Лазерные сканирующие системы в архитектуре и строительстве

Продолжая цикл статей о современных технологиях измерений, применяемых в строительстве и архитектуре, предлагаем вам познакомиться с совершенно новыми приборами, а также технологиями их применения.

Современная геодезия получила новый инструмент — 3-мерный лазерный сканер. Новая техника несет в себе и новые технологии, связанные с применением компьютеров и программного обеспечения. Не стало исключением и внедрение в производство лазерных сканирующих систем. В данной статье хотелось бы затронуть технологию сканирования, обработки полученных данных и применение лазерной сканирующей системы Leica HDS 3000 для решения архитектурных и строительных задач.

В архитектурных съемках самое главное — это создание абсолютно правдоподобного чертежа существующего здания, строения или памятника (скульптуры). Стандартный тахеометр с безотражательным дальномером позволяет сделать съемку любого здания по каким-либо определенным точкам. Это могут быть углы оконных проемов, дверей, точки соприкосновения различных деталей здания. Тахеометр не сможет вам помочь, когда ваша задача включает съемку достаточно сложных элементов — это могут быть разрушения здания, колоннады, украшения, гербовые дополнения и другие части здания. Даже достаточно простое арочное окно может вызвать затруднения при съемке тахеометром.

Технология лазерного сканирования основана на применении лазерного безотражательного дальномера, который встроен в прибор с автоматическим изменением направления луча лазера. То есть в приборе помимо стандартных угломерных систем есть еще и механизмы (сервоприводы), изменяющие вертикальный и горизонтальный углы «визирной» оси лазера. Минимальный шаг сканирования 60 микрорадиан. В результате получается массив (облако) точек, описывающий объект съемки. Процесс сканирования производится с высокой скоростью. Полнота полученной информации и избыточность собранных данных при помощи лазерной сканирующей системы не может сравниться ни с одним из ранее реализованных приборов (электронных тахеометров). При этом каждая точка имеет помимо трех пространственных координат еще и информацию о псевдоцвете, который получается за счет интенсивности возвращаемого сигнала. В лазерной сканирующей системе HDS 3000 установлена цифровая фотокамера, которая расположена на одной оптической оси с осью лазера, что дает фотореалистический цвет точки (RGB).

Программное обеспечение играет чрезвычайно важную роль в быстрой и эффективной обработке облаков точек, полученных в результате съемок. ПО Cyclone включает полный набор программных модулей для наиболее удобной обработки облаков точек.

Cyclone — это набор программных модулей Leica HDS, который считается многими специалистами, работающими в области лазерного сканирования, настоящим стандартом для решения задач сканирования, визуализации, измерения, построения трехмерных моделей и чертежей, анализа данных и представления результата в традиционной форме и для решения других задач. Имеется модуль Cyclone CloudWorx, встраиваемый в известные САD-программы — AutoCAD, MicroStation, Intergraph.

Результаты сканирования вы получаете сразу — в момент проведения съемки, что позволяет оперативно влиять на процесс сканирования. По облаку точек, пока сканируется объект, можно измерить различные расстояния, просмотреть полученный результат и т. д. С помощью программы пользователь может настраивать плотность сканирования, фильтрацию данных, сканировать и автоматически распознавать плоские и сферические визирные цели. При всем функциональном богатстве работать с программой очень легко из-за простого и понятного интерфейса.

Cyclone имеет функции для быстрого и точного уравнивания облаков точек, сделанных с различных точек съемки, а также дает возможность обрабатывать облака точек, превращая их в объекты для экспорта и импорта в программы САПР.

Также имеется функционал для многопользовательской работы над одним проектом, что повышает производительность труда и уменьшает временные затраты при работе над большими и сложными проектами.

Рассмотрим несколько примеров.

«Фирма «Г. Ф. К. » по заданию Центра прикладной геодинамики отсканировала сканером Leica HDS 3000 подмосковный акведук. Сканирование объекта производилось с шагом 5 мм. После связки сканов получен массив, который состоит более чем из 10 млн точек. Облако точек очень информативно и отображает реальную картину объекта.

По облаку точек можно измерить любой конструктивный элемент отсканированного объекта, например размер любого кирпича или ширину шва между кирпичами с точностью до 1 мм.

В любой имеющейся САD-программе несложно построить фасад по точкам, в данной технологии не требуется стереорежим, как при использовании фотограмметрических методов.

Достаточно быстро происходит построение твердотельной модели объекта, получения любых разрезов, разбивок на поверхности, а также расчет объема и площади объекта (рис. 2).

Одним из видов обработки результатов лазерного сканирования является получение различных сечений в любой желаемой плоскости и с любым шагом между сечениями. В результате получаются разрезы и планы на любом уровне.

Самый трудоемкий процесс построения 30-модели с отображением всех мельчайших подробностей — прецизионное твердотельное моделирование (обработка измерений производилась сотрудниками Центра прикладной геодинамики).

С помощью лазерного сканера, возможно, получить не только геометрические данные объектов, максимально достоверно оценить объемы разрушений и соответственно объемы реставрационных работ.

Работы по сканированию внутреннего контура купола Московского планетария производила «Фирма «Г. Ф. К» в связи с ведущейся реконструкцией основного здания.

Цель работы — строительные обмеры для определения геометрических параметров сооружения на объекте «Купол Московского планетария».

Высоко эффективным и быстрым видом обработки результатов лазерного сканирования является получение различных сечений в любой желаемой плоскости и с любым шагом между сечениями (см. рис. 3, 4).

При сканировании Московского планетария было получено облако объемом 80 млн точек за 3 (три) полевых дня. Обработка облаков точек до получения контуров сечений на заданных высотных отметках и проходящих через указанные оси колоннах велась в программном обеспечении Cyclone, с последующей передачей данных в AutoCAD в формате DXF.

Второй частью данной работы было сканирование купола Московского планетария снаружи. Цель этого сканирования создание 3-мерной модели наружной поверхности купола в виде облака точек, а также определение геометрических параметров сооружения по объекту. Конечным результатом явились вертикальные (меридиональные) сечения купола с угловым шагом 5 градусов и горизонтальные сечения купола в виде контуров с шагом по параллели 25 см.

Одним из примеров применения систем лазерного сканирования и обработки результатов сканирования может служить сканирование частного жилого дома в процессе его строительства.

Все материалы, полученные в результате сканирования, можно без дополнительного преобразования форматов загрузить в AutoCAD или MicroStation.

Наземные лазерные сканеры применяются в сложных строительных конструкциях как средство неразрушающего контроля и мониторинга за сложными сооружениями.

С помощью наземного лазерного сканера проводился мониторинг высотного здания. В частности, на рис. б представлено отсканированное здание с поэтажными высотными отметками отклонения от вертикали. Результаты проведенных измерений сведены в таблицу. В результате обработки данных получен график поэтажных отклонений по левой и правой сторонам от осевой линии.

Проведенные нашей фирмой работы по сканированию строений и последующая обработка данных позволили получить техническую документацию там, где она была утеряна и на объектах после их реконструкции. С помощью технологии лазерного сканирования можно быстро получить и исполнительную съемку объектов. На рисунке 7 представлен пример сканирования перестраиваемого коттеджа с получением 30-модели, разрезов, поэтажных планов и модели рельефа участка. Время на полевые работы составило 1 день и на обработку данных 6 дней.

На рисунке 8 представлен результат сканирования четырехэтажного офисного здания, для которого требовалась перепланировка. Выходными данными были поэтажные планы и развертки стен.

В результате обработанных данных получаем 2 D- и 30-карты, 20-чертежи, объединенные облака точек, трехмерные модели, обмеры и т. д.

Перечисленный нами спектр выходной продукции с применением наземного лазерного сканера позволяет получить всеобъемлющее представление о форме и размерах измеряемого объекта, а также провести мониторинг и не разрушающий контроль сложных строительных конструкций.

Новая технология позволяет с большой скоростью и детальностью получить результаты, начиная от плоских двухмерных чертежей и заканчивая высокоточной трехмерной твердотельной моделью.

Экономия средств и положительный эффект достигаются прежде всего за счет многократного сокращения временных затрат на полевые работы, а также за счет полноты получаемой информации.

Наши специалисты готовы провести презентацию системы, предоставить любую информацию о возможностях данного оборудования, принять участие в вопросах внедрения.