В ноябрьском номере "Инженерно-строительного журнала" ( №7(17), 2010) опубликована статья Сочетание методов трехмерного лазерного сканирования и цифровой фотограмметрической съемки для фиксации и обмера памятников архитектуры за авторством С.В. Тюрин, ГОУ СПбГУ, С.Г. Тихонов, ООО «НПП «Фотограмметрия».
Тюрин Сергей Вячеславович
к.т.н., доцент Санкт-Петербургского государственного университета, технический директор ООО «НПП «Фотограмметрия»
Тихонов Сергей Геннадьевич
исполнительный директор ООО «НПП «Фотограмметрия»
к.т.н., доцент Санкт-Петербургского государственного университета, технический директор ООО «НПП «Фотограмметрия»
Тихонов Сергей Геннадьевич
исполнительный директор ООО «НПП «Фотограмметрия»
Задача совершенствования методов фиксации памятников архитектуры на наш взгляд всегда актуальна. Традиционная форма фиксации в виде альбома с фотографиями сохраняет только информацию о внешнем облике объекта. Она не может дать точную информацию о геометрических свойствах объекта, так как съемка ведется на неметрические и некалиброванные камеры. Существует и другая известная форма фиксации – чертежи. Они передают геометрию, но не передают полностью внешний вид объекта. Кроме того, создание чертежей трудоемко и дорогостояще. Появление новых геодезических приборов и развитие методов цифровой фотограмметрии позволяет предложить качественно новые формы фиксации.
На сегодняшний день наиболее совершенными приборами для сбора данных о геометрии объекта являются лазерные сканирующие системы. Результатом работы лазерного сканера, является облако точек (набор точек с трехмерными координатами). Благодаря высокой скорости работы лазерного сканера, отпадает необходимость в избирательной съёмке объекта. Используя лазерное сканирование, мы в сжатые сроки получаем наиболее полную и достоверную информацию о геометрии объекта на конкретный момент времени.
Многие сканеры наряду с координатами точек позволяют получать данные о интенсивности отраженного сигнала. Приведя интенсивность отраженного сигнала к оттенкам серого, можно воспринимать данные лазерного сканирования, как черно-белую трехмерную дискретную модель (Рис. №2,3,4,5). Чем с более высокой плотностью производится сканирование, тем подробнее и информативнее будет модель.
Рис. №2. Трехмерная дискретная модель южного фасада Эрмитажа в цветах сканера
Рис. №3. Фрагмент модели южного фасада Эрмитажа
Рис. №4. Трехмерная дискретная модель интерьера зала Китайского дворца в ГМЗ Ораниенбаум
Рис. №5. Фрагмент модели интерьера зала Китайского дворца в ГМЗ Ораниенбаум
Однако представленное таким образом облако точек не даёт полного реалистичного представления об объекте, так как отсутствует информация о цвете. Это обстоятельство побудило нас разработать технологию совмещения результатов лазерного сканирования и цифровой фотограмметрической съёмки. Съемка выполняется на цифровую калиброванную камеру. Калибровка выполняется на тестовом полигоне нашего предприятия и заключается в определении параметров описывающих дисторсию объектива камеры. После исправления полученных снимков по строгим фотограмметрическим формулам мы можем пересчитать координаты точки скана из геодезической системы в систему координат снимка и таким образом определить цвет каждой точки. В результате совмещения данных лазерного сканирования и цифровой фотограмметрической съемки можно получить реалистичную цветную трехмерную дискретную модель (Рис. №6,7,8).
Рис. №6. Цветная трехмерная дискретная модель памятника Николаю I.
Рис. №7. Цветная трехмерная дискретная модель интерьера зала Китайского дворца в ГМЗ Ораниенбаум
Рис. №8. Фрагмент модели интерьера зала Китайского дворца в ГМЗ Ораниенбаум
Другой важной формой представления состояния объекта являются ортофотопланы. Ортофотоплан хотя и выглядит как фотография является не центральной а ортогональной проекцией объекта на плоскость. Поэтому по геометрическим свойствам ортофотоплан ничем не отличается от чертежа, а по информативности значительно его превосходит. Кроме этого по изобразительным свойствам ортофотоплан превосходит точечную модель. Это происходит благодаря тому, что если снимки сделать с большим разрешением чем у скана, то разрешение ортофотоплана можно довести до разрешения снимка (Рис. №9,10).
Рис. №9. Цветной ортофотоплан интерьера зала Китайского дворца в ГМЗ Ораниенбаум.
Рис. №10. Фрагмент цветного ортофотоплана интерьера зала Китайского дворца в ГМЗ Ораниенбаум.
Для хранения ортофотопланов нами используется собственный растровый формат «SPO». Его преимуществом является возможность хранения для каждой точки изображения всех трех геодезических координат и возможность хранения и визуализации очень больших изображений. Можно сказать, что это изображение является «трехмерным» ортофотопланом. Причем эта «трехмерность» может быть визуализирована, т.е. мы можем преобразовать ортофотоплан в модель.
Для дальнейшего использования ортофотоплана в иных приложениях, его можно сохранить в стандартном растровом формате с привязкой к геодезической системе координат (Рис. №11). Такое изображение можно открыть в системе AutoCad, масштабировать по координатной сетке и составить чертеж (Рис. №12).
Исходя из изложенного, формами фиксации состояния памятников архитектуры могут являться:
• чёрно-белые или цветные трёхмерные точечные модели: эта форма сохраняет всю метрическую информацию об объекте. Имея такую модель можно при необходимости получить любую другую форму представления. Главный её недостаток – большой объём хранения информации, часто исчисляющийся терабайтами. Такая фиксация наилучшим образом подходит для объектов сложной формы (скульптуры, монументы, церкви);
• чёрно-белые или цветные ортофотопланы в формате «SPO»: такая форма при некоторой потере информации, не попавшей на ортофотоплан, обладает рядом преимуществ, о которых уже сказано выше, но при этом объём хранения уменьшается более чем в три раза по сравнению с трёхмерной моделью. Информативность такого представления гораздо выше, чем у обычного ортофотоплана, а по изобразительным свойствам оно лучше, чем трёхмерная точечная модель. Ортофотопланы хорошо подходят для фиксации таких объектов как: фасады, стены, плафоны и полы;
• чёрно-белые или цветные ортофотопланы в стандартных растровых форматах: недостатком этой формы является ограниченность метрической информации двумерным пространством, но при решении некоторых задач этого вполне достаточно. Объем же хранения уменьшается еще примерно в два раза.
Рис. №11. Ортофотоплан фасада Морского собора в г. Кронштадт с нанесенной координатной сеткой.
Рис. №12. Фрагмент чертежа фасада Морского собора в г. Кронштадт.
Из выше сказанного, очевидно, что у каждой формы фиксации есть свои плюсы и минусы. Выбор той или иной формы должен зависеть от решаемой задачи. На наш взгляд, для задачи именно фиксации текущего состояния памятника (т.е. сохранения облика и геометрии объекта) на конкретный момент времени желательно хранить трехмерную точечную модель и/или цветные ортофотопланы в формате «SPO». Имея такой материал можно в любой момент при необходимости составить обмерные чертежи.
Работа с продемонстрированными материалами осуществляется в разработанном нашим предприятием программном комплексе ScanIMAGER. Эту программу мы передаем нашим заказчикам вместе с результатами работы. Получив такой материал и инструмент для работы с ним, архитекторы самостоятельно могут брать необходимые размеры, делать сечения в нужных местах, составлять чертежи. Многие архитектурные предприятия Санкт-Петербурга, успешно применяют данную технологию.
Если говорить о стоимости сканирования и изготовления ортофотопланов, то она зависит главным образом от требуемого разрешения конечного материала, т.е. от масштаба фиксации. В среднем стоимость цветного ортофотоплана в два (а иногда в три) раза ниже, чем чертежа в таком же масштабе. Поскольку ортофотопланы создаются автоматизированными средствами, а чертежи вручную, то чем сложнее объект, тем больше будет разница в цене.
В заключение, считаем необходимым призвать органы надзора, специалистов в архитектуре и реставрации изучить возможность более широкого применения таких материалов для решения задач фиксации объектов культурного наследия. Мы со своей стороны вместе с коллегами из других компаний готовы принять участие в разработке технических требований предъявляемых к фиксационным материалам.
Литература:
1. Технические характеристики лазерной сканирующей системы IMAGER 5006 Zoller+Frohlich Ltd, http://www.zf-laser.ru/skaner5600.html.
2. Лобанов А.Н. Фотограмметрия: Учебник для вузов. – М., Недра, 1984.
Тюрин С.В. +7 921 952-98-63, turin@photogrammetria.ru
Tyurin S.
Tyurin S.
---------
СКАЧАТЬ полный текст статьи в pdf:
---------
журнал: Инженерно-строительный журналвыпуск: №7(17) 2010 год
раздел: Методы
статья: С.В. Тюрин, ГОУ СПбГУ
С.Г. Тихонов, ООО «НПП «Фотограмметрия»
Сочетание методов трехмерного лазерного сканирования и цифровой фотограмметрической съемки для фиксации и обмера памятников архитектуры
Программный комплекс ScanIMAGER предназначен для обработки результатов трехмерного лазерного сканирования применительно к архитектурным обмерам. Он построен по модульному принципу и поставляется в различных модификациях.