Высокоточная съемка методом лазерного сканирования и 3D моделирование промышленных объектов

Лазерное сканирование — комплексная технология сбора больших объемов высокоточной информации

Проектные институты, специализирующиеся на проектировании сложных промышленных и энергетических объектов, вынуждены постоянно решать две задачи: это актуализация исполнительной документации на объект, подлежащий реконструкции, и контроль качества строительства нового объекта. В обоих случаях задачи традиционно решаются постоянными выездами на объект бригад изыскателей. Изначально такая технология обследования объектов кажется предельно экономичной. Однако при подобном подходе проектировщики вынуждены собирать крайне необходимую информацию из множества мелких и разрозненных кусочков, актуальность, полнота и качество каждого из которых существенно зависит от профессионализма исполнителя. Затем неизбежен перевод этой информации в цифровой вид, а здесь опять вступает в силу пресловутый «человеческий фактор», в лучшем случае приводящий к задержкам по времени, а в большинстве случаев — к серьезным искажениям, ошибкам, повторным выездам на объект и прочим сложностям.

Расходы средств и времени нарастают как снежный ком, возникают постоянные неясности между проектированием в трехмерных программных комплексах и сбором полевой информации на «бумажных notebookах». В конечном итоге это приводит к заметному снижению качества проектов и конкурентоспособности самого института. В этой отрасли уже довольно давно назрела потребность в комплексных технологиях эффективного сбора больших объемов точной информации об объектах строительства или реконструкции сразу в цифровом виде, причем теми методами, которые позволяют максимально минимизировать ошибки, вызванные пресловутым человеческим фактором. Технология 3D лазерного сканирования однозначно является наиболее адекватным ответом на данный запрос в части, касающейся сбора информации о точной геометрии объектов.

Лазерное сканирование и его преимущества над традиционными методами съемки

Технология 3D лазерного сканирования основана на измерении расстояния от лазерного дальномера до поверхности сканируемого объекта, а также двух углов (горизонтального и вертикального), определяющих направление вектора от лазерного дальномера до объекта в местной системе координат. Точно такой же набор измерений обеспечивают и цифровые тахеометры. Разница заключается в том, что при сравнимой точности тахеометров и лазерных сканеров (3–5 мм в определении пространственных координат отдельных точек), производительность сканера выше в тысячи раз. Производительность тахеометра — от одного до трех измерений в минуту. Производительность же современных лазерных сканеров составляет от тысяч до сотен тысяч измерений в секунду. Скорость измерений лазерного сканера регулируется оператором, в зависимости от требуемой плотности и необходимой точности измерений. Полученный набор миллионов точек называется «облаком точек» и впоследствии может быть представлен в виде твердотельной трехмерной модели объекта, плоского чертежа, набора сечений, поверхности и других.

В отличие от традиционных геодезических измерений, лазерное сканирование позволяет получить с беспрецедентной детальностью в 1–2 см цифровую модель всего объекта, а не его отдельных частей.Огромное количество избыточных измерений позволяет получить наиболее достоверные полевые данные, особенно в таких местах, которые являются труднодоступными для съемки с помощью традиционных технологий (таких как тахеометры или GNSS-приемники).

Эффективность и производительность съемки методом лазерного сканирования

За счет высокой скорости и автоматизации процесса сканирования технология 3D лазерного сканирования приводит к существенному росту производительности съемки и сокращению количества полевых бригад. Однако для того, чтобы извлечь все преимущества технологии 3D лазерного сканирования, требования к опыту и квалификации геодезиста оказываются существенно выше, чем при использовании традиционных геодезических технологий. Избыточный объем данных лазерного сканирования позволяет получить абсолютно объективную информацию, максимально свободную от индивидуальных особенностей и ошибок исполнителей в поле и в камеральных условиях. Точечная цифровая 3D модель объекта, полученная по результатам произведенного лазерного сканирования, может состоять из миллиардов точек, что выдвигает исключительно высокие требования как к производительности компьютеров, так и к способности программного обеспечения одновременно обрабатывать такие огромные объемы информации. Так же как на полевом этапе работ, при камеральной обработке данных лазерного сканирования, максимальная производительность работ может быть достигнута только за счет высокой квалификации специалистов, обладающих способностью правильно идентифицировать, выделять и моделировать только необходимые объекты при всем гигантском объеме исходной измерительной информации.

Максимально простая передача данных лазерного сканирования в программы проектирования и ГИС

Технология съемки и структура данных 3D лазерных сканеров (в отличие от любых традиционных средств измерения) изначально ориентированы на их максимально простую передачу в программы для проектирования и ГИС. Со своей стороны, все ведущие производители специализированного программного обеспечения для проектирования объектов гражданского и промышленного строительства уже включили модули для работы с данными лазерного сканирования в свои пакеты. Такие взаимные усилия разработчиков лазерных сканеров и разработчиков программного обеспечения позволили существенно упростить импорт и работу с данными 3D лазерного сканирования для проектировщиков.

Интеграция цифровой фотокамеры и лазерного сканера в одном устройстве позволяет осуществить автоматическое фотографирование объекта в процессе съемки. Это существенно упрощает задачу идентификации объектов на скане и снижает зависимость камеральной обработки от описаний объектов со стороны полевой бригады исполнителей и, при необходимости, дает возможность совмещения облака точек и цифровой фотографии.

Многообразие вариантов представления результатов лазерного сканирования

Дополнительным, но в то же время важным отличием использования технологии лазерного сканирования совместно с программами для проектирования и ГИС является многообразие вариантов представления результатов лазерного сканирования:
— облако точек представляет собой непосредственный результат сканирования; позволяет заказчику самостоятельно производить геометрические измерения или построить модель полезных объектов или его элементов;
— векторная 3D модель объекта или с различной точностью и степенью детализации;
— точная модель геометрии объекта с указанием контролируемых отклонений от строительной документации;
— 2D чертежи: планы, проекции, разрезы, сечения;
— восстановленная исполнительная документация объекта с указанием всех элементов конструкции и элементов инфраструктуры в соответствии с требованиями СНИП.

Ниже приведен пример съемки элементов сложнейшего промышленного объекта с помощью современной технологии трехмерного лазерного сканирования.

Создание трехмерной модели трубопровода горячего промперегрева блока 800 МВт на Пермской ГРЭС

По заказу проектного института «УралТЭП» специалистами инженерной компании «НГКИ» был выполнен масштабный комплекс работ по трехмерному лазерному сканированию и детальному 3D моделированию двух ниток трубопровода горячего промперегрева Пермской ГРЭС. Работы выполнялись с целью последующей реконструкции этого объекта. Заказчик в своих проектных работах использует современные технологии трехмерного моделирования. Так, с самого начала проект реконструкции трубопроводов Пермской ГРЭС ведется в системе AVEVA PDMS. Современные решения фирмы AVEVA сопровождают объект на протяжении всего его жизненного цикла: от разработки технологической части и компоновки объекта в 3D-модели с выпуском рабочей документации до его ввода в эксплуатацию, ремонтных работ и модернизации, а также вывода из эксплуатации. Помимо этого, AVEVA PDMS включает в себя специализированный модуль AVEVA Laser Model Interface для работы с облаками точек, полученных в результате использования систем 3D лазерного сканирования. Данный модуль позволяет работать с трехмерными объектами «как построено», тем самым делая процесс проектирования интуитивно понятным и наглядным. Тесное взаимодействие технологии трехмерного лазерного сканирования и системы AVEVA PDMS гарантирует получение точной и достоверной исходной информации об объекте.

Стадии выполнения работ по лазерному сканированию и постобработке полученных результатов

Традиционно работы по лазерному сканированию объектов выполняются в два этапа: полевой этап — сканирование и камеральный этап — обработка данных сканирования и построение моделей интересующих объектов. Выполнение полевых работ на данном объекте осложнялось рядом обстоятельств:
— повышенная стеснённость и большая насыщенность данного объекта технологическим оборудованием постоянно ограничивали видимость сканируемых элементов с мест установки сканера, что в значительной степени затрудняло процесс сканирования и увеличивало число сканов;
— съемочные работы производились в условиях действующего производства, относящегося к категории «опасный производственный объект»; имели место сильные вибрации и биения, повышенные температуры (до 70°С);
— вертикальная протяженность объекта составляла свыше 80 метров, и по всей этой длине трубопровод проходил через 8 этажей здания ГРЭС с очень ограниченными зонами видимости между этажами, что значительно осложнило создание опорной геодезической сети необходимой для привязки сканов в единую систему координат.

Все означенные проблемы были успешно преодолены благодаря уникальному опыту и высокому профессионализму исполнителей работ — квалифицированных инженеров компании «НГКИ».

Лазерное сканирование трубопровода горячего промперегрева блока 800 МВт Пермской ГРЭС

3D лазерное сканирование выполнялось с помощью высокоточной фазовой сканирующей системы. Общее количество станций (точек стояния прибора) составило 182. Результатом первого (полевого) этапа работ явилось сшитое облако точек, содержащее около 1,7 миллиарда единичных измерений. Геодезическая привязка осуществлялась тахеометром с 32 точек хода. Полевые работы выполнялись в течение 15 дней бригадой из четырех специалистов. На камеральном этапе производилась обработка данных, полученных в результате лазерного сканирования, и 3D моделирование. Эти работы были выполнены двумя специалистами за 28 дней. 3D моделирование выполнялось в масштабе 1:1 методом вписывания в облако точек векторных примитивов. Сильно деформированные участки трубопроводов моделировались поверхностями с последующим их преобразованием в твёрдые тела (Solid). Помимо трубопроводов, моделировались: элементы подвесов трубопроводов, металлоконструкции крепления подвесов и опор трубопроводов, а также врезки и видимые элементы КИП трубопровода. В результате моделирования была создана детальная 3D модель объекта, соответствующая оригиналу с высокой точностью.

Передача данных 3D лазерного сканирования в систему AVEVA PDMS с помощью модуля Mechanical Interface

На завершающем этапе результаты обработки данных сканирования были выгружены в систему AVEVA PDMS. Импорт осуществлялся посредством модуля Mechanical Interface, доступного в версии 12.0SP5. Mechanical Interface позволяет легко обмениваться данными через нейтральный файловый формат STEP AP203 практически со всеми известными машиностроительными 3D программными пакетами. Размер импортируемого файла составил 43 Мб. Общее время загрузки геометрии в систему PDMS составило около минуты. Все элементы модели трубопровода (трубы, подвески, конструкции здания) интерпретируются системой как твердые тела. После импорта файла в графическом окне можно получить визуальное представление об отсканированном объекте. Более того, импортированная геометрия может быть также использована при проверках на коллизии и получении чертежей. В итоге готовая 3D модель, созданная в AVEVA PDMS, была передана Заказчику.

Результаты работ по 3D лазерному сканированию и моделированию трубопровода Пермской ГРЭС

В результате выполненных работ были получены и переданы Заказчику следующие материалы:
— точечная 3D модель объекта с прилежащими конструкциями и оборудованием, находящимися в радиусе 3 метра; итоговое облако точек состоит примерно из 430 миллионов единичных измерений и представлено в формате IMP.
— подробная 3D модель в формате AVEVA PDMS; модель содержит около 1200 элементов объекта.
— технический отчёт.

По мнению Заказчика, полученная 3D модель позволяет полностью актуализировать исполнительную документацию по реконструируемым трубопроводам, а также осуществить проектирование новых линий трубопроводов в реальной конструктивной обстановке. Так как измерения, выполняемые лазерным сканером, избыточны, то помимо объектов, указанных в техническом задании, в область съемки попали все прилежащие элементы: несущие конструкции здания, технологическое оборудование, соседние трубопроводы. В случае необходимости, облака точек, содержащие все эти элементы, могут быть впоследствии использованы для решения дополнительных задач Заказчика или организации, эксплуатирующей Пермскую ГРЭС.