Наземное лазерное сканирование. Лазерное сканирование в архитектуре Лазерное сканирование зданий и сооружений

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.

Использование технологий лазерного сканирования в архитектуре стало уже повседневным делом. Ведь в большинстве случаев только используя лазерный 3D сканер, можно наиболее полно, точно, быстро и качественно выполнить следующие работы:

• фасадная съемка;
• архитектурные обмеры;
• создание и восстановление исполнительной документации;
• трехмерная фиксация состояния с выявлением дефектов и деформаций;
• обратный инжиниринг (реинжиниринг) с построением трехмерных моделей существующих зданий и сооружений;
• мониторинг состояния объекта на этапах последующей его эксплуатации;
• осуществление авторского надзора при ведении проекта;
• контроль строительных работ (объемы и процентовки).

Безусловно, появление трехмерных технологий не отменило использование привычных 2D чертежей. На выходе Заказчик по-прежнему получает стандартные двухмерные поэтажные планы, развертки фасадов, разрезы, сечения и прочие чертежи. Но теперь это выполняется быстрее и качественнее.

Обмерные работы

Обмеры - это точные измерения всех элементов архитектурного сооружения или комплекса с последующей фиксацией их размеров на чертеже. Обмеры служат одним из основных источников для реставрации или воссоздания произведений архитектуры и входят в состав комплексных инженерно-технических исследований.

Целью проведения обмеров является получение наиболее полной пространственной геометрической и графической фиксации исследуемого объекта и его частей в их современном состоянии. Под объектами понимаются отдельные здания или сооружения, архитектурные или инженерные комплексы, скульптурные композиции и так далее. Результаты обмерных работ используются в дальнейшем в качестве исходного материала для:

• определения или уточнения фактических конструктивных решений на объекте;
• определения пространственного положения объекта и его частей;
• уточнения геометрических форм отдельных элементов объекта;
• определения деформаций конструкций объекта;
• архитектурного мониторинга состояния объекта;
• проведения конструктивных расчетов объекта или его элементов;
• подготовки исходных материалов для проведения проектно-реставрационных работ;
• построения трехмерных моделей с последующей 3D визуализацией;
• использования в ГИС и иных потребительских приложениях.

Требования к проведению обмерных работ, их составу (видам и объемам), детализации и точности определяются Техническим заданием, утвержденным Заказчиком, Программой работ и нормативной документацией.

Этапы работ и результаты

Обмерные работы выполняются в два этапа: полевой и камеральный.

Полевые работы производятся непосредственно на самом объекте. Выполняется инструментальный сбор геометрических характеристик объекта (измерения с использованием технологий 3D сканирования) и фотофиксация.

1. Камеральные работы, как правило, производятся в офисе, с использованием специализированных компьютерных программ. Выполняются обработка полученных данных, составление графических материалов и отчетной документации.

На полевом этапе, кроме самих измерений, при сборе информации об объекте проводится фотофиксация – натурная, документально-протокольная, художественная или их комбинация. В последние годы становится особенно популярной 3D фиксация. Она также выполняется с помощью лазерного сканирования и представляет собой уже пространственный растр, сохраняющий точную геометрию. Это позволяет проектировщику получить абсолютно любые необходимые виды объекта. Более того, по такой растровой модели (облаку точек) можно выполнять любые измерения, находясь на своём рабочем месте, то есть без повторного выезда на объект.

На камеральном этапе на основе полученных измерений (обмеров полевого этапа) выполняются масштабные ортогональные чертежи основных проекций здания и его деталей. Так называемая графическая часть отчетной документации. В результате камеральной обработки данных лазерного сканирования создаются следующие материалы:

• трехмерные построения;
• чертежи отдельных конструкций;
• чертежи деталей архитектурных элементов, шаблонов;
• чертежи интерьеров;
• чертежи планов;
• чертежи разрезов;
• чертежи фасадов.

3D моделирование

С появлением современных технологий наземного лазерного сканирования именно трехмерные построения (3D моделирование) становятся самым актуальным и востребованным видом работ. Ведь полученная 3D модель – это точная компьютерная копия объекта в масштабе 1:1. Она легко загружается и обрабатывается в привычной CAD-среде архитектора или конструктора.

Как правило, трехмерные построения применимы в случаях:

• объемной фиксации объекта, его частей и особенностей, которые невозможно достаточно полно описать при плоскостных построениях;
• проведения расчетов и вычислений, анализа состояния конструкций и основания памятника, построения расчетных моделей, требующих объемного подхода;
• необходимости воссоздания отдельных частей и конструкций;
• более детального анализа объемно-планировочных решений за счет объемного компьютерного проектирования;
• анализа геометрических параметров объекта в целях мониторинга;
• макетирования, в том числе с использованием трехмерных принтеров;
• объемной визуализации объекта.

Отличием обмерных работ для трехмерных построений от плоскостных является более полный сбор полевых материалов. Предпочтительным методом является наземное лазерное сканирование или комбинация лазерного сканирования с каким-либо другим методом измерений.

Важно: проведение трехмерных построений при выполнении обмерных работ на объектах культурного наследия федерального значения (Российской Федерации) и объектах всемирного значения ЮНЕСКО обязательно .

На базе трехмерных построений возможна разработка информационной модели объекта (создание BIM). Имеется в виду присвоение отдельным элементам дополнительной атрибутивной информации (тип, материал, охранный статус, год возведения, год проведения ремонта, реконструкции), а также занесение информации о выявленных дефектах, результатах обследования конструкций и пр.

В случае трехмерного построения объекта обмерных работ, топографические планы также представляются в трехмерном виде и могут дополнительно содержать информацию о грунтовом основании обследуемого объекта.

Виды обмеров

Обмеры объекта, в зависимости от требуемой степени детализации и насыщения графических материалов, разделяются на следующие виды:

• схематические;
• архитектурные;
• архитектурно-археологические.

Схематические обмеры являются обзорными и служат для определения основных размеров и планировочной структуры объекта культурного наследия. Выполняются на ранней стадии работ для составления общего представления об объекте и предварительного определения его объема.

Архитектурные обмеры являются точными измерениями всех элементов сооружения или комплекса с последующими построениями обмерных чертежей и трехмерных моделей. На них проставляются размеры, высотные отметки, делаются важные примечания.

При необходимости в состав обмерных работ могут быть включены требования по обмерам внутренних инженерных сетей и коммуникаций.

Архитектурно-археологические обмеры - исследовательская фиксация объекта культурного наследия. Выполняются при натурных исследованиях объекта для получения наиболее полных материалов, характеризующих объем, конструкцию, наружное и внутреннее декоративное убранство, а также чертежей раскрытий и зондажей, произведенных на объекте. Дают исчерпывающую информацию об объекте, учитывающую все отклонения от идеальной геометрической схемы.

Точность обмерных работ

Как и в любой измерительной работе, при архитектурных обмерах не обойтись без ошибок и погрешностей. Заметим, что в отличие от старых методов, современные технологии 3D сканирования сводят к нулю подавляющее большинство ошибок человеческого фактора. Но только если приборы находятся в руках профессионалов. Кажущаяся простота современных лазерных сканеров обманчива: если не владеть геодезическими знаниями, то в итоге легко можно получить дециметровые погрешности!

Обмеры являются исходным материалом для последующих проектных работ, выдачи экспертных заключений. Поэтому от качества выполнения обмерных работ во многом зависит качество проекта в целом. Однако требования, предъявляемые к точности обмерных работ, различны и устанавливаются в зависимости от многих факторов:

• цели обмеров;
• архитектурно-исторической ценности объекта культурного наследия;
• технического состояния объекта;
• планов дальнейшего приспособления и др.

Требования к точности обмерных чертежей приведены в Приложении А к РНиП , вот они:

Допустимые значения при проведении обмерных работ

Методы архитектурных обмеров, лазерное сканирование

При выполнении работ по архитектурным обмерам применяются следующие методы и их комбинации:

• натурный (традиционный) обмер;
• методы инженерной геодезии с использованием линейной и угловой засечки, перпендикуляров, створов и т.д.;
• нивелирование;
• наземное лазерное сканирование;
• методы координатной геодезии;
• воздушная и короткобазисная фотограмметрия, фототеодолитная съемка;
• воздушное и мобильное лазерное сканирование;
• методы GPS-измерений;
• прочие методы, позволяющие достичь требований технического задания и нормативной документации.

В качестве оборудования выбираются приборы и средства измерений, соответствующие требованиям технического задания к точности и выбранным методам проведения работ. Это могут быть металлические и лазерные рулетки, мерные ленты, дальномеры, нивелиры, теодолиты, тахеометры, фототеодолиты, калиброванные фотоаппараты, лазерные сканеры, GPS-приемники и прочие инструменты.

Выбор того или иного оборудования обусловлен спецификой объекта, требованиями Технического задания и нормативной документации. В последние годы в большинстве случаев оптимальным по точности, качеству и стоимости является выбор технологий лазерного сканирования в комбинации с классической геодезией и натурными исследованиями.

Лазерное сканирование как один из методов проведения обмеров имеет ряд преимуществ:

• возможность проводить измерения в труднодоступных местах, максимально подробно фиксировать геометрию криволинейных элементов, дефектов и утрат;
• результаты сканирования фасадов и внутренних пространств находятся в единой системе координат, что позволяет избежать возможных неточностей расположения отдельных элементов или помещений по высоте и/или в плане;
• к избыточному массиву измерений (облаку точек) всегда можно обратиться повторно при необходимости получения дополнительных данных без проведения дополнительных полевых работ на объекте;
• скорость работ при беспрецедентной полноте данных. Например, один оператор с тахеометром за день сможет снять на объекте порядка одной тысячи точек. А другой оператор с лазерным сканером за тот же день получит сто миллионов точек. При этом по стоимости оба метода съемки находятся в одном ценовом диапазоне.

В сумме все это обеспечивает высокую точность и полноту исходной информации.

Отдельно хочется выделить незаменимость лазерного сканирования при обмерах сложных архитектурных деталей и особенно – насыщенных скульптурных композиций. Ведь при изготовлении чертежей необходимо иметь виды композиции с нескольких сторон, обязательно нужно выполнить характерные сечения скульптуры. Выдать требуемый объем полевых данных могут только методы наземного лазерного сканирования и, пожалуй, методы фотограмметрии (с ограничениями).

Отчетная документация

Результатом проведения обмерных работ является отчетная документация, состав которой определяется Техническим заданием и требованиями нормативной документации. Как правило, отчет состоит из текстовой части, графической части и приложений.

В текстовую часть входят сведения о задачах, описание объекта, информация об исполнителе, сроках и объемах работ и т.д.

В графическую часть входят масштабные ортогональные чертежи основных проекций объекта и его деталей, выполненные по результатам обмеров, а также эскизы, зарисовки, фотоматериалы, собранные в процессе выполнения работ.

Чертежи составляются (или распечатываются) на бумаге в масштабах:

• топографические планы – 1:200 - 1:500;
• интерьеры, отдельные фрагменты фасадов – 1:20;
• узлы и детали – от 1:10 до натуральной величины, в зависимости от сложности;
• шаблоны – 1:1;
• для схематических обмеров принимается масштаб – 1:200 - 1:100;
• планы, разрезы, фасады зданий и сооружений – 1:50 - 1:100.

Оформление чертежей осуществляется в соответствии с требованиями действующей нормативной документации ЕСКД и инструкций по выполнению обмерных работ.

При проведении обмеров методом лазерного сканирования итоговым материалом полевых работ является облако точек, записанное на цифровом носителе.

Для трехмерных построений в качестве отчетной документации Заказчику передаются файлы 3D моделей и их распечатки на бумаге в виде аксонометрических или перспективных проекций видов и разрезов.

Список использованных нормативных документов

1. ГОСТ 21.501-93. Правила выполнения архитектурно-строительных рабочих чертежей.
2. ГОСТ 26433.0-85. Система обеспечения точности геометрических параметров в строительстве. Правила выполнения измерений. Общие положения.
3. ГОСТ Р 55528-2013. Состав и содержание научно-проектной документации по сохранению объектов культурного наследия. Памятники истории и культуры. Общие требования.
4. ГОСТ Р 55567-2013. Порядок организации и ведения инженерно-технических исследований на объектах культурного наследия. Памятники истории и культуры. Общие требования.
5. РНиП. Реставрационные нормы и правила. Методические рекомендации по проведению научно-исследовательских, изыскательских, проектных и производственных работ, направленных на сохранение объектов культурного наследия (памятников истории и культуры) народов Российской Федерации. Часть 5. Методические рекомендации по проведению обмерных и инженерно-геодезических работ на объектах культурного наследия.
6. СП 13-102-2003. Правила обследования несущих строительных конструкций зданий и сооружений. Госстрой России. М.: 2004.
7. СРП-2007. Свод реставрационных правил. «Рекомендации по проведению научно-исследовательских, изыскательских, проектных и производственных работ, направленных на сохранение объектов культурного наследия (памятников истории и культуры) народов Российской Федерации». Нормативно-методическое издание. 4-я редакция. М.: 2011.

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

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.

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

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.

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

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.

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

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.

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

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