Россия
Россия
Россия
УДК 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
Методы: в исследовании использованы методы анализа и синтеза информации, сравнительная оценка технических характеристик и результатов, получаемых традиционными и современными технологиями обмеров. Проведен обзор литературы и опыта применения фотограмметрии и лазерного сканирования, а также их сопоставление на примере практического сценария создания цифровой 3D-модели крупного объекта. Результаты: установлено, что дистанционные методы (фотограмметрия и лазерное сканирование) позволяют значительно ускорить получение обмерных данных и повысить их точность по сравнению с классическими подходами. Фотограмметрия обеспечивает получение цифровой модели объекта с погрешностью порядка 5-10 см, а лазерное сканирование – около 3-5 см, что недостижимо при ручных измерениях. Приведены примеры успешного применения технологий сканирования для оперативного создания цифровых моделей местности и восстановления объектов культурного наследия. Выводы: современные технологии сканирования обладают значительными преимуществами перед традиционными методами обмеров и являются эффективным инструментом инженерных изысканий. Их применение обеспечивает быстрое получение точных трёхмерных моделей зданий и сооружений для информационного моделирования (BIM) и снижает риски при строительстве и реконструкции.
лазерное сканирование; фотограмметрия; обмерные работы; геодезия; цифровой двойник; BIM-технологии
Введение
Современные цифровые технологии существенно оптимизировали проведение геодезических и инженерных обмерных работ. Объединение геодезического оборудования с фотограмметрическими устройствами привело к появлению инновационного подхода – системы трёхмерного сканирования, включающей фотограмметрию и наземное лазерное сканирование. Эти технологии становятся всё более востребованными в строительной отрасли: дистанционная инспекция строительных объектов перестала быть концепцией и превратилась в практическую необходимость. Согласно современным стандартам информационного моделирования зданий и сооружений, исходные данные для проектов должны быть представлены в трёхмерном пространстве. Трёхмерная модель (BIM-модель) должна быть достаточно детализированной и высокой точности, полно описывая геометрию объекта и рельеф местности. Традиционные инструменты геодезии позволяют собрать такие данные, однако для полноценной BIM-модели их качества зачастую недостаточно. Появление и развитие технологий лазерного сканирования и фотограмметрии значительно упростило решение этой задачи [1]. Тем не менее выбор оптимальной технологии сканирования для конкретных условий остаётся актуальной задачей. Цель данного исследования заключается в сравнительном анализе современных методов 3D-сканирования зданий и сооружений и классических методов обмеров с точки зрения их точности, скорости и применимости. Актуальность исследования обусловлена потребностями цифрового строительства и BIM, требующими качественных трёхмерных данных об объектах.
Перед началом строительства любого объекта, будь то гражданское или промышленное сооружение, традиционно проводятся комплексные инженерные изыскания, включающие обмерные работы для оценки текущего состояния строительных конструкций.
Материалы и методы
В рамках исследования рассмотрены три подхода к выполнению обмерных работ: классические контактные измерения, фотограмметрия и лазерное 3D-сканирование. Ниже приводится характеристика каждого из этих методов.
Классические методы обмеров. Изучение технического состояния зданий или отдельных конструктивных элементов проводится в несколько этапов с применением традиционных инструментов. Сначала выполняется предварительное (общее) обследование: анализ проектной и исполнительной документации, визуальный осмотр объекта и основных элементов. Визуальный осмотр позволяет выявить видимые дефекты и повреждения конструкций. Затем выполняются обмерные работы – замеры геометрических параметров сооружения для восстановления чертежей, особенно когда проектная документация утрачена. Для обмеров применяются рулетки, измерительные рейки, штангенциркули, уровни, тахеометры и другие приборы. Предварительное обследование даёт общую оценку технического состояния объекта и служит основой для планирования детального исследования. На стадии детального обследования используются специальные высокоточные приборы для определения фактического положения конструкций, измерения деформаций, смещений и иных отклонений от проектных размеров. При необходимости проводятся инженерно-геологические изыскания для получения сведений о грунтовых условиях основания здания [2]. Классические методы достаточно трудоёмки и по точности и скорости уступают современным технологиям сканирования.
Фотограмметрия. Фотограмметрия представляет собой бесконтактный метод получения высокоточной метрической информации об объекте по его изображениям. Уровень детализации, достигаемый фотограмметрическими съёмками, практически невозможен при ручных измерениях традиционными инструментами [3]. Фотограмметрия стала важным инструментом выполнения обмерных работ на строительных объектах в современной архитектурно-строительной практике. В отличие от инженера с дальномером или тахеометром, при фотограмметрии используется беспилотный летательный аппарат (БПЛА, дрон) с камерой. Применение дронов для съёмки позволяет значительно сократить трудоёмкость и продолжительность измерительных работ, особенно на сложных и крупных объектах. Результатом фотограмметрической съёмки является набор перекрывающихся фотографий местности или сооружения, по которым с помощью специализированного программного обеспечения автоматически строится трёхмерное облако точек. Полученное облако точек загружается в среду общих данных для дальнейшей обработки и построения модели [4].
Для фотограмметрической съёмки предварительно разрабатывается план полёта дрона над объектом. Специалист задаёт границы территории на электронной карте, автоматически формируется маршрут – замкнутый полигон облёта, охватывающий весь объект с некоторым запасом по краям. Важно правильно установить высоту полёта и степень перекрытия фотографий для учёта рельефа. Угол наклона камеры дрона определяет тип получаемых данных: при вертикальной съёмке формируется ортофотоплан (плоское 2D-изображение), при наклонной – объёмная 3D-модель. Чем ниже высота полёта и чем больше перекрытие кадров и частота съёмки, тем выше детализация модели и точность измерений, хотя увеличивается время облёта. Составленный план полёта загружается в систему управления дроном; после этого осуществляется автоматический облёт по заданному маршруту. В результате работы дрона получаются сотни или тысячи снимков, которые в программной среде объединяются в единую трёхмерную модель объекта. Процесс формирования модели из фотографий полностью автоматизирован. На основе облака точек, полученного фотограмметрией, в короткие сроки создаётся цифровой двойник обследуемого объекта или участка местности с точностью порядка 5–10 см, что недостижимо классическими методами [5]. Дополнительным преимуществом данного метода является возможность сравнивать периодически получаемые облака точек с фактическим положением дел на строительной площадке для выявления отклонений (например, смещений установленных колонн относительно проекта).
Лазерное сканирование. Лазерное сканирование (лидарная съёмка) – это метод создания цифровой 3D-модели объекта на основе набора точек с координатами. Лазерный сканер, излучая и принимая отражённый сигнал, собирает пространственные координаты точек и фиксирует интенсивность отражения от поверхности [6]. В качестве инструмента используется компактный лидар (лазерный сканер), который может устанавливаться на платформу БПЛА. Одновременно на беспилотник устанавливается высокоточная спутниковая навигационная система (ГНСС-приёмник), инерциальный модуль и иные электронные компоненты. Бортовой вычислительный комплекс обрабатывает данные сканирования и формирует облако точек, по которому могут создаваться топографические планы местности либо измерительные документы [7]. Лазерное сканирование позволяет получать данные о труднодоступных или опасных для непосредственного обследования зонах. Эту технологию целесообразно применять в случаях, когда фотограмметрия затруднена или невозможна – например, при недостаточной освещённости, неблагоприятных погодных условиях или сложном гористом рельефе местности. Для сравнения, скорость наземной съёмки с помощью одного тахеометра составляет порядка двух гектаров за день [8], причём подобные полевые обмеры характеризуются относительно невысокой точностью. Одним из достоинств лидарных систем является возможность классификации точек по отражательной способности и отсев лишних объектов (например, автоматическое удаление растительности при обработке данных сканирования). В практике обследования зданий и сооружений применяются как воздушные (дроны с лидарами), так и наземные стационарные лазерные сканеры, а также мобильные лазерные сканирующие системы (например, сканирование с движущегося автомобиля).
Результаты
В результате проведённого исследования проанализированы особенности и возможности каждого из рассмотренных методов. Современные технологии сканирования продемонстрировали явные преимущества в скорости получения данных и уровне детализации модели по сравнению с традиционными обмерами. Для наглядности ключевые показатели традиционных и современных методов обмеров сведены в табл. 1. Ниже приведены примеры практического применения фотограмметрических и лидарных систем для подтверждения эффективности этих методов.
Таблица 1
Сравнительная характеристика методов обмеров
|
Показатель |
Классические обмеры |
Фотограмметрия |
Лазерное сканирование |
|
Типичная точность |
Десятки сантиметров и более (низкая детализация) |
~5–10 см |
~3–5 см |
|
Производительность |
До ~2 га/день (одним тахеометром) |
До ~100 га/день (БПЛА с камерой) |
До ~200 га/день (БПЛА с лидаром) |
|
Трудоёмкость полевых работ |
Высокая (много ручных измерений, бригада специалистов) |
Низкая (1 оператор, автоматизированная съёмка) |
Низкая (1–2 оператора, короткие выезды) |
|
Стоимость оборудования |
Низкая/средняя (традиционные приборы) |
Средняя (дрон + камера доступнее лидара) |
Высокая (дорогостоящий лидарный комплекс) |
|
Ограничения применения |
Медленный сбор данных; |
Требует хорошего освещения, открытого пространства; |
Высокая стоимость и сложность; |
Так, для создания 3D-модели действующего промышленного предприятия и окружающей территории площадью порядка 200 гектаров, расположенных в сложных горных условиях, был применён беспилотный летательный аппарат с лидарным сканером. На начальном этапе работы развёртывается базовая станция БПЛА, а в бортовой компьютер загружаются контуры границ района и полёта. Предварительный пробный облёт позволяет получить черновую трёхмерную модель местности. После анализа результатов уточняется и загружается финальный план полёта, учитывающий рельеф. На выполнение серии полётов для полного сканирования указанной территории потребовалось всего несколько часов, а обработка полученных данных заняла 1–2 дня. При средней точности модели около 3–5 см и высокой скорости получения данных лидарные системы оказались незаменимым инструментом для оперативного построения подробных топографических планов и трёхмерных карт местности. Важно отметить, что благодаря алгоритмам классификации точек в программном обеспечении была автоматически устранена растительность, что позволило получить чистую цифровую модель рельефа и объектов.
Примером эффективного использования технологий сканирования за рубежом является восстановление Собора Парижской Богоматери после пожара в 2019 году. Для реставрации этой исторической постройки были задействованы методы трёхмерного сканирования: на основе ранее выполненных лазерных съёмок и фотографий была создана высокоточная информационная модель собора (BIM-модель), которая легла в основу проекта реставрационных работ. Данный случай продемонстрировал, что наличие предварительно собранных 3D-данных об объекте культурного наследия значительно ускоряет и упрощает его восстановление.
Современные технологии лазерного сканирования успешно применяются и в Российской Федерации. Так, при реконструкции здания Министерства экономического развития на Овчинниковской набережной в Москве (постройка 1956 г., площадь более 40 тыс. м²) потребовалось получить точные актуальные чертежи, в том числе для воссоздания фасадных элементов и лепнины. С помощью лазерного сканирования были оперативно выполнены обмеры здания, причём съёмка проводилась параллельно с демонтажными работами. Это позволило получить точные данные о геометрии всех элементов строения и выявить отклонения фактического положения конструкций от чертежей [9]. Полученная трёхмерная модель объекта использована при разработке проекта реконструкции и изготовлении новых элементов фасада.
Обсуждение
Результаты сравнения методов подтверждают, что использование фотограмметрии и лазерного сканирования даёт существенные преимущества при инженерных обследованиях объектов капитального строительства. Оба метода позволяют значительно ускорить сбор данных: съёмка с дрона занимает считанные часы, тогда как традиционные обмеры сопоставимого объёма могут требовать нескольких дней или недель работы бригады специалистов. При этом по точности современные технологии также превосходят классические: погрешность фотограмметрических моделей составляет единицы сантиметров, а лидарные системы обеспечивают точность до нескольких сантиметров даже на обширных и труднодоступных территориях. Для сравнения, ручные измерения и тахеометрическая съёмка обычно менее точны и могут не выявить ряда мелких деталей конструкций.
Важным аспектом является область применимости и ограничения каждого метода. Фотограмметрия эффективна для получения текстурированных трёхмерных моделей на открытых пространствах и при хороших погодных условиях. Однако она может испытывать затруднения в условиях недостаточного освещения (например, в тёмных помещениях или ночью) и при съёмке густо озеленённых территорий, где обзор с воздуха ограничен. Лазерное сканирование, напротив, успешно функционирует даже при слабом освещении и позволяет «видеть» сквозь растительность благодаря регистрации отражений от поверхности земли под кроной деревьев. За эти преимущества приходится платить усложнением оборудования и его высокой стоимостью: лидарные комплексы стоят значительно дороже камер для фотосъёмки, а обработка лидарных данных требует больших вычислительных ресурсов. Таким образом, выбор оптимальной технологии сканирования должен основываться на конкретных условиях: для относительно простых объектов и при ограниченных ресурсах эффективна фотограмметрия, в то время как для сложных или критически важных задач, требующих максимальной точности и независимости от внешних условий, предпочтителен лазерный сканер. В ряде случаев целесообразно комплексное использование обоих подходов: комбинированная обработка фотограмметрических и лидарных данных позволяет получить как фотореалистичную визуализацию, так и высокоточные измерения.
Полученные результаты согласуются с целями концепции информационного моделирования зданий (BIM). Оцифровка существующих объектов с помощью 3D-сканирования способствует созданию актуальных информационных моделей (цифровых двойников), которые могут интегрироваться в единое информационное пространство строительных проектов. Это повышает эффективность планирования реконструкций и ремонта, облегчает мониторинг состояния объектов и управление жизненным циклом зданий. Кроме того, применение фотограмметрии и лидаров снижает риски для персонала при обследованиях опасных или аварийных объектов, так как основная съёмка выполняется дистанционно. Таким образом, развитие и внедрение современных методов сканирования напрямую способствует повышению качества и безопасности инженерных изысканий и строительных работ.
Заключение
В ходе исследования выполнен анализ традиционных и современных методов обмеров строительных объектов. Показано, что внедрение технологий трёхмерного сканирования (фотограмметрических и лазерных) принципиально изменяет подход к обследованию зданий и сооружений. Современные методы обеспечивают быстрое получение детальных трёхмерных моделей, что чрезвычайно важно для актуальных задач строительства и эксплуатации – от создания точных цифровых чертежей до подготовки информационных BIM-моделей зданий. Сравнение с классическими подходами выявило, что при наличии возможности применения сканирующих систем они должны рассматриваться как предпочтительный инструмент: их преимущества в точности и производительности очевидны. Например, фотограмметрические модели имеют погрешность порядка 5-10 см, а лидарные – около 3-5 см; при этом обмеры с дрона охватывают большой объект за считанные часы вместо многих дней традиционных измерений. Традиционные визуальные осмотры и инструментальные обмеры сохраняют свою ценность в случаях, когда использование дронов или лидаров затруднено (например, в стеснённых городских условиях внутри помещений или при отсутствии доступа к необходимому оборудованию). В целом, результаты работы подтверждают высокую эффективность современных методов сканирования для инженерных изысканий. Их дальнейшее распространение и совершенствование будут способствовать повышению качества получаемых данных, снижению трудоёмкости обследований и рисков при эксплуатации зданий и сооружений.
1. Жолобова О. А. Перспективы развития дистанционных методов измерительного контроля качества строительной продукции // Инженерный вестник Дона. 2013. № 3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2013/1892. EDN: https://elibrary.ru/RZEHLZ
2. 3D-сканирование зданий // Twize. URL: twize.ru/articles/3d-skanirovanie-zdaniy/ (дата обращения: 12.06.2024).
3. Этапы технического обследования // ИнжСтройКапитал. URL: injstroykapital.ru/tehnicheskoe-obsledovanie/etapy-tehnicheskogo-obsledovaniya/ (дата обращения: 09.06.2024).
4. Обмерные работы // Гектар Групп. URL: gektargroup.ru/uslugi/geodezicheskie-raboty/obmernye-raboty/ (дата обращения: 09.06.2024).
5. Zubair A. M., Muhd Zaimi A. M. 2006. The Use of Photogrammetry Techniques to Evaluate the Construction Project Progress // Jurnal Teknologi. 44(1).
6. Добрынин Н. Ф., Пимшина Т. М. Использование космических средств позиционирования при обработке аэро- и космической информации // Инженерный вестник Дона. 2013. № 3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2013/1835. EDN: https://elibrary.ru/RZEGQB
7. Zhang C., Arditi D., Lui P. 2021. Integrating Laser-scanning Technology into a Construction Engineering and Management Curriculum // Virtual Annual Conference, ASEE.
8. Ellis G. Laser Scanning in Construction: Everything You Need to Know // Autodesk. URL: autodesk.com/blogs/construction/laser-scanning-in-construction/ (дата обращения: 12.06.2024).
9. Геодезические изыскания и картографирование для открытия старого баритового карьера в Сучавском уезде, Румыния: разведка на основе лазерного сканирования с дрона // Topodrone. URL: topodrone.ru/blog/1587/ (дата обращения: 10.06.2024).
10. Егорова В. Как с помощью лазерного 3D-сканирования сократить риски при строительстве и реконструкции зданий и объектов // Цифровое строительство. URL: digital-build.ru/kak-s-pomoshhyu-lazernogo-3d-skanirovaniya-sokratit-riski-pri-stroitelstve-i-rekonstrukczii/ (дата обращения: 09.06.2024).
