперативной памяти и дискового пространства, причем все используемые жесткие диски должны обладать максимально возможной скоростью записи и передачи данных.

При том, что съемка данного объекта заняла 15 рабочих дней бригадой из двух человек, чистка и сшивка полученных в результате проведенного лазерного сканирования облаков точек заняла 31 день работы одного нашего специалиста при полном отсутствии какой-либо возможности параллельного ведения процесса сшивки сканов сразу на нескольких рабочих местах. Такое соотношение затрат времени на съемку и первичную обработку данных неприемлемо. По этой причине к настоящему моменту в компании «НГКИ» разработана технология параллельной съемки сложных объектов несколькими лазерными сканерами без потери точности съемки всего объекта и возможностью параллельной сшивки различных частей объекта с использованием нескольких лицензий программного обеспечения для сшивки сканов. Эта разработанная технология первичной обработки полученных данных позволяет сократить затраты времени на съемку и первичную обработку данных на 40% при использовании двух сканеров равной производительности и двух лицензий программного обеспечения для сшивки и чистки данных и на 70% при использовании трех лазерных сканеров и трех лицензий программного обеспечения для первичной обработки данных.

Обязательной составляющей выполнения любых обмерных работ на объектах исторического и культурного наследия является фотофиксация состояния измеряемого объекта. Высокопроизводительные фотокамеры, устанавливаемые на современных 3D лазерных сканерах, позволяют и получить высокое качество снимков объекта обмеров, и придать в автоматическом или полуавтоматическом режимах точкам измерений естественный цвет точек самого объекта. Это существенным образом упрощает выполнение работ по идентификации и подготовке обмерных чертежей и шаблонов сложных элементов декора в дальнейшем, но в то же время и увеличивает время съемки 3D сканером на каждой точке его установки и не заменяет полностью фотофиксации объекта с использованием фотосъемки «с рук». Минимизация временных потерь в данном случае зависит исключительно от квалификации инженерной бригады, осуществляющей как саму лазерную съемку, так и фотофиксацию.

Развитие геодезической техники привело к появлению технологии 3D лазерного сканирования. На сегодняшний день это один из самых современных и производительных методов измерений.

Наземное лазерное сканирование — бесконтактная технология измерения 3D поверхностей с использованием специальных приборов, лазерных сканеров. По отношению к традиционным оптическим и спутниковым геодезическим методам характеризуется высокой детальностью, скоростью и точностью измерений. 3D лазерное сканирование применяется в архитектуре, промышленности, строительстве дорожной инфраструктуры, геодезии и маркшейдерии, археологии.

Классификация и принцип действия 3D лазерных сканеров

3D лазерный сканер – прибор, который, производя до миллиона измерений в секунду, представляет объекты в виде набора точек с пространственными координатами. Полученный массив данных, называемый облаком точек, может быть впоследствии представлен в трехмерном и двухмерном виде, а также использован для измерений, расчетов, анализа и моделирования.

По принципу действия лазерные сканеры разделяют на импульсные (TOF), фазовые и триангуляционные. Импульсные сканеры рассчитывают расстояние как функцию времени прохождения лазерного луча до измеряемого объекта и обратно. Фазовые оперируют со сдвигом фаз лазерного излучения, в триангуляционных 3D сканерах приемник и излучатель разнесены на определенное расстояние, которое используется для решения треугольника излучатель-объект-приемник.

Основные параметры лазерного сканера – дальность, точность, скорость, угол обзора.

По дальности действия и точности измерений 3D сканеры разделяются на:

высокоточные (погрешность меньше миллиметра, дальность от дециметра до 2-3 метров),
среднего радиуса действия (погрешность до нескольких миллиметров, дальность до 100 м),
дальнего радиуса действия (дальность сотни метров, погрешность от миллиметров до первых сантиметров),
маркшейдерские (погрешность доходит до дециметров, дальность более километра).

Последние три класса по способности решать различные типы задач можно отнести к разряду геодезических 3D-сканеров. Именно геодезические сканеры используются для выполнения работ по лазерному сканированию в архитектуре и промышленности.

Скорость действия лазерных сканеров определяется типом измерений. Как правило, наиболее скоростные фазовые, на определенных режимах скорость которых достигает 1 млн измерений в секунду и более, импульсные несколько медленнее, такие приборы оперируют со скоростями в сотни тысяч точек в секунду.

Угол обзора – ещё один немаловажный параметр, определяющий количество данных, собираемых с одной точки стояния, удобство и конечную скорость работы. В настоящее время все геодезические лазерные сканеры имеют горизонтальный угол обзора в 360°, вертикальные углы варьируются от 40-60° до 300°.

Характеристики лазерного сканирования

Хотя первые сканирующие системы появились относительно недавно, технология лазерного сканирования показала свою высокую эффективность и активно вытесняет менее производительные методы измерений.

Преимущества наземного лазерного сканирования:

высокая детализация и точность данных;
непревзойденная скорость съемки (от 50 000 до 1 000 000 измерений в секунду);
безотражательная технология измерений, незаменимая при выполнении работ по лазерному сканированию труднодоступных объектов, а также объектов, где нахождение человека нежелательно (невозможно);
высокая степень автоматизации, практически исключающая влияние субъективных факторов на результат лазерного сканирования;
совместимость полученных данных с форматами программ по 2D и 3D проектированию ведущих мировых производителей (Autodesk , Bentley , AVEVA , Intergraph и др.);
изначальная «трехмерность» получаемых данных;
низкая доля полевого этапа в общих трудозатратах.

Применение 3D лазерного сканирования выгодно по нескольким причинам:

проектирование с использованием трехмерных данных геодезических изысканий не только упрощает сам процесс проектирования, но главным образом повышает качество проекта, что минимизирует последующие расходы на этапе строительства,
все измерения проводятся крайне быстрым и точным методом, исключающим человеческий фактор, степень достоверности информации повышается в разы, уменьшается вероятность ошибки,
все измерения проводятся безотражательным способом, дистанционно, что увеличивает безопасность работы; например, нет необходимости перекрывать автостраду для съемки поперечных сечений, возводить строительные леса для измерения фасада,
технология лазерного сканирования интегрируется с большинством САПР (Autodesk AutoCAD , Revit , Bentley Microstation), а также с «тяжелыми» средствами проектирования, такими как AVEVA PDMS , E3D , Intergraph SmartPlant , Smart3D, PDS.
результат изысканий получается в различных видах, от выходного формата зависит цена лазерного сканирования и сроки работ:
- трехмерное облако точек (определенные САПР работают уже с этими данными),
- трехмерная модель (геометрическая, интеллектуальная),
- стандартные двумерные чертежи,
- трехмерная поверхность (TIN, NURBS).

Процесс лазерного сканирования состоит из трех основных этапов:

рекогносцировка на местности,
полевые работы,
камеральные работы, обработка данных

Применение лазерного сканирования

Работы по лазерному сканированию в России на коммерческой основе выполняются с десяток лет. Несмотря на то, что технология достаточно универсальна, за это время определился круг основных применений.

Наземное лазерное сканирование в геодезии, маркшейдерии применяется для съемки топографических планов крупного масштаба, съемки ЦМР. Наибольшая эффективность достигается при лазерном сканировании карьеров, открытых выработок, шахт, штолен, тоннелей. Скорость метода позволяет оперативно получать данные о ходе земляных работ, рассчитывать объемы вынутой породы, осуществлять геодезический контроль хода строительства, следить за устойчивостью бортов карьера, мониторить оползневые процессы. Подробнее см. в статье

Лазерное сканирование представляет собой передовую бесконтактную технологию трёхмерного измерения объектов и поверхностей. По сравнению с традиционными оптическим и спутниковым геодезическими методами технология лазерного сканирования характеризуется феноменальной детальностью, невероятной скоростью, высокой точностью измерений. Данная технология является поистине революционной в сфере инженерных изысканий, поскольку именно его появление предопределило мощный качественный рывок всей отрасли. Сегодня лазерное сканирование широко применяется в архитектуре, промышленности и энергетике, геодезии и маркшейдерии, на объектах транспортной инфраструктуры, в гражданском и промышленном строительстве, добывающей отрасли, археологии, востребована она также и во многих других отраслях производства и народного хозяйства.

Что такое трёхмерное лазерное сканирование?

Что необходимо сделать для построения точной трёхмерной модели здания или чертежа цеха? Безусловно, сначала провести измерения и получить координаты всех объектов (пространственные x,y,z или x,y на плоскости), а затем уже представить их в нужном графическом виде. Именно измерения координат объекта, иначе говоря, съёмка, составляют наиболее трудоёмкую и затратную часть всей работы. Как правило, геодезисты или другие специалисты, проводящие измерения, используют современное оборудование, в первую очередь электронные тахеометры, которые позволяют получать координаты точек с высокой точностью (до нескольких миллиметров).

Принцип работы электронного тахеометра основан на отражении узконаправленного лазерного пучка от отражающей цели и измерении расстояния до неё. Отражателем в общем случае служит специальная призма, которая крепится на поверхности объекта. Определение двух углов (вертикального и горизонтального) и расстояния даёт возможность вычислить трёхмерные пространственные координаты точки отражения. Скорость измерения тахеометра невысока (не более 2 измерений в секунду). Данный метод эффективен при съёмке разреженной, малозагруженной объектами площади, однако даже и в этом случае сложности, с которыми приходится сталкиваться при креплении отражающих призм (на большой высоте или в труднодоступном месте), зачастую оказываются непреодолимыми.

Относительно недавнее появление безотражательных электронных тахеометров, которые работают без специальных отражателей, произвело «бархатную» революцию в геодезии - теперь стало можно проводить измерения без долгих и утомительных поисков лестниц для подъёма отражателя под крышу дома, всевозможных подставок для установки призмы над полом в помещении с высокими потолками и других подобных сложностей - достаточно лишь навестись на необходимую точку, ведь луч может отражаться от любой ровной поверхности.

При использовании метода традиционных тахеометрических измерений, сколько времени, например, потребуется для детальной съёмки фасада здания высотой 20 м или цеха металлургического завода площадью 2 га? Недели, месяцы? Применение безотражательного тахеометра может значительно сократить сроки, но, тем не менее, даже в данном случае специалист проведет за прибором долгие часы и дни. А с какой же плотностью он сможет выполнить съёмку фасада - одна точка на квадратный метр? Навряд ли этого будет достаточно для построения высококачественного подробного чертежа со всеми необходимыми элементами. А теперь представьте, что у вас есть безотражательный тахеометр, который ведёт съёмку автоматически, без участия оператора, со скоростью 5 тысяч измерений в секунду! Ещё совсем недавно такое предложение представлялось не менее фантастичным, чем полет на Луну сто лет назад. Сегодня это стало так же реально, как и следы американских астронавтов или русского «Лунохода» на поверхности нашего небесного соседа. Название этого чуда - лазерное сканирование . Это метод, который позволяет создавать цифровые модели всего окружающего пространства, представляя его набором (облаком) точек с пространственными координатами.

Съёмка со скоростью 5 тысяч точек в секунду была чудом, когда технология лазерного сканирования только начинала завоёвывать мир геодезических изысканий. Сейчас же современные лазерные сканеры позволяют выполнять съёмку с поистине невероятной скоростью - более миллиона точек в секунду ! Это действительно в значительной степени сокращает трудозатраты на полевой этап работ, при этом давая возможность оперативно получать сверхподробные данные результатов измерений с высокой точностью.

Где применяется лазерное сканирование?

Как многие технические новшества и технологии, недавно вышедшие из лабораторий ученых, лазерное сканирование находится только в начале пути освоения разнообразных приложений. Но уже сейчас можно перечислить несколько технологических сфер, в которых 3D лазерные сканеры применяются все более активно и уже достаточно давно стали практически незаменимыми:
- съемка промышленных объектов (заводы, нефтеперерабатывающие заводы, сложное производство);
- съемка объектов энергетики (атомные, гидро- и тепловые электростанции);
- съемка мостов;
- съемка и профилирование тоннелей;
- промышленные измерения (определение объемов резервуаров, жидких и сыпучих материалов);
- горная промышленность;
- реставрация и строительство;
- архитектура и археология.

Сегодня в геодезии для разрешения разнообразных архитектурных и строительных ситуаций применяются инновационные трехмерные лазерные 3D сканеры. Программные комплексы, такие как Leica Cyclon, позволяют оперативно и эффективно обрабатывать полученные данные.

Сканирование фасадов строений

Геодезическая съемка дает возможность получать данные для последующего выполнения монтажных и строительных операций над лицевой частью объекта. С помощью инновационных методик съемка фасадов осуществляется оперативно и сверхточно, не зависимо от сложности проектирования. Сканирование фасадов позволяет оценить качество и правильность выполненных монтажных мероприятий. Кроме того, лазерное сканирование объектов эффективно при выполнении работ по их реконструкции - оно обеспечивает воссоздание былого вида уникального здания или сооружения с высочайшей точностью.

Фасадные чертежи

Полученные результаты при выполнении геодезической съемки оформляются в виде чертежей. Они могут выполняться в любом масштабе, удобном для заказчика. В данной документации отображается основная информация о фасаде (размеры, степень отклонения от плоскости).

Чертежи и модели элементов декора

При детальном лазерном сканировании элементов декора, которое совмещается с поэтапным просмотром всей конструкции, по запросу заказчика можно получить общий чертеж здания или чертеж-развертку с просмотром сечений в любых местах строения. Сканирование отдельных элементов позволяет создать шаблоны, чертежи, а также сечения отдельных деталей, произвести фиксацию утраченных элементов. Современные технологии позволяют сверхточно сканировать тонкую гравировку, а также строить чертежи, соответствующие реальному объекту, даже с учетом утраченных элементов декора.

Обследование сооружений и зданий

Основа безопасной эксплуатации любого сооружения состоит в его предварительном техническом обследовании. Оно включает в себя ряд расчетов и исследований, на основании которых принимаются дальнейшие решения. Вовремя выявленные с помощью лазера дефекты конструкций и причины их появления позволяют увидеть всю картину в целом, исследовать здание в разрезе.

Формирование дефектных ведомостей и создание отчета

Успешному составлению дефектных ведомостей предшествует предварительное обследование строения, выявление типов повреждений и оптимальной точности измерений, а также формата представления данных. С помощью полученного облака точек можно детально вычертить модель и увидеть все недочеты, изъяны здания или сооружения, полученные в процессе строительства или эксплуатации. Просчитать углы отклонения и сделать все необходимые замеры.

Метод составления дефектных ведомостей с помощью лазерного сканирования отличается высочайшей точностью. Как отчетную документацию, заказчик получает файлы 3D моделей и их бумажные распечатки (аксонометрические или перспективные проекции общих видов и разрезов).

Обмерные работы. Создание планов и разрезов

Для произведения обмеров фасадов строений применяется технология, объединяющая в себе методы сканирования лазером и цифровой фотограмметрии. В этом случае съемка производится сканером со встроенным фотоаппаратом. Примерные действия по выполнению работы:

составление программы
закрепление опорных точек с последующим определением их координат
непосредственно произведение лазерного сканирования и процесс фотографирования здания с заданных точек
создание единого блока точек из каждого отдельного сканера

Полученные чертежи передают реальную картину и размеры сооружений, с возможностью измерить любой отдельный элемент. На основе полученной 3D модели можно получить необходимые планы конструкций.

Метод лазерного сканирования позволяет проводить точные обмеры в краткие сроки и получить полную информацию об объекте в едином массиве облака точек или 3D проекта. Это существенно упрощает процесс использования и управления информацией, а также дает возможность получать любые данные из одного источника. При совместном применении разнообразных методов и технологий появляется возможность сопровождать проекты удобной в использовании и исчерпывающей по содержанию документацией, что облегчает выполнение работ.