Обработка данных наземного лазерного сканирования для получения обмерных чертежей объектов культурного наследия



В данной статье раскрывается понятие наземного лазерного сканирования и описывается процесс его использования для съемки объектов культурного наследия. Особое внимание уделяется обработке данных, полученных при сканировании, и созданию на их основе обмерных чертежей объектов. Акцентируется внимание наважности получения детальных чертежей с целью достижения максимально объективных результатов о состоянии исторического памятника архитектуры, а также для выявления нарушения геометрии или целостности конструкции. На основе проделанной работы сделаны выводы о том, какую пользу данные НЛС, представленные в виде обмерных чертежей, могут внести в сохранение памятников культурного наследия.

Ключевые слова: наземное лазерное сканирование, этапы обработки данных НЛС, ортофотопланы, обмерные чертежи, сечения, объекты культурного наследия

Вопрос о сохранении объектов культурного наследия всегда будет актуален. Под действием времени исторические здания и сооружения, представляющие ценность для человека, теряют свой первозданный вид. На сегодняшний день проблему сохранения архитектурных объектов культурного наследия и их реставрациипомогают решить инновационные технологии, современное геодезическое оборудование [1].Примером технического новшества, благодаря которому появилась возможность максимально исследовать объекты культурного наследия с целью их дальнейшего сохранения, является наземное лазерное сканирование [2].

Лазерное сканирование представляет собой технологию, которая за очень короткое время (дни или даже часы, в зависимости от размеров объекта и сложности его конструкции) позволяет полностью построить 3D модель необходимого объекта или рельефа. В основе данной технологии лежит способность лазерного луча отражаться от наземных объектов или поверхности земли [3]. Основное преимущество использования лазерного сканирования заключается в том, что трехмерная модель, полученная в ходе работы со сканером, является не фотографической (по которой невозможно было бы произвести измерения), а реальной. Такая модель состоит из множества точек, каждая из которых обладает своей семантикой в трехмерном пространстве. Существует несколько видов лазерного сканирования: мобильное лазерное сканирование, воздушное и наземное. Мобильное лазерное сканирование (МЛС) считается одним из самых высокотехнологичных, на сегодняшний день, методов съемки. МЛС во многом напоминает наземное лазерное сканирование (НЛС), но в отличие от него, мобильное сканирование производится при движении сканера, установленного на транспортное средство [4]. Оно предназначается в основном для съемки линейных объектов (автодорог, железных дорог, мостов, тоннелей). При разговоре о съемке объектов культурного наследия целесообразней будет говорить об использовании НЛС.

Ранее при исследовании объектов использовались традиционные методы съемки, которые предполагали участия человека в замерах местоположений характерных точек заданного объекта. В ходе учебной практики, проводимой в КубГТУ, было выяснено, что в результате таких измерений вероятность ошибок или погрешностей очень велика [5]. Если же работа будет производиться с помощью НЛС, то произойдет автоматическая регистрация координат точек объекта, что обеспечит высокую точность измерений. По облаку точек, полученному в результате лазерного сканирования объекта можно решать такие задачи, как:

1. Проведения обмерных работ на объектах архитектурного наследия;
2. Получение 3D модели объекта;
3. Получение обмерных чертежи фасада (поэтажных планов, продольных разрезов, планов крыши, развёртки стен, чертежей декора) в масштабах от 1:50 до 1:200 с отображением фактических размеров, высотных отметок различных элементов здания или сооружения с указанием отклонений от проектных значений цитата [6];
4. Выявления дефектов посредством сравнения с проектной моделью;
5. Получения наиболее точных размерных параметров сложных архитектурных форм;
6. Проведения обмерных работ на объектах где доступ ограничен из-за ветхости конструкций;
7. Определение и оценка значений деформации посредствам сравнения с ранее произведенными измерениями;
8. Получения точных трехмерных моделей объектов культурного наследия.

Далее в этой статье будет рассматриваться решение такой задачи, как получение обмерных чертежей в результате обработки данных НЛС.

Архитектурные обмеры являются главным инструментом фиксации архитектурной действительности. Анализ материалов, полученных в результате обмеров, позволяет получить исчерпывающее представление об объекте. Съемка объектов культурного наследия (с целью дальнейшего изучения конструкции и определения деформации объекта для его реставрации [7]) производится с последующим созданием обмерных чертежей, разрезов, чертежей архитектурных элементов.

Последовательность работ, в результате которых будет получен обмерный чертеж посредством использования НЛС, состоит из следующих этапов [8]:

1. Сбор данных, начало камеральной обработки;
2. Совмещение сканов;
3. Трансформирование координат;
4. Создание ортофотопланов или обмерных чертежей.

1. После того, как было выполнено сканирование объекта и были собраны необходимые данные, начинается этап камеральной обработки полученного облака точек. Камеральная обработка проводится с целью подготовки итогового результата, а также технического заключения и комплекта документации по объекту. На камеральном этапе происходит обработка данных полевых измерений, все полученные результаты оцениваются на предмет их точности, а уже далее производится создание обмерных чертежей и построение 3D моделей.

При первичной обработке результатов съемки необходимо выполнить избавление от шумов, после чего остается объект в «чистом виде». После этого начинается прорисовка основных элементов фасада, выделяются контуры [9].

2. Во время съемки объекта проводится несколько сканов для полного покрытия поверхности. Для создания единого скана необходимо произвести объединение или так называемую «сшивку». Сканы могут совмещать, используя метод «опорных точек» (такие точки отображаются на смежных сканах). В качестве «опорных точек» могут быть использованы специальные призмы, светоотражающие пластины или наклейки, имеющие более высокий коэффициент отражения и потому вполне однозначно определяемые. Единый скан объекта содержит миллионы отдельных точек, представляющих поверхность фасада или других объектов. Этот продукт затем интерпретируется с использованием специальных программ по постобработке облака точек, например, используются такие программы, как: Cyclone от Leica Geosystems [10], AutoCAD, MicroStation, Rhinoceros и другие.
3. Трансформирование координат. Этот этап обработки данных НЛС необходим для точного представления будущего чертежа, так как именно на нем задается определенная единая система координат для всех полученных сканов. У каждого отдельного скана, снятого с определенной точки стояния прибора, имеется своя система координат, начало которой находится в центре измерительной головки сканера. При каждом изменении положения сканера, начало координат меняет свое положение в пространственной системе координат. Для связи координат объекта, полученных из разных сканов, необходимо выбрать единую систему координат и определить в ней центр сканирования для каждого случая и затем трансформировать все полученные координаты в единую систему.
4. Следующим этапом работы с полученными данными НЛС является создание ортофотопланов или двухмерных обмерных чертежей. Необходимо сказать, что ортофотоплан — это ортогональная проекция точной трехмерной модели объекта на заданную плоскость. Данная форма фиксации сочетает в себе геометрические свойства обмерного чертежа с изобразительными свойствами фотоснимков (точность и детальность изображения при этом могут быть обеспечены наивысшие, включая требования масштаба 1:1)

Помимо ортофотопланов на основе полученных и обработанных данных лазерного сканирования создаются и привычные двухмерные чертежи. Благодаря высокой точности измерений, снятых с помощью наземного лазерного сканирования, можно создать итоговые продукты с непревзойденной детальностью фиксации. Определить месторасположение мелкого элемента на объекте раньше, с помощью традиционных форм обмеров, было очень затруднительно, сейчас, благодаря лазерному сканированию эта задача решена. Все, даже самые мелкие детали, получают точные координаты и безошибочно наносятся на чертежи (Рис.1) [11]. Такое максимально точное отображение действительности в обмерных чертежах дает возможность наиболее объективно оценить мельчайшие особенности объекта и создает основу для дальнейшего детального мониторинга деформации здания и его реставрации [12]. Чем более полной будет информация, на которую будут ориентироваться реставраторы, тем больше вероятность, что проведенная ими работа улучшит состояние объекта культурного наследия. Вот почему необходимо создать максимально объективные чертежи объекта.

Рис. 1. Фрагмент чертежа общего вида иконостаса придела Святой Троицы храма в Останкино

Большим преимуществом работой с данными НЛС является возможность создания сечения по облаку точек [13]. Сечения могут создаваться в вертикальной, горизонтальной или наклонной плоскостях в заданном месте. По ним могут быть определены необходимые размеры. Полученные сечения также можно совмещать с чертежами вновь запроектированных объектов и вовремя вносить необходимые изменения. По выбранному направлению сечения быстро создается чертеж заданного узла.

Наземная лазерная съемка на объектах культурного наследия играет важнейшую роль. Данные, полученные с помощью высокоточного прибора, прошедшие определенные этапы обработки, становятся основой для создания качественных и максимально детальных обмерных чертежей. Такие обмерные чертежи могут внести неоценимый вклад в подготовку проектов восстановления объектов культурного наследия, их реставрации, реконструкции. Обмерные чертежи, полученные по результатам наземного лазерного сканирования, смогут позволить архитекторам и реставраторам решать самые сложные технические задачи, направленные на сохранение и восстановление исторических памятников архитектуры. Таким образом, можно сделать вывод о том, что вся технология лазерного сканирования в целом и его итоговые продукты (в частности обмерные чертежи) могут внести большой вклад в сохранение объектов культурного наследия.

Литература:

1. Гура Д. А., Рыжкова А. А., Болобан Т. И., Болгова А. С., Черепанов А. С., Кашаев Б. Р. Основные геодезические работы в строительстве // Наука. Техника. Технологии (политехнический вестник). 2016. № 2. С. 133–137.
2. Бушнева И. А., Безверхова А. Ю., Шевченко Г. Г., Гура Д. А. Об использовании наземного лазерного сканирования для получения фасадных чертежей исследуемых зданий и строений // Научные труды Кубанского государственного технологического университета. 2016. № 11. С. 89–97.
3. Шевченко А. А., Глазков Р. Е., Пилюшенко А. В. Принцип работы наземной сканирующей системы // Научные труды Кубанского государственного технологического университета. 2016. № 11. С. 76–88.
4. Гура Д. А., Верезубов Е. А. Мобильному миру — мобильные сканирующие системы // Сборник трудов конференции: Науки о земле на современном этапе. VIII Международная научно-практическая конференция. 2013. С. 56–58.
5. Желтко Ч. Н., Бердзенишвили С. Г., Корелов С. Н., Гура Д. А., Шевченко Г. Г., Пастухов М. А. Учебная геодезическая практика // Методические указания по организации и контролю учебной практики для студентов всех форм обучения направлений 120700 Землеустройство и кадастры, 130500 Нефтегазовое дело, 270800 Строительство, 271101 Строительство уникальных зданий и сооружений / Краснодар, 2013. Часть 3 Решение геодезических задач
6. Шевченко Г. Г., Гура Д. А., Глазков Р. Е., Пилюшенко А. В. Технологическая схема проведения фасадной съёмки методами наземного лазерного сканирования // Сборник трудов конференции: WORLD SCIENCE: PROBLEMS AND INNOVATIONS сборник статей III Международной научно-практической конференции. Пенза, 2016. С. 107–112.
7. Гайрабеков И. Г., Пимшин Ю. И. Определение деформации объекта с использованием наземного лазерного сканирования // Труды Грозненского государственного нефтяного технического университета им. академика М. Д. Миллионщикова. 2006. № 6. С. 171–177.]
8. Кузнецова А. А., Гура Д. А., Алкачев Т. Э. Анализ полученных данных методом лазерного сканирования для выполнения периодического мониторинга на примере здания расположенного в г. Краснодаре // Статья в журнале: Научные труды Кубанского государственного технологического университета. 2014. № 4. С. 77–83]:
9. Желтко Ч. Н., Гура Д. А., Шевченко Г. Г. Фотограмметрия и дистанционное зондирование территорий // Методические указания по выполнению контрольной работы для студентов заочной, дистанционной форм обучения и МИППС специальности 120303 Городской кадастр / Краснодар, 2010.
10. Кузнецова А. А., Гура Д. А., Шевченко Г. Г. Опыт использования технологий и оборудования Leica Geosystems в учебно-образовательном процессе КубГТУ. Выполнение хоздоговорных работ // Статья в журнале: Наука. Техника. Технологии (политехнический вестник). 2013. № 4. С. 64–66.
11. Интернет-ресурс: НГКИ, 3D инженерные изыскания//Обмерные работы на объектах историко-культурного наследия и памятниках архитектуры// http://www.ngce.ru/obmernye_raboty_na_obektah_istoricheskogo_i_kulturnogo_naslediya.html
12. Гура Д. А., Шевченко Г. Г. Экологический мониторинг деформации сооружений с использованием наземного лазерного сканирования // В сборнике: Строительство — 2010. Материалы Международной научно-практической конференции. Дорожно-транспортный институт. 2010. С. 152–153.
13. Интернет-ресурс: Zemlemer интернет-журнал// Наземное лазерное сканирование в геодезии// http://www.zemlemer-67.ru/index.php/news/5418-geodeziya-lazernoe-skanirovanie.html
14. Интернет-ресурс: Фотограмметрия, научно-производственное предприятие//Архитектурные обмеры// http://photogrammetria.ru/18-arkhitekturnye-obmery.html