Технология 3D лазерного сканирования в архитектуре и строительстве

XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Технология 3D лазерного сканирования в архитектуре и строительстве

Васильева М.Р. 1
1ГАОУ СО "Лицей-интернат-64" 9 класс
Каюкова И.В. 1
1ГАОУ СО "Лицей-интернат-64" 9 класс
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Актуальность. До недавнего времени для получения метрической информации об архитектурных объектах применялись либо методы наземной фотограмметрии1, либо натурные обмеры2. Оба этих способа являются очень трудоёмкими и в полной мере не позволяют создать детальную трехмерную модель объекта. Появление оборудования лазерных сканеров позволило сократить трудозатраты на проведение измерений и стало новейшим методом получения точных 3D моделей пространственного объекта [5].

Лазерное 3D-сканирование — создание цифровой модели физического тела при помощи луча лазера. В процессе сканирования прибор при помощи встроенного дальномера вычисляет расстояние, горизонтальные и вертикальные углы до всех видимых точек объекта. Далее формируется изображение в виде облака точек (набор вершин в трёхмерной системе координат). Технология бесконтактная, работает на близких и дальних расстояниях, исключает повреждения объектов во время сканирования.

Рисунок 1. Облако точек лазерного сканирования.

Источник: 3D Laser Scanning for Heritage. HistoricEngland [6].

Объект исследования: технология 3D лазерного сканирования.

Предмет исследования: облако точек, созданное в процессе лазерного сканирования объекта культурного наследия федерального значения "Усадьба, 1825г." по адресу: г. Саратов, ул. Московская, д.9.

Гипотеза: технология 3D лазерного сканирования позволяет создавать цифровую модель здания с высокой степенью детализации в виде облака точек, которую можно применять в архитектуре и строительстве.

Цель исследования: изучение технологии и возможностей 3D лазерного сканирования, в том числе с проведением полевых и камеральных работ на объекте культурного наследия федерального значения "Усадьба, 1825г." по адресу: г. Саратов, ул. Московская, д.9.

Задачи:

  • сбор информации о 3D лазерном сканировании;

  • определение видов, областей применения и преимуществ 3D лазерного сканирования;

  • знакомство с прибором наземного лазерного сканирования;

  • проведение полевых работ на объекте культурного наследия федерального значения "Усадьба, 1825г." по адресу: г. Саратов, ул. Московская, д.9.;

  • знакомство с программным обеспечением при работе с облаком точек;

  • фиксация последовательности работ с облаком точек;

  • проведение камеральных работ;

  • фиксация итогов исследования и эксперимента.

Методы исследования: поиск, анализ, обобщение, систематизация, классификация, эксперимент, синтез.

Глава 1. Сущность лазерного сканирования, виды, преимущества

Лазерное сканирование основано на использовании оптически направленных лазерных лучей для сбора информации об объекте в трехмерных измерениях. Это позволяет надежно и точно создавать траекторию системы (то есть положение и ориентацию).

Лазерный сканер — это съёмочная система, измеряющая с высокой скоростью (от нескольких тысяч до миллиона точек в секунду) расстояния от сканера до поверхности объекта и регистрирующая соответствующие направления (вертикальные и горизонтальные углы) с последующим формированием трёхмерного изображения (скана) в виде облака точек [1].

Результатом работы сканера являются:

  • растровое изображение - скан, значения пикселей которого представляют собой элементы вектора со следующими компонентами: измеренным расстоянием, интенсивностью отражённого сигнала и RGB3-составляющей, характеризующей реальный цвет точки; 

  • массив точек лазерных отражений от объектов, находящихся в поле зрения сканера, с пятью характеристиками, а именно пространственными координатами (х, у, z), интенсивностью и реальным цветом.

Рисунок 2. Результат работы сканера: а) растровое изображение, б) облако (массив) точек

В основу работы лазерных дальномеров, используемых в сканерах, положены импульсный и фазовый безотражательные методы измерения расстояний, а также метод прямой угловой развёртки (триангуляционный метод). Фазовый метод измерения обладает более высокой точностью.

Виды лазерного сканирования:

  • наземное - с помощью статичного прибора с наземных объектов или с грунта;

  • мобильное - с помощью статичного прибора, закреплённого на транспортное средство или рюкзак за спиной оператора;

  • воздушное - с помощью прибора, установленного на летательном аппарате (дроне, беспилотнике, вертолёте, самолёте);

  • ручное - с помощью прибора в руках оператора.

Сферы применения в архитектуре и строительстве:

  • создание архитектурных чертежей зданий для проектирования или необходимой документации;

  • создание цифровых моделей объектов архитектурного наследия для реставрации, воссоздания утерянных элементов и фрагментов;

  • контроль качества, мониторинг, исполнительная съёмка в процессе строительства;

  • мониторинг изменений геометрических параметровили отслеживание износа материалов в процессе эксплуатации;

  • создание цифровых моделей для ремонта, переоснащения, реконструкции объектов в процессе эксплуатации.

Преимущества применения технологий лазерного сканирования в архитектуре и строительстве:

  • неразрушающий метод получения информации;

  • высокая точность измерений;

  • высокая степень детализации;

  • возможность работы при любых условиях освещения;

  • сокращение сроков работ за счёт высокой производительности лазерного сканера;

  • многоцелевое использование результатов лазерного сканирования.

Глава 2. Программное обеспечение

Принцип работы лазерных 3D-сканеров: направленный лазерный луч отражается от поверхности предмета, образуя облако точек. Каждая точка имеет свои координаты в пространстве. Программное обеспечение определяет их и создает готовую трехмерную цифровую модель на основе этих данных.

Программные продукты, применяемые в технологии лазерного сканирования, в зависимости от их функционального назначения можно разделить на следующие группы [4]:

  • управляющее ПО - тестирование прибора, настройка параметров сканирования, контроль получаемых результатов, визуализация в режиме реального времени;

  • ПО для создания единой точечной модели - объединение сканов;

  • ПО для построения трёхмерных моделей и двумерных чертежей по данным сканирования, в том числе с проведением измерений, визуализации;

  • комплексное ПО.

Сегодня для этих целей существует огромное количество программ, от небольших утилит до интеллектуальных систем с инновационными алгоритмами.

Крупные производители лазерных сканеров (Leica, FARO, Riegl, Trimble), как правило, выпускают не только оборудование, но и программное обеспечение для передачи, просмотра и обработки данных, полученных со сканеров. В большинстве своём такое ПО решает стандартные задачи управления данными лазерного сканирования (импорт, экспорт), позволяет просматривать полученные данные, а также выполнять их первичную обработку. Полученные облака и поверхности затем могут быть экспортированы в общепринятые форматы обмена данными и переданы для последующей обработки в сторонние программы. Наравне с самостоятельными программными продуктами производители лазерных сканеров часто разрабатывают плагины для крупных систем автоматизированного проектирования - САПР (AutoCAD, Revit, MicroStation), позволяющие проектировщикам работать с облаками точек, используя привычный интерфейс и инструменты САПР. Такие плагины, как правило, имеют более широкий спектр возможностей и позволяют выполнять классификацию точек, распознавать типовые 3D-объекты (линии, трубопроводы) и строить поперечные профили по заданному шаблону.

Таблица 1. Программное обеспечение

Вторую группу представляют самостоятельные программы (Terrasolid, Technodigit 3DReshaper, VirtualGrid VRMesh, GeoPlus VisionLidar и др.), а также плагины, написанные для больших САПР независимыми командами. Все эти программы изначально создавались именно для обработки лазерных данных без привязки к конкретной сканирующей аппаратуре. Таким образом, разработчики были вольны сами определять интересующие отрасли, круг задач и, соответственно, инструментарий, который позволил бы все эти задачи эффективно решать.

В третью группу можно отнести большие САПР - универсальные программные комплексы, такие как Autodesk, Bentley, Нанософт, ТИМ Кредо и др. Данные программы объединяет тот факт, что появление в них функций обработки лазерных данных — очередной эволюционный этап на пути их развития, и иногда рассматривалось даже как «скорее рекламный ход» для продвижения продукта.

Глава 3. Наземное лазерное сканирование Усадьбы, 1825г.

3.1. Описание объекта

На сегодняшний день проблему сохранения архитектурных объектов культурного наследия и их реставрации помогают решить инновационные технологии и современное оборудование, к которым относится наземное лазерное сканирование. Для проведения полевых работ лазерного сканирования был выбран комплекс зданий, расположенный по адресу: г. Саратов, ул. Московская, д.9, который является объектом культурного наследия федерального значения «Усадьба, 1825г.» согласно Указу Президента Российской Федерации от 20.02.1995 № 176 «Об утверждении Перечня объектов исторического и культурного наследия федерального (общероссийского) значения»). Регистрационный номер объекта в едином реестре объектов культурного наследия (памятников истории и культуры) народов Российской Федерации: 641420375270006. Объект культурного наследия федерального значения «Усадьба, 1825г.» представляет из себя комплекс строений, в который входят двухэтажный главный дом и одноэтажный флигель, соединенные между собой воротами, а также надворные хозяйственные постройки. Хозяином данной усадьбы с 1830-х годов был купец Дмитрий Максимович Вакуров, а потом его сын Василий Дмитриевич Вакуров [3].

Помимо купеческих дел Дмитрий Максимович Вакуров занимал общественные должности, был городским главой, открыл первую в губернском центре книжную лавку. Его сын Василий Дмитриевич Вакуров сделал многое для совершенствования системы народного образования в Саратове, был Почетным гражданином города [3].

Рисунок 3. Фотография А.С. Муренко ул. Московской, 1866 г.

3.2. Проведение полевых работ наземного лазерного сканирования

 18 ноября 2023г. были проведены полевые работы по наземному лазерному сканированию объекта.

Состав полевых работ:

  • составление программы работ;

  • закрепление опорных точек;

  • выполнение лазерного сканирования и фотографирование объекта с выбранных точек стояния.

На полевом этапе работы были определены опорные точки и объём сканирования. На каждой точке стояния наземный сканер устанавливался на треногу, настраивался и проводилось фотографирование и сканирование объекта на 360°. При этом необходимо соблюдать меры безопасности как по отношению к дорогостоящему прибору, так и к специалисту. Например, специалист должен находится за пределами траектории лазерного луча, использовать специальные очки.

3.3. Проведение камеральных4 работ

После проведения полевых работ были выполнены камеральные работы в программном обеспечении Autodesk ReCap и AutoCAD.

Состав камеральных работ:

  • контроль полноты и качества результатов полевых работ;

  • формирование единого облака точек из отдельных сканов;

  • создание цифровых двумерных обмерных чертежей (планов, фасадов) в электронном, векторном виде;

  • оформление отчетной технической документации.

На камеральном этапе происходит обработка данных полевых измерений, все полученные результаты оцениваются на предмет их точности. Во время съемки объекта проводится несколько сканов для полного покрытия поверхности. Для создания единого скана необходимо произвести объединение и формирование единого облака точек. Сканы совмещают, используя метод «опорных точек». Для работы использовалось программное обеспечение Autodesk ReCap - программный продукт компании Autodesk (CША), позволяющий работать с данными лазерного сканирования. Программа поддерживает почти все известные форматы лазерного сканирования, вследствие чего, работы по созданию трехмерной модели на основе облака точек и фотографиям, упрощаются. На основе данных лазерного сканирования Autodesk ReCap позволяет создавать фотореалистичные визуализации. С помощью простых и понятных инструментов, программа позволяет редактировать облака точек: удалять, подсвечивать, копировать, добавлять точки обследования и т.д. Модели полученные в Autodesk ReCap можно использовать в программах для проектирования для дальнейшей работы и формирования рабочей документации, так как ReCap совместим с другими продуктами компании Autodesk: AutoCAD, Revit, Inventor.

Следующим этапом работы с полученными данными наземного лазерного сканирования являлось создание обмерных чертежей специалистами. Для этого использовалось программное обеспечение AutodeskAutoCAD. Благодаря высокой точности измерений, снятых с помощью наземного лазерного сканирования, удалось создать обмерные чертежи с высокой детализацией. Чем более полной будет информация, на которую будут ориентироваться реставраторы, тем качественней будет выполнена научно-проектная документация и последующее производство работ по сохранению объекта культурного наследия.

Рисунок 4. Обмерные чертежи объекта культурного наследия «Усадьба, 1825г.»

Заключение

По итогу изучения информации о технологии 3D лазерного сканирования в архитектуре и строительстве можно сказать, что данная технология сегодня применяется достаточно широко, решая целый спектр различных задач. В архитектуре и строительстве есть ряд уникальных задач, в которых применение лазерного сканирования становится по-настоящему необходимым, это касается, во-первых, сложных сооружений со множеством контрольных параметров и во-вторых, если необходимо осуществить сплошной контроль всего этапа строительства.

3D лазерное сканирование играет важнейшую роль при работе с объектами культурного наследия. Благодаря идентичности модели лазерного сканирования и реального объекта, точность и качество проектирования повышается. Данные, полученные с помощью высокоточного прибора, прошедшие определенные этапы обработки, становятся основой для создания качественных и максимально детальных обмерных чертежей. Такие обмерные чертежи вносят неоценимый вклад в подготовку проектной документации по восстановлению объектов культурного наследия, их реставрации и сохранения [2].

В эксперименте удалось убедиться в том, что высокая степень детализации облака точек, полученного методом 3D лазерного сканирования, позволяет проводить качественные работы в сфере архитектуры и строительства, в том числе решать вопросы подготовки научно-проектной документации. Поставленная цель исследовательской работы была достигнута, задачи решены, а выдвинутая гипотеза подтверждена.

В дальнейшем технология 3D лазерного сканирования будет совершенствоваться и развиваться, так как уже сегодня широко применяется в архитектуре и строительстве. Количество и качество программного обеспечения будет расти, также как и специалистов, работающих в данном направлении.

Список использованных источников и литературы

  1. Википедия. Наземное лазерное сканирование: сайт. — URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Наземное_лазерное_сканирование. — Текст: электронный

  2. Гура Т. А. Обработка данных наземного лазерного сканирования для получения обмерных чертежей объектов культурного наследия / Т. А. Гура, А. Е. Катрич. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2016. — № 26 (130). — С. 25-28. — URL: https://moluch.ru/archive/130/35894/ (дата обращения: 02.01.2024).

  3. Давыдов В. И. Историко-архивное и библиографическое исследование объекта культурного наследия федерального значения –"Усадьба, 1825г." по адресу: г. Саратов, ул. Московская, д.9 — Саратов. 2016. — 15с. — Текст: непосредственный

  4. Медведев Всеволод Игоревич, Райкова Лидия Сергеевна Программы для обработки данных лазерного сканирования местности // ООО «ИндорСофт». 2017. №2 (9). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/programmy-dlya-obrabotki-dannyh-lazernogo-skanirovaniya-mestnosti (дата обращения: 02.01.2024).

  5. Применение лазерных сканеров в строительстве и проектировании сооружений. — Текст: электронный//ГеоЮгСервис [cайт]. — URL: https://www.geoygservis.ru/publishing/primenenie-lazernykh-skanerov-v-stroitelstve-i-proektirovanii-sooruzheniy

  6. 3D Laser Scanning for Heritage. Historic England. 3rd Edition. — January 2018. — 119c. URL: https://historicengland.org.uk/images-books/publications/3d-laser-scanning-heritage/heag155-3d-laser-scanning/ . — Текст: электронный

1 Фотограмметрия определяет форму, размеры, положения и иные характеристики объектов по их фотоизображениям

2 Основными инструментами для производства натурных обмеров служат набор линеек и треугольников, рейки, рулетки, отвесы, уровни. 

3  red, green, blue — красный, зелёный, синий —  цветовая модель, описывающая способ кодирования цвета для цветовоспроизведения с помощью трёх цветов, которые принято называть основными.

4 работы, выполняемые в помещении, по окончании полевого этапа исследований

Просмотров работы: 32