Обмерные работы здания Музея современной истории России и других объектов исторического наследия с применением лазерного сканирования

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 архитектурных обмеров 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.

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 обмерные чертежи 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.