Опыт использования лазерного сканирования в строительстве



В статье рассматривается опыт применения наземного лазерного сканирования при съемке строительных и архитектурных объектов. В целях минимизации ошибок, оптимизации и ускорения работ, проектировщики все чаще обращаются за помощью к организациям, выполняющим лазерное сканирование. Это позволяет уходить от традиционных обмеров и получать облака точек любого здания с точностью до 1 мм. Наземное лазерное сканирование съемки объектов, которое уже показало свою эффективность при реконструкции промышленных объектов, в архитектуре, строительстве, горном деле и целом ряде других областей.

Ключевые слова: строительство, геодезическая отрасль, лазерное сканирование, 3D-модели.

The article discusses the experience of using terrestrial laser scanning when shooting construction and architectural objects. In order to minimize errors, optimize and speed up work, designers are increasingly turning to laser scanning organizations for help. This allows you to get away from traditional measurements and get point clouds of any building with an accuracy of 1 mm. Terrestrial laser scanning for shooting objects, which has already shown its effectiveness in the reconstruction of industrial facilities, in architecture, construction, mining and a number of other areas.

Keywords : construction, geodetic industry, laser scanning, 3D-models.

Введение. В настоящее время большое внимание уделено технологии наземного лазерного сканирования и методикам создания топографических планов и построения цифровых моделей объектов и рельефа местности с использованием различных программ для обработки данных наземного лазерного сканирования. Одной из областей, наиболее ярко открывающих возможности лазерного сканера, является архитектура и строительство. Метод же лазерного сканирования даёт нам возможность очень быстро провести съёмку фасада здания и получить модель исторического объекта с деталями размером до нескольких миллиметров. Появление на рынке наземных лазерных сканеров позволило сократить трудозатраты на проведение измерений, а также качественно изменить вид выходной продукции.

Основное содержание. С применением наземного лазерного сканера могут выполняться следующие виды работ при проектировании и строительстве сооружений:

— оптимальное планирование;

— контроль перемещения, установки и удаления крупных частей сооружений или оборудования;

— корректировка проекта в процессе строительства;

— контроль строительства;

— монтажные работы и их корректировка;

— исполнительная съёмка в процессе строительства и после его окончания;

— мониторинг состояния объекта при эксплуатации;

— точное профилирование и построение трёхмерных моделей различных объектов.

Внедрение новых технологий — безотражательных тахеометров и GPS — в инженерной геодезии означало существенное увеличение производительности труда и эффективности выполнения поставленных задач. Во многих случаях отпала необходимость использовать трудоёмкий процесс фототеодолитной съёмки и последующего камерального дешифрирования результатов при измерении фасадов зданий и сооружений. Автономность и быстрота, которые характеризуют метод GPS, позволили значительно ускорить проведение привязочных работ и повысить их точность.

С внедрением в геодезическое производство наземных лазерных сканеров открылись ещё более волнующие перспективы в плане увеличения скорости и производительности работ, что повлекло за собой существенный экономический эффект [1]. Кроме этого, НЛС позволили геодезистам получать наглядные результаты съёмки прямо в «поле», благодаря особенности лазерных сканеров визуализировать снимаемые поверхности в видемассивов точек лазерных отражений — облаков точек и даже окрашивать эти облака точек в истинный цвет.

Если при измерении несложных фасадов можно обойтись безотражательным тахеометром, то в случае проведения реставрационных работ и решения задач реконструкции, без наземного лазерного сканера уже не обойтись, так как он позволяет в короткие сроки собрать весь необходимый массив данных, и, окрасив точки лазерных отражений в истинный цвет, подготовить их к камеральному дешифрированию и построению триангулированных поверхностей. При этом, сама методика полностью исключает ошибки оператора, которые неизбежно возникают при работе с тахеометром. Применение лазерных сканеров компании Riegl во много раз увеличило полноту и информативность данных, что особенно актуально при съёмке архитектурных объектов [2]. Особенностью сканеров Riegl является высокая точность, дальность измерения расстояний (до 1000 м), быстрота сбора данных (12 000 точек в секунду), надёжность и универсальность (рис. 1).

Рис. 1. Наземный лазерный сканер RIЕGL LMS-Z400I

Растущая популярность лазерного сканирования обусловлена целым рядом преимуществ, которые даёт новая технология по сравнению с другими методами измерений. Среди преимуществ следует выделить главные: повышение скорости работ и уменьшение трудозатрат. Появление новых более производительных моделей сканеров, совершенствование возможностей программного обеспечения позволяет надеяться на дальнейшее расширение сфер применения наземного лазерного сканирования.

В ходе строительства торгово-развлекательного комплекса «Хан-Шатыр» в г. Астана (Казахстане) был разработан проект по лазерному сканированию. Уникальность работы состояла в том, что до этого момента в Казахстане никто не выполнял лазерную съёмку такого сложного и специфического объекта. Здание «Хан-Шатыр» — второе по величине уникальное здание с куполовидной формой крыши. Казахстанцы называют его восьмым чудом света, ведь удивляет не только его размер, но также и материал, из которого изготовлен купол [3, 4]. Фасадное покрытие огромной кабельной конструкции выполнено в виде сплошной сетчатой структуры. Работы по сканированию и обработке результатов выполнялись специалистами компании «Leica Geosystems» в Казахстане. Выполнение полевых работ по сканированию заняло два дня. Сканер устанавливали четыре раза с каждой стороны здания (рис.2).

Рис. 2. Здание Хан -Шатыр

Организация полевых работ при лазерном сканировании включает в себя следующие этапы:

— выбор мест сканирования с условиями технического задания;

— определение мест расположения контрольных марок с учётом установки сканера на объекте;

— определение координат контрольных марок;

— производство сканирования объекта;

— сканирование контрольных марок (рис. 3).

Обработка полученных данных выполнялась с помощью программного комплекса Сусlоnе, имеющего функцию уравнивания. Эта функция позволяет объединять отдельные сканы в единую систему координат с использованием специальных визирных марок (рис. 3, а), устанавливаемых на объекте сканирования. Процесс уравнивания четырёх сканов занял менее часа. Средняя квадратическая ошибка составила 2 мм.

Полученная трёхмерная модель «облака точек » здания (рис. 3, б) использовалась проектировщиками для сравнения местоположения соединительных болтов конструкции здания с проектными данными.

Модель здания в виде облака точек транспортировалась в приложение СloudWorx-AUТОСАD, где проектировщики могли просматривать результаты после обработки и сканирования (рис. 3, в).

Рис. 3. Процесс сканирования (а); облака точек (б); результат, полученный по программе Сусlоnе (в)

Работы по построению трёхмерной модели концертного зала «Казахстан» (рис. 4) также были произведены с целью определения и оценки значений деформации посредством сравнения с двумя сериями измерений. Данный объект был отсканирован с 3-х точек стояния сканера.

Рис. 4. Здание концертного зала

Работа на каждой стоянке сканера занимала около часа без учёта переноса сканера и подготовки системы к работе. Весь комплекс полевых работ был выполнен за день [5, 6].

Камеральная обработка результатов заключалась в создании цифровой модели здания и определения деформаций между двумя моделями в программе Сусlоnе. В этой программе автоматически происходит сравнение полученных моделей между 2-мя съёмками для определения значений деформации. Результаты полученных данных приведены на рис. 5.

Рис. 5. Последовательность сканирования здания Концертного зала «Казахстан»

По результатам проведённых съёмок лазерного сканирования различных объектов деформации не были обнаружены. Отклонения значений между моделями находятся в пределах точности измерений 4–19 мм [7].

Выводы. На основе проведенных экспериментальных и производственных исследований:

— разработана методика съемки объектов с использованием наземных лазерных сканеров, включающая создание съемочного обоснования, составление абрисов, выбор шага сканирования и местоположения сканерных станций.

— предложена схема рабочего плана наземного лазерного сканирования, позволяющая снизить трудозатраты на выполнение.

— разработана методика создания цифровых трехмерных моделей объектов, включающая подготовку данных наземного лазерного сканирования, векторизацию точечной модели с использованием различных функций моделирования, а также определение последовательности формирования объектов, экспорт цифровой трехмерной модели в пользовательский формат и контроль точности.

Исследование выполнено в рамках грантового финансирования Министерство науки высшего образования РК (проект АР14871828).

Литература:

1. Середович В. А. Наземное лазерное сканирование: Монография.– Новосибирск: СГГА, 2009. — 261 с.
2. Лазерный сканер RIEGL VZ-400// https://gd-geo.ru/katalog/3d-skanery/riegl-vz-400.
3. Рысбеков К. Б., Нурпеисова М. Б. Основы лазерного сканирования. Учебник для вузов. — Алматы: КазНИТУ им. К. И. Сатпаева, 2021.– 246 с.
4. Нурпеисова М. Б., Орманбекова А. Е. Оценка технического состояния инженерных сооружений. — LAR Lambert Akademic Publishing. 2017. –120 с.
5. Нурпеисова М. Б., Охотин А. Л., Орманбекова А. Использование современных геодезических приборов для контроля деформации зданий и сооружений//Труды 14-й Междун. научной школы «Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых».–М.:ИПКОН РАН, 2019.–с.185–190.
6. Нурпеисова М. Б. Опыт использования лазерно-цифровой технологии при маркшейдерском обеспечении горной промышленности //Труды Междун. Форума маркшейдеров: «Инновационные технологии в геодезии, маркшейдерии и геотехнике». — Караганда: КарГТУ, 14–15.09.2017 г. — с. 25–30.
7. Nurpeisova M., Umirbaeva A., Fedorov E. Assessment of deformed and radiological state territory based on integrated monitoring. — Eurasian mining. 2021. No.1.– pp. 83–87.