CC BY
119
УДК 69.058
ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ПРОЕКТИРОВАНИЯ РЕКОНСТРУКЦИИ КРУПНОМАСШТАБНЫХ И ПРОТЯЖЕННЫХ ОБЪЕКТОВ НА ОСНОВЕ МЕТОДОВ ТРЕХМЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
Батищева О.М., Старчевой И.С.
Самарский Государственный технический университет
Представлен способ создания 3D моделей крупногабаритных объектов для проектирования их реконструкции методом лазерного сканирования. Рассмотрены физические основы метода, состав необходимого оборудования, основы его применения и порядок проведения работ.
Ключевые слова: дистанционные измерения, тахеометр, лазерное сканирование, HDS мишень, моделирование.
Известно, что качество любой продукции закладывается на всех этапах ее создания, каждый из которых регламентируются соответствующими нормативными документами и характеризуется определенными показателями качества. Более того, согласно всемирно известному правилу «1-10-100» [1], затраты по устранению несоответствий, выявленных на текущей стадии производства, обойдутся в 10 раз дешевле, нежели при обнаружении их на последующем этапе. При этом, чем позже будут выявлены несоответствия, тем большее количество ресурсов потребуется для их устранения. Следовательно, с точки зрения экономики качества, наиболее важными являются именно начальные этапы производства.
Вместе с тем в настоящее время нередко возникает проблема не просто создания нового крупномасштабного объекта, а его корректное «вписывание» в уже существующую структуру. Сложности, возникающие при этом, объясняются поиском свободного места для строительства в условиях, например, густой застройки и ограниченности пространства, или проблемами реконструкции отдельных производственных модулей в условиях действующего предприятия.
Уникальность объектов, их масштаб и протяженность требуют обоснованных проектов их возведения или реконструкции. В настоящее при разработке такого рода проектов нередко используются методы, технологии и средства, освоенные еще в начале прошлого столетия: классическое представление объектов на 2Э-чертежах, использование для измерения классических рулеток и морально устаревших теодолитов и т.п.
С развитием компьютерных технологий появилась возможность перейти на новую ступень проектирования - построение ЭБ-моделей, которые оказываются более наглядными и при этом при необходимости легко трансформируются в классические 2Б-чертежи. Это снижает вероятность ошибок и повышает объективность предлагаемых решений.
Бурное развитие в девяностых годах прошлого века технологий высокоточных измерений привело к появлению GPS-технологий, позволяющих буквально за считанные минуты получить точные координаты местоположения точек.
Появившиеся безотражательные тахометры упростили процесс измерения крупногабаритных или распределенных объектов. Однако эти измерительные технологии не позволяли с максимальной точностью описывать объект съемки и строить полноценную цифровую модель - координатные данные были точными, но слишком разреженными. На построение трехмерных цифровых моделей требовались значительные временные ресурсы, работы получались трудоемкими и дорогостоящими. С появлением новой технологии - лазерного сканирования - задача построения ЭБ-цифровых моделей крупномасштабных объектов значительно упростилась [2].
Суть технологии заключается в разбиении объекта на множество элементов (точек), определении их пространственных координат и объединение этих точек в единое геометрическое пространство в определенной координатной сети. Таким образом, формируется ЭБ-модель реального объекта.
Система наземного лазерного сканирования состоит из лазерного сканера и полевого персонального компьютера со специализированным программным обеспечением. В свою очередь, лазерный сканер содержит лазерный дальномер, адаптированный для работы с высокой частотой, и блок развертки лазерного луча.
В качестве блока развёртки в сканере выступают сервопривод и полигональное зеркало или призма. Сервопривод отклоняет луч на заданную величину в горизонтальной плоскости, при этом поворачивается вся верхняя часть сканера, которая называется головкой. Развёртка в вертикальной плоскости осуществляется за счёт вращения или качания зеркала.
В процессе сканирования фиксируется направление распространения лазерного луча и расстояние до точек объекта. Результатом работы лазерного сканера является растровое изображение - скан, значения пикселей которого представляют собой элементы вектора со следующими компонентами: измеренным расстоянием, интенсивностью отражённого сигнала и RGB-составляющей, характеризующей реальный цвет точки. Для большинства моделей лазерных сканеров характеристики реального цвета для каждой точки получается с помощью неметрической цифровой камеры.
Другой формой представления результатов наземного лазерного сканирования является массив точек лазерных отражений от объектов, находящихся в поле зрения сканера, с пятью характеристиками, а именно пространственными координатами (x, y, z), интенсивностью и реальным цветом.
В основу работы лазерных дальномеров, используемых в лазерных сканерах, положены импульсный и фазовый безотражательные методы измерения расстояний, а также метод прямой угловой развёртки (триангуляционный метод).
Измерения производятся с очень высокой скоростью - от сотен до тысяч измерений в секунду. Полученные значения координат точек из сканера передаются в компьютер по интерфейсному кабелю и накапливаются в специальной базе данных. Предварительное наведение сканера на исследуемые объекты происходит либо с помощью встроенной цифровой фотокамеры, либо по результатам предварительного разряженного сканирования. Изображение, получаемое цифровой камерой, передается на экран компьютера, что позволяет оператору визуально контролировать ориентирование прибора. Фотографии могут
быть сохранены в базе для использования в дальнейшей обработке данных сканирования.
Работа по сканированию часто происходит в несколько сеансов, что обусловлено, во-первых, ограниченным полем зрения, во-вторых, формой объектов, поскольку все поверхности просто не видны с одной точки наблюдения.
Изначально на территории объекта необходимо создать планово-высотную геодезическую сеть с проложением теодолитных ходов от исходных пунктов. Далее выбираются места, с которых будет выполняться съемка. Эти места выбираются так, чтобы снимаемый объект был виден во всех ракурсах. При этом каждое место, с которого будет произведена съемка, должна быть удалена настолько, чтобы отдельные «изображения» имели совмещения (общие детали или части деталей объекта). При этом нет необходимости делать значительные перекрытия. Достаточно, чтобы в зонах перекрытия оказалось несколько «твердых» точек. Они нужны для того, чтобы все полученные далее «изображения» были бы увязаны в единую систему координат. Эти «твердые» точки могут быть выбраны произвольно. Плотность определяемых точек устанавливается таким образом, чтобы при моделировании объекта не возникало затруднений с опознаванием и расположением отдельных геометрических элементов
Для уравнивания (объединения) перед сканированием в зонах перекрытия сканов размещаются специальные HDS-мишени, которые используются для совмещения отдельных сканов в единое геометрическое пространство с высокой степенью точности.
С каждой точки стояния сканера проводится детальное сканирование и распознавание мишеней с целью точного определения координат их центров.
Таким образом, сканирование реализуется с нескольких позиций, в результате чего получается несколько групп точек - так называемые «облака точек». Раскрашенное по интенсивности облако точек напоминает цифровую трехмерную фотографию. Большинство современных сканеров имеют встроенную видео- и фотокамеру, поэтому облако точек может быть раскрашено в реальные цвета.
Объединение всех «облаков точек» в единое геометрическое пространство возможно, если в каждом из «облаков точек» присутствует не менее чем три общих HDS мишени. Смысл процесса сведения облаков заключается в переводе координат точек каждого скана в одну единую систему координат (по умолчанию пространственная привязка происходит автоматически к локальной системе координат сканера). При этом ось z вертикальна, оси x и у свободно ориентированы в плоскости перпендикулярной оси z. Вертикальность оси z обеспечивалась установкой сканера по уровню, расположенному на приборе.
После объединения всех «облаков точек» в единое геометрическое пространство получается единое описание объекта съемки - его регистрация.
Технология лазерного сканирования в целом не требует дополнительных геодезических измерений, так как для объединения облаков точек, полученных с нескольких стоянок сканера, достаточно произвести распознавание не менее трех совместных HDS-мишеней. В качестве контрольных точек используются центры мишеней, координаты которых в процессе сканирования определяются с повышенной точностью (1,5^2) мм.
Большое значение в технологии трехмерного лазерного сканирования имеет программное обеспечение. Формирование баз данных по результатам измерений на различных объектах (от нескольких десятков тысяч до нескольких сот миллионов точек) и их обработка реализуется в соответствующих модулях.
Основной модуль отвечает за сканирование. С его помощью можно настроить сканер по различным параметрам, таким как атмосферное давление и температура, а также установить область сканирования и плотность (вертикальное и горизонтальное расстояния до соседних точек). В момент сканирования можно сразу видеть результаты текущей съемки.
Для уравнивания (объединения) отдельных облаков точек также существует отдельный модуль. С его помощью создается пространственная связь между отдельными облаками точек.
Специальный модуль по обработке точечных данных позволяет обрабатывать результаты, полученные от различных сканеров. Помимо базы данных, сформированной в результате сканирования, можно ввести данные в виде обычных ASCII файлов, файлов в формате DXF и файлов в специально разработанном формате передачи данных между программным обеспечением сканера и AutoCAD, MicroStation и некоторых других.
Трехмерное моделирование объекта производится в одном из модулей программного комплекса сканера. Программа позволяет вписывать стандартные геометрические фигуры во фрагмент облака точек, описывающий ту или иную деталь промышленного объекта. Большинство деталей можно вписывать в автоматическом режиме - в этом случае программа определяет параметры фигуры по облаку точек. Таким образом, формируется трехмерная твердотельная модель, состоящая из множества элементов. Модель представляется в формате *.dwg.
На рисунке приведен фрагмент 3D модели, полученной в результате лазерного сканирования одного из участков ООО «РН-Туапсинский НПЗ», и используемой в настоящее время для реконструкции завода.
Трехмерная модель участка эстакады в редакторе программного комплекса
Сканирование проводилось с 26 мест стоянок сканера. Общая протяженность теодолитных ходов составила 984 м. Места стоянок сканера выбирались таким образом, чтобы по возможности захватить в область сканирования все эстакады, цистерны, промышленные сооружения с исключением так называемых «мертвых зон» (невидимых зон поверхности всех вышеперечисленных элементов). Точность взаимного положения крупногабаритных конструкций и масштабных объектов на модели составила не менее чем ±25 мм.
Полученную 3D модель реального объекта можно использовать для планирования реконструкции участка, для измерения геометрических параметров его элементов и оценки их технического состояния.
Таким образом, использование технологии лазерного сканирования при разработке проектов реконструкций крупномасштабных объектов позволяет выполнять сложные измерительные процедуры дистанционно, что, прежде всего, повышает безопасность этих процессов. Кроме того, такой подход делает возможным получение высокой плотности измеряемых точек, что повышает достоверность отображения объектов разнообразной формы. Следствием этого является рост качества и снижение стоимости начальных этапов разработки проектов реконструкций.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК
1. Экономика качества. Основные принципы и их применение / Под ред. Дж. Кампанеллы / Пер. с англ. А. Раскина / Научн. ред. Ю.П. Адлер и С.Е. Щепетова. - М.: РИА «Стандарты и качество», 2005. - 232 с.
2. Бюхлер В., Винсент М. Бордас, Марбс А. Анализ точности лазерных сканирующих систем. Информационный бюллетень ГИС-ассоциации, №№ 1(43), 2(44), 2004 г. - 95 с.
QUALITY IMPROVEMENT OF LARGE-DIMENSIONED OBJECTS DESIGNING RECONSTRUCTION BY 3D MODELING METHODS
Batishcheva O.M., Starchevoy I.S.
Samara State Technical University
The way of developing 3D models of large-dimensioned objects for designing their reconstruction by laser scanning was represented. The basic physics of method, essential equipment, its application and sequence of work performing were considered.
Key words: telemetry, tachymeter, laser scanning, HDS target, modeling.
