CC BY
45
УДК 528.7
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-8-138-144
ОБ ИНТЕГРАЦИИ BIM-ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ЗДАНИЙ С МЕТОДАМИ ФОТОГРАММЕТРИИ ПРИ ПОСТРОЕНИИ ЦИФРОВЫХ МОДЕЛЕЙ ОБЪЕКТОВ В АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНОЙ ОТРАСЛИ
О.Л. Шестопалова, Р.П. Шестопалов
Рассматриваются основные направления развития и способы практической реализации BIM-технологии информационного моделирования зданий (BIM - Building Information Modeling) на основе первичной информации, получаемой методами фотограмметрии, т.е. фотосъемки объектов различными техническими средствами и последующей обработки изображений. Представлена характеристика целей, этапов и средств получения и обработки фотографической информации для создания цифровых моделей объектов в архитектурно-строительной отрасли.
Ключевые слова: BIM-технологии, фотограмметрия, информационная модель, 3Б-моделирование.
В последнее время интенсивно развиваются различные методы и практические приложения, позволяющие создавать цифровые модели различных объектов в разных отраслях науки и промышленности. Например, стали весьма востребованными трехмерные технологии цифрового моделирования в сферах архитектуры, строительства, картографии, медицины, кинематографа и т.д. [1]. В частности, применению и развитию цифрового моделирования в архитектурно-строительной отрасли (АСО) способствует появление новых методов и технических средств получения исходной информации, а именно фото- и видеоматериалов, получаемых в ходе фотосъемки объектов с растущим применением как традиционных средств (ручной съемки, аэрокосмической съемки), так и новых средств (например, беспилотных летательных аппаратов различного типа и конструкции).
Прогрессивное развитие информационных технологий в архитектурно-строительной отрасли приводит к возрастанию необходимости сопряжения возможностей традиционных методов получения исходной информации об объектах, основанных на технологии фотосъемки, с методами компьютерной обработки фотографической информации, позволяющих построить информационные модели объектов в виде пространственных 3D-моделей объектов архитектуры, строительства, их инфраструктуры, а также топологических отношений между ними.
Научное и технологическое направление, позволяющее решать подобные задачи, получило название цифровой фотограмметрии.
Под фотограмметрией понимают научно-техническую дисциплину, которая позволяет с помощью фотоизображений, технологий их обработки определять формы, размеры, пространственное положение и иные характеристики физических объектов, динамику их изменений, а также новую технологию дистанционного зондирования для определения требуемых свойств объектов или процессов, представления их в графическом виде и последующего анализа [2-5].
Внедрение компьютерных технологий в фотограмметрию позволяет создавать цифровые информационные 3D-модели, обладающие несомненными преимуществами перед традиционными графическими моделями зданий и сооружений, основанными на так называемых «бумажных» технологиях [6]. В частности, повышается оперативность, достоверность моделирования, снижаются затраты на создание и отработку проектной и эксплуатационной документации.
Для реализации BIM-технологии необходимы сбор и обработка большого объема данных на этапах проектирования, строительства самих объектов, а также их инфраструктуры. Современные тенденции требуют трехмерной визуализации, которая дает возможность создать единую информационную среду с доступом к данным всех участников проекта: заказчикам, архитекторам, дизайнерам, инженерам и другим специалистам строительной области, что позволяет визуализировать объект строительства, вносить необходимые коррективы в проект, контролировать качество и сроки выполненных работ.
Обзор состояния вопроса. ООН прогнозирует рост населения мира - к 2050 году численность достигнет 10 миллиардов, преимущественно это будут жители городов, что приведет к значительному возрастанию объемов строительных работ. Мировая архитектурно-
строительная отрасль (AEC) осознает ответственность за эффективную организацию социально-экономического пространства [7, 8]. При этом теоретические исследования в области обработки изображений, совершенствование технологий фотограмметрии создают предпосылки существенного ускорения проектирования зданий и сооружений, а также повышения качества процесса сопровождения их эксплуатации и модернизации вплоть до этапа сноса за счет применения цифровых методов при проведении мероприятий и работ по объектам в сфере архитектуры и строительства.
Основателем фотограмметрии считают французского инженера Эме Лосседа, который в 1852 году выполнил фотосъемку для создания плана местности и получил первые перспективные снимки Парижа [2].
Во многих странах (США, Бразилия, Чили, Дания, Финляндия, Норвегия, Великобритания, Германия, Италия, Испания, Франция, Япония, Китай, Южная Корея и др.) разработаны стандарты, применяющиеся при реализации проектов объектов инфраструктуры. Мировые тенденции, трансформирующие строительную отрасль, в области информационного моделирования зданий, управления рисками, ускорения цифровой трансформацией с помощью BIM, достижения в области безопасности отображаются в отчетах SmartMarket [7, 9].
Так, например, в 2018 году министр транспорта и цифровой инфраструктуры Германии Александр Добринт озвучил планы поэтапного внедрения нового стандарта Building Information Modelling для транспортно-инфраструктурных проектов [10].
Значительный практический опыт по разработке, внедрению и применению BIM-технологий имеют такие страны как США и Канада [11, 12].
Фотограмметрия в России прошла достаточно длительный путь - от съемки местности 18 мая 1886 года с воздушного шара поручиком А.М. Кованько, создания В.И. Срезневским первого отечественного фотоаппарата, предназначенного для воздушной фотосъёмки и являющегося прототипом аэрофотоаппарата, до технологий дистанционного зондирования Земли и изучения дальних планет Солнечной системы с космических кораблей.
В настоящее время в России активно внедряется цифровой формат строительства. Использование современных цифровых фотограмметрических технологий, внедрение BIM-технологий при сопровождении жизненного цикла объектов отечественной архитектурно-строительной отрасли способствуют повышению качества проектирования и эксплуатации зданий и сооружений, сокращают сроки и затраты на выполнения работ.
С 30 сентября 2020 года вступило в силу Постановление Правительства Российской Федерации от 15 сентября 2020 года № 1431 «Об утверждении Правил формирования и ведения информационной модели объекта капитального строительства, состава сведений, документов и материалов, включаемых в информационную модель объекта капитального строительства и представляемых в форме электронных документов, и требований к форматам указанных электронных документов, а также о внесении изменения в пункт 6 Положения о выполнении инженерных изысканий для подготовки проектной документации, строительства, реконструкции объектов капитального строительства», в соответствие с которым все объекты, финансируемые за счет средств бюджетной системы РФ, обязаны быть построены с использованием BIM-технологии [13, 14].
Цели применения интегрированной BIM-технологии фотограмметрии. Выделим основные цели и этапы применения интегрированной BIM-технологии фотограмметрии в архитектурно-строительной отрасли.
В [15] отмечается, что «одной из основных задач фотограмметрии в архитектуре является выполнение архитектурно-строительных обмеров с целью реконструкции и реставрации зданий, а также в научно-исследовательских целях». Однако сфера применения цифровой фотограмметрии гораздо шире. Фотограмметрия в архитектуре и строительстве выполняется для достижения различных целей: моделирования макетов зданий при их проектировании; контроле качества строительных работ на этапе строительства объекта; аудита и наблюдения за возникшими дефектами и повреждениями на этапе эксплуатации объекта; для точной оценки текущего технического состояния объекта (в случае необходимости реконструкции, капитального ремонта, принятия решения о продлении либо выводе из эксплуатации, сносе) и др.[16].
Фотограмметрическая обработка архивных фотографий, формирование цифровой 3D-модели может также применяться для воссоздания зданий, сооружений, памятников архитектуры и объектов культурного наследия.
Основные цели применения интегрированной BIM-технологии фотограмметрии в процессе жизненного цикла объектов архитектурно-строительной отрасли представлены на рис. 1.
Кроме того, результаты информационного моделирования могут быть использованы при обосновании инвестиций для оптимизации взаиморасположения уже имеющихся и планируемых объектов строительства, форм рельефа и других параметров, что дает возможность контроля показателей качества, в целом повышает эффективность строительства, обеспечивает достижение соответствия характеристик объекта требованиям заказчика при сокращении затрат [6].
Основные этапы применения интегрированной BIM-технологии фотограмметрии. Возрастание роли фотограмметрии в формировании SD-моделей, которые являются пространственной основой BIM -технологии (Building Information Modeling), позволяют получать и использовать различную по типу информацию в течение всего жизненного цикла объектов строительства, в том числе на этапах проектирования, строительства, эксплуатации, реконструкции, капитального ремонта, продления срока службы и сноса зданий или сооружений.
Выделяют три этапа фотограмметрии: подготовительный этап, этап фотосъемки и этап обработки.
На подготовительном этапе фотограмметрического обследования проходит ознакомление с исходно-разрешительной документацией объекта, инфраструктурой, определяется доступность территории для проведения съемки [17, 18], выбираются тип и характеристики съемочной фотоаппаратуры.
Основные цели применения
_ интегрированной BIM-технологии фотограмметрии
в архитектурно-строительной отрасли
- создание цифровых 3Б-моделей объектов- аналогов; объектов-макетов;
- определение топологических параметров проектов; проверка выполнимости требований технического задания.
- создание цифровых 3Б-моделей составных частей здания на различных этапах проектирования;
- проверка соответствия строительства проекту.
- уточнение цифровых 3D-моделей здания;
- проверка соответствия параметров проекту;
- диагностирование геометрических дефектов, просадок, перекосов и т.п.
- уточнение цифровых 3D-моделей здания;
- проверка соответствия параметров проекту;
- диагностирование геометрических дефектов, просадок, перекосов и т.п.;
- обоснование состава работ по продлению.
- создание цифровых 3D-моделей реконструируемых объектов;
- определение топологических параметров в ходе реконструкции и капитального ремонта;
- проверка выполнимости требований технического задания;
на реконструкцию и капитальный ремонт.
- создание цифровых 3D-моделей сносимых объектов для обоснования технических решений по сносу.
Основные цели применения интегрированной BIM-технологии фотограмметрии на различных этапах жизненного цикла объектов АСО
Исходной информацией для фотограмметрии являются фотоизображения, получаемые на этапе фотосъемки. Способы получения фотоизображений достаточно широки: от ручной съемки на смартфон или планшет, наземной съемки с использованием автомобиля, аэрофото-
140
съемки с помощью дрона, вертолета или самолета до фотографической информации, полученной с космических аппаратов. Для получения высококачественной 3D-модели объекта необходимо сделать достаточно большое количество снимков с перекрытием от 80 до 90% [19]. Для получения данных используются фотографические, оптико-электронные и цифровые съёмочные системы. Для исследования объектов строительства и архитектуры, как правило, используется наземная или аэрофотограмметрия. В качестве недостатков способа получения исходной информации следует отметить зависимость процесса получения снимков объекта от метеорологических условий; характеристик применяемой съемочной системы.
Заключительным этапом фотограмметрии является компьютерная фотограмметрическая обработка снимков. Цели обработки: получение достоверной информации о размерах, формах, пространственных координатах объекта и рельефа; реалистичная визуализация 3D-модели объекта; выполнение проверочных измерений в камеральных условиях и др.
Особенности цифровой обработки исходных данных в ходе фотограмметрии. Современные компьютерные программы фотограмметрической обработки работают по следующей технологии. Информация о каждой фотографии записывается в специальный файл: высота, угол поворота камеры, данные о долготе и широте. Программные продукты используют технологии машинного зрения и фотограмметрии для нахождения общих точек в массиве фотографий объекта. В результате каждому пикселю на фотографии находится цветовое соответствие на других фотографиях [20]. Каждое найденное соответствие становится ключевой точкой. Найденная ключевая точка на трех и более фотографиях отмечается программой в пространстве. Пространственные координаты каждой точки вычисляются методом триангуляции: от точек съемки к выбранной точке проводятся линии. Пересечение полученных линий дает искомые координаты [21].
С увеличением числа точек повышается точность определения координат этих точек. Следовательно, повышается точность создаваемой модели. «Пересечение от 60 до 80% является оптимальным» [20]. С целью минимизации суммы квадратов множества ошибок применяется алгоритм Левенберга-Марквардта (или метод связок), основанный на решении нелинейных уравнений методом наименьших квадратов.
В процессе обработки фотографий создается расширенное облако точек (совокупность всех 3D-точек), используемое для генерации поверхности, составленной из полигонов. В заключение производится текстурирование: определение соответствия пикселей на фотографиях и полигонах полученной модели. Для задания цвета 3D-модель развертывается в плоскость и пространственное положение точек ставится в соответствие оригинальной фотографии [20].
На основе 3D-модели создаются ортофотопланы - изображения ортогональных проекций (под углом 90о) или угловых проекций (45о и так далее), которые могут быть использованы для детального анализа на аналитическом этапе обследования [21, 22].
Возможность съемки цифровыми камерами влияет на технологию съемочных работ, а именно на критерии выбора параметров съемки, при этом при реализации BIM-технологии активно используются типовые стандартизованные аналитические алгоритмы построения и обработки снимков [23].
Заключение. Современных программных решений для реализации BIM-технологии в строительстве достаточно много. Рынок программных продуктов готов предоставить как платные, так и бесплатные варианты, позволяющие визуализировать 3D-модели, многие из них предоставляют удаленный доступ к данным или облачное хранение модели объекта [18, 24, 25].
Интеграция BIM-технологии и методов фотограмметрии позволяет повысить эффективность работы специалистов в области архитектуры и строительства, создать основу для рационального и стабильного развития инфраструктуры городов, удовлетворяющее современным потребностям.
Список литературы
1. Шестопалов Р.П., Заславский М.М. Сравнительный анализ алгоритмов сбора данных для трехмерной реконструкции // Научно-технический семинар кафедры МОЭВМ. 2022. С. 16-21.
2. Краснопевцев Б.В. Фотограмметрия. М.: УПП «Репрография» МИИГАиК, 2008.
160 с.
3. ГОСТ Р 51833-2001 «Фотограмметрия. Термины и определения»: утвержден Постановлением Госстандарта России от 10 декабря 2001 г. № 523-ст: введен в действие с 01 июля 2002 г. М.: Стандартинформ, 2020. [Электронный ресурс] URL: https://docs.cntd.ru/document/1200028874 (дата обращения: 12.11.2021)
4. Фотограмметрия. [Электронный ресурс] URL: https://geostart.ru/post/293 (дата обращения: 12.11.2021).
5. Лобанов А.Н. Фотограмметрия. М.: Недра, 1984, 5П2 с. [Электронный ресурс] URL: http://4du.ru/books/fotogrammetriya/fotogrammetriya_lobanov_a_n.html (дата обращения: 12.11.2021).
6. СП 333.1325800.2017. Свод правил «Информационное моделирование в строительстве. Правила формирования информационной модели объектов на различных стадиях жизненного цикла»: утвержден Приказом Министерства строительства и жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации от 18 сентября 2017 г. № 1227/пр.: введен в действие с 19 марта 2018 г. [Электронный ресурс] URL: https://docs.cntd.ru/document/556793897 (дата обращения: 12.11.2021).
7. Какие преимущества дает информационное моделирование зданий? [Электронный ресурс] Режим доступа: https://www.autodesk.ru/solutions/bim/benefits-of-bim?mktvar002=4186680 (дата обращения: 14.11.2021).
8. Как рост населения повлияет на профессионалов AEC. [Электронный ресурс] URL: https://www.autodesk.com/solutions/architecture-engineering-construction/building-future (дата обращения: 14.11.2021).
9. Отраслевые исследования и аналитика. [Электронный ресурс] URL: https://www.construction.com/toolkit/reports (дата обращения: 14.11.2021).
10. Phased introduction of Building Information Modelling (BIM) until 2020. [Электронный ресурс] URL: https://www.bimforumpanama.org/2018/06/15/phased-introduction-of-building-information-modelling-bim-until-2020 (дата обращения: 15.11.2021).
11. Что происходит с внедрением BIM в Северной Америке — статистический анализ McGraw-Hill Construction. [Электронный ресурс] URL: https://isicad.ru/ru/articles.php?article num=15844 (дата обращения: 16.11.2021).
12. Практические документы национального BIM-стандарта США NBMS-USV3. [Электронный ресурс] URL: https://www.xn--e1aggfyi9a.xn--p1ai/articles/interesnye-1/prakticheskie-dokumenty-nacionalnogo-bim-standarta-ssha-nbms-usv3 (дата обращения: 18.11.2021).
13. Проблема 01.01.02: BIM и русский софт. [Электронный ресурс] URL: https://stroimprosto-msk.ru/publications/belyj-bim (дата обращения: 21.11.2021).
14. Постановление Правительства Российской Федерации от 15 сентября 2020 года № 1431 «Об утверждении Правил формирования и ведения информационной модели объекта капитального строительства, состава сведений, документов и материалов, включаемых в информационную модель объекта капитального строительства и представляемых в форме электронных документов, и требований к форматам указанных электронных документов, а также о внесении изменения в пункт 6 Положения о выполнении инженерных изысканий для подготовки проектной документации, строительства, реконструкции объектов капитального строительства». [Электронный ресурс] URL: https://minstroyoren.orb.ru/activity/322/ (дата обращения: 10.05.2022).
15. Руководство по применению фотограмметрических методов. [Электронный ресурс] URL: https://photogrammetria.ru/117-rukovodstvo-po-primeneniyu-fotogrammetricheskih-metodov.html (дата обращения: 21.11.2021).
16. Архитектурная фотограмметрия. [Электронный ресурс] URL: https://photogrammetria.ru/318-arhitekturnaja-fotogrammetrija.html (дата обращения: 21.11.2021).
17. Фотограмметрия зданий и сооружений. [Электронный ресурс] URL: https://mosproektkompleks.ru/services/obsledovanie/fotogrammetriya-zdaniy-i-sooruzheniy (дата обращения: 21.11.2021).
18. Инструкция по фотограмметрическим работам при создании цифровых топографических карт и планов. М.: ЦНИИГАиК, 2002. 100 с.
19. Бесплатные программы для фотограмметрии. [Электронный ресурс]: https://yuneecrussia.ru/fotogrammetriya-luchshie-besplatnye-programmy (дата обращения: 21.11.2021).
20. Трехмерная фотограмметрия, или от фотографии к SD-модели. [Электронный ресурс] URL: https://sapr.ru/article/25136 (дата обращения: 14.11.2021).
21. Приложения для 3D-сканирования - 20 лучших. [Электронный ресурс] URL: https://ad-ma. ru/prilozhenij a-dlja-3d-skanirovanija (дата обращения: 21.11.2021).
22. 3D-сканирование - развитие технологии. [Электронный ресурс] URL: https://ad-ma.ru/3d-skanirovanie (дата обращения: 21.11.2021).
23. Анализ методов цифровой наземной стереофотосъемки для оценки технического состояния здания. [Электронный ресурс] URL: http://masters.donntu.org/2014/igg/kondratenko/diss/index.htm (дата обращения: 17.11.2021).
24. Лучшие программы для фотограмметрии. [Электронный ресурс] URL: https://yuneecrussia.ru/3d-mapping_update_software (дата обращения: 20.11.2021).
25. BIM технологии в строительстве: что это такое и зачем они нужны. [Электронный ресурс] URL: https://dmstr.ru/articles/bim (дата обращения: 20.11.2021).
Шестопалова Ольга Львовна, канд. техн. наук, доцент, vosxod.mai@bk.ru, Россия, Байконур, Филиал «Восход» Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет),
Шестопалов Роман Павлович, студент, ds@etu.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)
ON THE INTEGRATION OF BIM TECHNOLOGY OF BUILDING INFORMATION
MODELING WITHPHOTOGRAMMETRYMETHODS IN THE CONSTRUCTION OF DIGITAL MODELS OF OBJECTS IN THE ARCHITECTURAL AND CONSTRUCTION
INDUSTRY
O.L. Shestopalova, R.P. Shestopalov
The main directions of development and ways of practical implementation of BIM technology (BIM - Building Information Modeling) based on primary information obtained by photogrammetry methods - photographing objects by various technical means are considered. The classification of goals, stages and means of obtaining and processing photographic information for creating digital models of objects in the architectural and construction industry is presented.
Key words: BIM technologies, photogrammetry, information model, 3D-modeling.
Shestopalova Olga Lvovna, candidate of technical sciences. docent, vosxod.mai@bk.ru, Russia, Baikonur, Branch «Voskhod»Moscow Aviation Institute (National Research University),
Shestopalov Roman Pavlovich, student, ds@etu. ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg, State Electrotechnical University «LETI» named after. V.I. Ulyanova (Lenin)
