CC BY
32
ГЕОДЕЗИЯ И МАРКШЕЙДЕРИЯ
УДК [528.721.221.6:621.373.826]+69 DOI 10.33764/2411-1759-2022-27-3-5-18
Применение технологии наземного лазерного сканирования для создания обмерных чертежей фасадов зданий
М. А. Алтынцев1 *
1 Сибирский государственный университет геосистем и технологий, г. Новосибирск,
Российская Федерация * e-mail: mnbcv@mail.ru
Аннотация. Технология наземного лазерного сканирования позволяет решать большой круг измерительных задач, среди которых отдельно можно выделить создание обмерных чертежей фасадов зданий. Главным преимуществом лазерного сканирования перед другими методами геодезической съемки является высокая скорость сбора данных и их плотность, которая позволяет отобразить на чертеже даже небольшие детали фасада. Для того чтобы достоверно определить, детали какого размера можно идентифицировать по данным лазерного сканирования, а значит, какой максимальный масштаб чертежа в итоге можно построить, необходимо проводить исследования точности и детальности данных каждого планируемого для применения лазерного сканера. В статье проанализированы данные сканеров Leica ScanStation 2 и Geomax Zoom 300, в результате чего было определено, что расходимость лазерного луча сканера Zoom 300 превышает заявленное в технических характеристиках значение. Показано, что сканер ScanStation 2 позволяет создавать обмерные чертежи до масштаба 1 : 50 включительно, а Zoom 300 - до 1 : 200. Для достижения точности создания чертежа масштаба 1 : 200 с помощью сканера Zoom 300 предложен ряд рекомендаций по размещению сканерных позиций и обработке полученного массива точек лазерных отражений с целью удаления измерений, выполненных с низкой точностью.
Ключевые слова: наземное лазерное сканирование, обмерный чертеж, фасад здания, взаимное ориентирование, тахеометрическая съемка, оценка точности, расходимость лазерного луча
Введение
Для определения реальных геометрических пространственных характеристик зданий и сооружений выполняют специальную съемку их фасадов. Съемка фасадов осуществляется при реконструкции зданий для создания проектно-сметной документации на проектируемые изменения и дополнения в фасадах, при строительстве новых элементов конструкций у существующих строений, при контроле планово-высотного положения всех элементов фасадов, для выявления отклонений от применяемой проектной документации, а также с целью вне-
сения изменений в эту проектную документацию [1]. Кроме этого, фасадная съемка применяется для описания объектов культурного наследия, в частности архитектурных исторических памятников, в процессе их ремонта, облицовки, выявления дефектов и определения деформаций. Фасадная съемка предполагает извлечение всеобъемлющих данных об особенностях архитектуры и планировки изучаемого здания или сооружения [2].
Итоговым результатом съемки фасадов могут быть различные обмерные чертежи, точность которых определяется целью их построения, техническим состоянием объекта
съемки, его архитектурно-исторической ценностью и видом выполняемого обмера. Точность создания обмерных чертежей определяется выбранным значением их масштаба. Согласно [3], предельная погрешность построения обмерных чертежей выбирается следующим образом:
- до 1 : 20 - 1-2 мм;
- 1 : 50 - 2-5 мм;
- 1 : 100 - 10-20 мм;
- 1 : 200 - 30-50 мм;
- 1 : 500 - 200-300 мм.
В масштабах до 1 : 20 создают чертежи отдельных деталей сооружений. В масштабах 1 : 50, 1 : 100 и 1 : 200 выполняют чертежи фасадов, а в 1 : 500 - схемы. В зависимости от выбранного масштаба и требуемой детализации создают одни из трех видов чертежей: схематический, архитектурный или архитектурно-археологический [3]. На чертежах показывается текущее взаимное положение элементов фасадов зданий друг относительно друга и отметки высот.
Для выполнения обмеров могут быть использованы такие методы измерений, как традиционный с помощью мерных лент и электронных рулеток, геодезический с помощью тахеометров, фотограмметрический посредством выполнения серии фотоснимков и метод лазерного сканирования.
Реализация традиционного метода измерений требует применения трудозатратных методик. Он наиболее трудоемок, но не требует наличия дорогостоящего оборудования, позволяющего выполнить измерения бесконтактно. Геодезический, фотограмметрический и метод лазерного сканирования относятся к бесконтактным методам, которые характеризуются высокой производительностью и несут в себе большой объем данных. Геодезический метод, основанный на применении тахеометров, ускоряет процесс измерений по сравнению с традиционным, является одним из самых точных, но значительно уступает по скорости измерений фотограмметрическому и лазерному сканированию. Данные, полученные традиционным и геодезическим методами, также обладают такими недостатками, как малая информативность, значительное влияние человеческого фактора, необхо-
димость возведения строительных лесов, невозможность в осуществлении измерений отдельных труднодоступных элементов фасадов зданий. При большом объеме работ традиционный и геодезический методы становятся малоэффективными [4].
В результате фасадной съемки с помощью фотограмметрического метода или метода лазерного сканирования зачастую первоначально получается большое количество избыточной информации, в процессе камеральной обработки которой извлекаются необходимые данные для создания обмерных чертежей зданий и сооружений. Если сравнить фотограмметрический метод с лазерным сканированием, то с точки зрения как скорости, так и точности наиболее оптимальным будет выбор в пользу последнего. Фотограмметрический метод будет выигрывать в стоимости комплекта оборудования [3, 5]. Согласно выполненным в [6] исследованиям, точность фотограмметрического метода создания обмерных чертежей может быть приближена к точности метода лазерного сканирования только при использовании профессиональных цифровых фотокамер, когда ошибки измерений не превышают 1 см. Данные, полученные недорогими камерами, обладают большим количеством шумовых измерений, устранить которые можно лишь частично, используя специальные методы и алгоритмы обработки.
Метод лазерного сканирования значительно сокращает полевую часть обмерных полевых работ, заменяя их камеральными Возможности метода предполагают получение данных о фасадах зданий в виде сплошного массива точек лазерных отражений (ТЛО) не только в форме плоских чертежей фасадов, но и в виде твердотельных или каркасных моделей с точностью до первых значений миллиметров, позволяя рассчитать деформационные характеристики и выявить дефекты [7-9].
Технические характеристики лазерных сканирующих систем могут сильно варьироваться. Так как фасадная съемка в зависимости от решаемой задачи осуществляется с различной точностью, то для каждой модели сканирующей системы необходимо выполнять
соответствующие исследовательские работы, показывающие спектр возможных применений [10].
Фасадная съемка может быть осуществлена как с помощью лазерных сканеров в виде отдельного оборудования, так и с помощью сканирующих тахеометров. В [11] показано, что средняя квадратическая ошибка (СКО) вычисления пространственных координат точек фасада зданий с помощью наземного лазерного сканера FARO Focus 3D S120 составляет 4,8 мм при заявленной точности определения расстояний 2 мм в диапазоне измерений от 10 до 25 м. Это означает возможность построения обмерных чертежей масштаба 1 : 50 и мельче. В [12] аналогичные исследования были выполнены для сканирующего тахеометра Trimble SX10. В соответствии с техническими характеристиками, данный тахеометр обладает точностью определения пространственных координат 2,5 мм на расстоянии 100 м. Выполненные в [12] исследования показали равное 1-3 мм значение СКО измерения координат точек фасада в зависимости от текстуры сканируемой поверхности.
Чтобы по данным наземного лазерного сканирования (НЛС) выполнять построение обзорных чертежей с максимально возможной точностью и детальностью, необходимо с учетом заявленных технических характеристик выбранного для работ лазерного сканера предварительно проектировать местоположение сканерных позиций, выбирать подходящие параметры сканирования, такие как угол поля зрения и разрешение, а также с учетом внешних условий выполненной съемки выполнять камеральную обработку результатов сканирования по получению единого массива ТЛО, фильтрованного от ложных измерений, возникающих из-за различных шумовых составляющих данных лазерного сканирования и особенностей текстуры сканируемых фасадов зданий [13, 14].
Исследования методик съемки и предварительной обработки данных лазерного сканирования позволяют принять верное решение по выбору наиболее оптимальной модели лазерного сканера для выполнения фасадной съемки.
Наземное лазерное сканирование фасадов зданий
В соответствии с [15] для фасадной съемки подходят лазерные сканеры, по чьим данным можно построить модель с точностью не ниже 5 мм. Рекомендованы следующие модели лазерных сканеров или не уступающие им по точности: Leica ScanStation 2, Trimble GX, Riegl LMS-Z420i, Optech ILRIS 3D. Чтобы получить детализированную модель, сканирование должно быть осуществлено с таким значением разрешения, которое позволяет распознать различные небольшие детали фасадов зданий при съемке на определенном расстоянии от них.
Для исследования особенностей применения технологии лазерного сканирования в целях создания обмерных чертежей фасадов зданий были выбраны две модели лазерных сканеров: рекомендованный в [15] сканер Leica ScanStation 2 и более современная модель - Geomax Zoom 300.
Лазерный сканер Leica ScanStation 2 в соответствии с заявленными техническими характеристиками позволяет выполнять съемку объектов местности, расположенных на расстоянии 50 м от точки съемки, с точностью 4 мм [16]. С учетом низкого значения расходимости лазерного луча, равного 0,15 мрад, данные этого сканера позволяют строить обмерные чертежи масштаба 1 : 50. В 2020 г. этот сканер использовался для съемки территории студенческого городка СГУГиТ. Данные были получены для решения задачи определения ровности дорожного покрытия.
Технические характеристики лазерного сканера Geomax Zoom 300, связанные с точностью измерений, немного уступают сканеру ScanStation 2: точность измерения расстояний 6 мм на 50 м и расходимость лазерного луча 0,37 мрад [17]. Съемка этим сканером осуществлялась в сентябре 2021 г. специально для исследования точности осуществления фасадной съемки.
На рис. 1 показаны полученные результаты лазерного сканирования. Массив ТЛО сканера ScanStation 2 показан с отображением по сканерным позициям отдельными цветами, а сканера Zoom 300 - с дополни-
тельным отображением по высоте. Съемка с помощью ScanStation 2 выполнялась с линейным шагом 10 см по горизонтали и 3 см по вертикали для объектов, расположенных на расстоянии 50 м от станции сканирования. Массив ТЛО сканера Zoom 300 были получен при значении линейного шага 3,9 см как по горизонтали, так и по вертикали. Такие значения линейного шага сканирования выбирались исходя из возможностей его выбора и приемлемого времени съемки с одной позиции. Если для ScanStation 2 можно было выбирать любое значение шага, то для Zoom 300 только одно из четырех значений: 1,96, 3,9, 7,85 и 15,7 см. Для фасадной съемки значение шага 10 см является достаточно большим, чтобы распознавать мелкие детали зданий. Но его уменьшение приводит к значительному увеличению времени съемки. По-
этому для достоверной оценки результатов сканирования фасадов с помощью ScanStation 2 использовались в первую очередь данные сканерной позиции, расположенной на расстоянии до 10 м от здания. На рис. 1, а это позиция S6, расположенная вблизи общежития № 1, которое находится на юго-востоке от нее. Это общежитие было выбрано для исследования возможности применения лазерного сканера Zoom 300 в целях фасадной съемки. Сканерные позиции Zoom 300 задавались относительного здания первого общежития таким образом, чтобы впоследствии можно было выбрать наиболее оптимальные из них и сформировать рекомендации по их размещению. В среднем позиции S1-S4 были размещены на расстоянии 4 м от здания, S5-S8 - 23 м от него, а S9-S12 на расстоянии 45 м.
Рис. 1. Данные НЛС с видом сверху, полученные сканером:
а) ScanStation 2 с отображением сканерных позиций по цветам; б) Zoom 300 с отображением сканерных позиций по цветам; в) Zoom 300 с отображением по высоте; • - станции сканирова--1 - градация по высоте 98,3-101,9-105,5-109,2-112,8 м
ния;
Для взаимного ориентирования сканов, полученных с помощью ScanStation 2, применялись расположенные в зонах перекрытия марки. Подробно процесс и результаты взаимного ориентирования этих данных описан в [18]. Средняя квадратическая ошибка взаимного ориентирования сканов составила 2 мм в плане и 1 мм по высоте.
Взаимное ориентирование сканов, полученных с помощью Zoom 300, было выполнено автоматически с помощью программного обеспечения (ПО) X-PAD Office fusion [19] по результату анализа зон перекрытия. Этот процесс выполняется в два этапа. На первом этапе вычисляются приблизительные элементы взаимного ориентирования
сканов, а на втором - их уравнивание на основе вычисления расстояний между всеми точками соседних сканов и определения параметров трансформирования по итеративному методу ближайших точек ICP [19].
Для внешнего ориентирования массивов ТЛО обоих сканеров была выполнена съемка тахеометром Leica TM30, угловая точность которого составляет 1". На рис. 2 показана схема внешнего ориентирования данных НЛС. Тахеометр устанавливался на точку Т1, соответствующую показанной на рис. 1, б сканерной позиции S6, выполненной с помощью Zoom 300. Ориентирование данных Zoom 300 выполнялось по координатам точки установки прибора и по координатам марок,
установленных на штативах на точках М1 и М2. Эти марки идентифицировались в массиве ТЛО интерактивным способом.
Ориентирование данных 8сап81а1;юп 2 выполнялось по отображенным красным цветом на рис. 2 точкам, измеренным тахеометром с точек Т1 и Т2. Выбор точек для ориентирования был обусловлен их наиближайшим положением по отношению к станциям сканирования 8сап81а1;юп 2, где плотность массива ТЛО наибольшая. Определение координаты точки Т2 выполнялось тахеометром методом обратной линейно-угловой засечки посредством наведения зрительной трубы на отражатели, которые устанавливались на точки Т1, М1 и М2.
Рис. 2. Данные НЛС исследуемого участка с отображением по интенсивности: а) ScanStation 2; б) Zoom 300; - контрольные точки, измеренные тахеометром; - опорные точки, измеренные тахеометром, для внешнего ориентирования данных ScanStation 2; • Т1 -точка установки тахеометра; • М1, М2 - точки установки марок
Оценка качества данных НЛС для создания обмерных чертежей фасадов здания
На рис. 3 показано сечение массива ТЛО, полученного сканером 8сап81айоп 2 и выполненного по фасаду общежития № 1, которое показывает, что плотность данных является
наибольшей вблизи левого окна первого этажа, где и была выбрана для внешнего ориентирования одна из измеренных тахеометром опорная точка. Плотность массива ТЛО на таких участках позволила выполнить его внешнее ориентирование с СКО, равной 1 см. Для внешнего ориентирования данных ScanStation 2 в систему координат сканера Zoom 300 с бо-
лее высокой точностью необходимо было измерять координаты марок, использованных при взаимном ориентировании при их детальном сканировании с максимально возможной плотностью, в системе координат сканера Zoom 300. Но так как съемки с помощью двух
сканеров были выполнены независимо в различных системах координат, то было решено применить результаты измерений тахеометром, использованного во время сканирования с помощью Zoom 300, для внешнего ориентирования массива ТЛО ScanStation 2.
Рис. 3. Сечение массива ТЛО ScanStation 2 по фасаду общежития № 1
На рис. 4 показано сечение массива ТЛО, полученного сканером Zoom 300, этого же фасада здания. Массив ТЛО отображен как со всех сканерных позициях (рис. 4, а), так и только с позиций, расположенных на определенном расстоянии от здания (рис. 4, б-г).
в) г)
Рис. 4. Сечение массива ТЛО Zoom 300 по фасаду общежития № 1: а) все ТЛО; б) ТЛО с позиций S1-S4; в) ТЛО с позиций S5-S8; г) ТЛО с позиций S9-S12
За счет более высокой плотности точек этого сканера при одинаковом времени сбора данных теоретически выполнить создание обмерных чертежей возможно с большей детализацией, чем по данным ScanStation 2. Так как лазерный сканер Zoom 300 ограничен углом поля зрения 65° по вертикали, то два верхних этажа здания, имеющего высоту 16 м, оказывались не отсканированы с ближайшей расположенной на удалении 4 м позиции (рис. 4, б). С учетом того, что высота установки сканера обычно превышает 1 м, в целях полного покрытия этого здания мас-
сивом ТЛО по высоте минимальное расстояние станции сканирования от него должно быть 7 м, либо съемку необходимо выполнять при наклонном положении сканера, что приводит к необходимости горизонтирования массива ТЛО при камеральной обработке.
Для того чтобы определить оптимальное расположение сканерных позиций в целях создания обмерных чертежей фасадов зданий, рассмотрим несколько примеров сечений, перпендикулярных плоскости фасада. На рис. 5, а показан полученный со всех позиций и окрашенный по истинному цвету с фотогра-
фий массив точек сканера Zoom 300 левого окна первого этажа, по левому наружному откосу которого было выполнено сечение, приведенное на рис. 5, б. Из этого сечения видно, что ТЛО обоих сканеров по наружному откосу совпадают с точностью до 5 мм.
На рис. 6 показано сечение этого же наружного откоса окна глубиной 5 см при отображении ТЛО только с определенных позиций. При анализе сечения по массиву ТЛО ScanStation 2 видно, что при расположении сканерных позиций на расстоянии 45 м от окна, плотность массива является доста-
точно низкой (рис. 6, б), но каждая отдельная его точка описывает истинное положение наружного откоса с такой же миллиметровой точностью, как и все точки, полученные с ближайшей к окну позиции (рис. 6, а). Для массива ТЛО Zoom 300 наружная часть откоса, имеющая ширину 3,7 см и глубину 3 см, отображается только с ближайших к зданию позиций (рис. 6, в), что свидетельствует о невозможности создать обмерный чертеж как минимум точнее 3 см по ТЛО ска-нерных позиций, расположенных на расстоянии 23 м от здания и дальше.
Рис. 5. Массив ТЛО для левого окна первого этажа здания:
а) для сканера Zoom 300 с отображением по истинному цвету; б) сечение по левому откосу окна;
- ТЛО сканера Zoom 300, показанных на сечении откоса; - ТЛО сканера ScanStation 2, показанных на сечении откоса
L
0,03
а)
б)
в)
0,03
д)
Рис. 6. Сечения массива ТЛО по откосу левого окна первого этажа здания:
а) ТЛО ScanStation 2 с позиции S6, расположенной на расстоянии 6,5 м от окна; б) ТЛО ScanStation 2 с позиции S7, расположенной на расстоянии 45 м от окна; в) ТЛО Zoom 300 с позиций S1-S3, расположенных на расстоянии 4 м от здания;г) ТЛО Zoom 300 с позиций S5-S7, расположенных на расстоянии 23 м от здания; д) ТЛО Zoom 300 с позиций S9-S11, расположенных на расстоянии 45 м от здания
На рис. 7 показано сечение рассматриваемого окна по уровню стекла при отображении массива ТЛО различных позиций. Сечение массива ТЛО ScanStation 2, полученного с ближайшей к окну позиции, было точно векторизовано (рис. 7, а). Этот же векторизованный контур показан на рис 7, а-в, где отображены массивы точек Zoom 300, полученные с различных групп сканерных позиций. Из рисунков видно, что с увеличением расстояния от сканерных позиций до окна снижается достоверность векторизации контура вследствие сканирования зеркальной поверхности (отмечено синей окружностью на рис. 7, б), одновременного попадания лазерного луча сразу на два небольших угла сечения (отмечено красной окружностью на рис. 7, б). Зеле-
ной окружностью на рис. 7, б отмечен участок, где контур может быть векторизован правильно, так как площадь лазерного пятна здесь меньше, чем элемент наружного откоса. Наружный откос не может быть векторизован в случае, если площадь лазерного пятна значительно превышает размер этого откоса. Оранжевой окружностью отмечен участок массива Zoom 300, где не отображаются элементы сечения и невозможно его векторизовать с точностью выше 10 см из-за большого расстояния до точки сканирования. Аналогично было проанализирован массив точек позиции S2 окна четвертого этажа здания. Из-за возросшего расстояния форма наружного откоса окна этого этажа является более сглаженной, но остается еще идентифицируемой.
а) б) в) г)
Рис. 7. Сечения массива ТЛО по уровню стекла левого окна первого этажа здания:
а) ТЛО ScanStation 2 с позиции S6; б) ТЛО Zoom 300 с позиций S1-S3; в) ТЛО Zoom 300
с позиций S5-S7; г) ТЛО Zoom 300 с позиций S9-S11;-- контур векторизации по массиву
ТЛО ScanStation 2;0 - ошибочное положение точек при отражении от стекла; о - предположительно ложная векторизация на участке закругления углов; О - верная векторизация на участке закругления углов; О - участок ложной векторизации
Причинами ошибок данных Zoom 300 может быть характер текстуры сканируемой поверхности фасада здания, высокий угол расходимости лазерного луча, его острые углы падения на плоскость фасада, наличие отдельных небольших элементов на пути распространения лазерного луча. При высоком угле расходимости и при остром угле падения диаметр лазерного пучка на сканируемой плоскости может оказаться достаточно большим. Возникает эффект низкочастотной фильтрации рассеянного сигнала, что приводит к сглаживанию форм объектов на сканах. А если размер детали объекта оказывается значительно меньше диаметра пучка, то она
может совсем не отобразиться [20]. Диаметр пучка можно измерить только у некоторых моделей лазерных сканеров, которые позволяют фокусировать лазерный луч, находящийся в видимом диапазоне, на определенную точку, а также у сканирующих тахеометров. У большинства моделей лазерных сканеров луч падает на любую поверхность только краткосрочно и у многих из них находится в невидимом диапазоне. Это усложняет задачу измерения диаметра лазерного пучка.
Диаметр пучка, падающего под прямым углом на определенную поверхность, можно рассчитать на основе известного из технических характеристик значения расходимости.
На рис. 8 показана связь расходимости с диаметром пучка. Чем дальше от станции сканировании расположена плоскость падения лазерного пучка, тем точнее можно вычислить его диаметр.
Рис. 8. Связь расходимости лазерного луча с диаметром пятна
Значение расходимости связано с диаметром пучка, падающего перпендикулярно на плоскость, расположенной на заданном расстоянии от станции сканирования, следующим образом [21]:
^ = D = D2 -D
S AS
(1)
где S - расстояние от сканера до объекта съемки; AS - расстояние между сечениями лазерного пучка; D2 - D1 - диаметр первого
сечения лазерного пучка; D - диаметр второго сечения лазерного пучка; ^ - расходимость лазерного пучка в радианах.
Чтобы определить, детали какого размера могут быть отображены на сканах, рассчитаем значение диаметра пучка сканера Zoom 300 на плоскости, распложенной на расстоянии 23 м, как и левое окно первого этажа от сканерной позиции S7:
D = W-S = 0,00037-23 м « 0,008 м. (2)
Согласно выполненному расчету, на расстоянии 23 м от сканерной позиции должны быть изображены детали, превышающие линейный размер 8 мм. Но из рис. 5, 6, г и 7, в
видно, что внешний откос шириной 37 мм полностью не отобразился. Это свидетельствует о неверно заявленном значении расходимости для лазерного сканера Zoom 300. Зная дополнительно, что откос отображается с расстояния 7 м (рис. 6, в и 7, б), можно рассчитать диапазон значений, в который заключено истинное значение расходимости. В результате расчета угла ^ по формуле (1) на основе расстояний от сканерных позиций до здания S = 7 и S = 23 м, а также значения ширины откоса D = 37 мм можно сделать вывод, что истинное значение расходимости находится в диапазоне 1,6-5,3 мрад.
Для более точного вычисления значения расходимости можно выполнить анализ того, насколько в массиве точек сглажены углы строений и сооружений. В этом случае плотность данных должна быть как можно большей. Для вычисления истинного значения расходимости также можно выполнить ряд циклов сканирования небольшой детали сооружения при постепенном увеличении расстояния от нее, оценивать степень искажения формы детали на сканах, полученных с различных расстояний, и то, когда деталь полностью перестанет отображаться.
Рассмотрим влияние отдельных элементов сооружения, их границ угла падения лазерного луча на возникновение шума вдоль расположенной позади плоскости здания. На рис. 9 показан пример данных Zoom 300 и их сечение С1 глубиной 10 см, выполненное напротив позиции S2 и показывающее высокий уровень шума. Слой точек на сечении вертикальной плоскости достигает ширины 13 см, что значительно снижает точность создания обмерного чертежа. Если оценить вклад отдельной сканерной позиции в уровень шума, то видно, что для обозначенного желтым цветом массива точек, полученного с расстояния 4 м, шум отсутствует, а для обозначенных красным и зеленых точек, полученных соответственно с расстояний 30 м, достигает максимальных значений.
На рис. 10 отображен массив ТЛО фасада здания, где было выполнено сечение С1. Достигающий большой ширины слой точек в этом случае был получен вследствие скани-
рования плоскости фасада под острыми углами и попадания лазерного пятна одновременно на несколько плоскостей: углы элементов фасада слева и справа от входов в общежитие и плоскость фасада в месте расположения сечения С1. Острые углы падения лазерного луча на плоскость еще сильнее увеличивают площадь пучка.
Для уменьшения уровня шума на плоскости фасада здания необходимо дополни-
тельно фильтровать массив ТЛО. Так как количество получаемых под острыми углами точек значительно меньше, то их можно удалить в результате анализа плотности массива точек, полученного с определенной станции сканирования. Также можно искусственно ограничить дальность съемки лазерного сканера путем автоматического удаления ТЛО на этапе предварительной обработки результатов съемки.
щЩк
■ о-ЭДР
б)
Рис. 9. Массив ТЛО Zoom 300 с отображением сканерных позиций по цветам:
а) с видом сверху; б) сечение массива по линии С1; - местоположение сечения С1; - ТЛО с позиции S1; - ТЛО с позиции S2; - ТЛО с позиции S3
а) б)
Рис. 10. Массив ТЛО Zoom 300 фасада напротив главного входа в здание с отображением:
а) по цвету с фотографий; б) по цвету сканерных позиций; - местоположение сечения С1; - ТЛО с позиции S1; - ТЛО с позиции S2; - ТЛО с позиции S3
На основе выполненного анализа качества данных можно сформулировать ряд рекомендаций по применению лазерного сканера Zoom 300 для фасадной съемки:
- избегать сканирования элементов фасада здания под острыми углами. Для этого не следует выполнять установку лазерного сканера на таком близком расстоянии от
здания, как это было сделано на позициях S1-S4;
- избегать сканирования элементов фасада здания с большого расстояния, как с позиций S5-S8, так как в этом случае не отобразятся многие небольшие элементы фасада;
- искусственно ограничивать дальность действия лазерного сканера расстоянием, рав-
ным длине лазерного луча от сканернои позиции до верха фасада;
- не превышать расстояния в 20 м между сканерными позициями;
- выполнять фильтрацию полученных ТЛО по их плотности.
В результате анализа форм элементов фасада рассматриваемого здания был определен диапазон оптимальных расстоянии между сканерной позицией и зданием - от 7 до 10 м. С учетом рекомендуемого расстояния между сканерными позициями в 20 м можно получить массив ТЛО, позволяющий выполнять создание обмерного чертежа с максимально возможной для лазерного сканера Zoom 300 точностью и детальностью. В этом случае следует выбирать масштаб чертежа 1 : 200.
Заключение
Выполненный анализ точности и качества данных лазерных сканеров Geomax Zoom 300 и Leica ScanStation 2 показал, что для решения задачи создания обмерных чертежей фасадов зданий необходимо тщательно подходить к вопросу проектирования мест расположения сканерных позиций и обработке полу-
ченных результатов съемки. Не следует полностью опираться на заявленные технические характеристики лазерного сканера. Каждая модель лазерного сканера должна быть исследована на предмет решения конкретной задачи. Было определено, что если лазерный сканер Leica ScanStation 2 позволяет выполнять создание обмерных чертежей фасадов зданий масштаба 1 : 50, то Geomax Zoom 300 - только масштаба 1 : 200.
Сформированные рекомендации по применению лазерного сканера Zoom 300 позволяют добиться максимально возможной для него точности. Отсутствие возможности построения обмерного чертежа масштаба крупнее, чем 1 : 200 продемонстрировали выполненные исследования качества данных этого сканера. Прежде всего это связано с более высоким значением расходимости лазерного луча, чем указано в технических характеристиках. Был вычислен диапазон значений, в который заключено истинное значение расходимости. Дальнейшие исследования будут посвящены вычислению истинного значения расходимости, что позволит сформулировать более точные рекомендации по применению лазерного сканера Zoom 300 для решения различных задач.
Работа выполнена в рамках государственного задания Минобрнауки России (тема «Разработка теории и технологических решений контроля состояния защитных сооружений при перекачке нефтепродуктов методами активного дистанционного зондирования», № 0807-2020-0002).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Захожий К. А. Применение лазерного сканирования при проектировании и строительстве архитектурных фасадов сооружений // Инновационная наука. - 2018. - № 12. - С. 204-207.
2. Кугаевский В. И. Применение наземных лазерных сканеров при фасадных съемках // ГЕО-Сибирь-2013: сб. материалов VII Междунар. научн. конгресса «ГЕО-Сибирь-2013», 15-26 апр. 2013 г., Новосибирск. - Новосибирск: СГГА, 2013. Т. 3. - С. 82-85.
3. ГОСТ 56905-2016. Проведение обмерных и инженерно-геодезических работ на объектах культурного наследия. Общие требования. Национальный стандарт Российской Федерации. - Введ. 2016-03-29. - М. : Стандартинформ, 2016. - 24 с.
4. Фролов А. Использование 3D наземного лазерного сканирования для съемки фасадов и внутренних помещений здания [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.ngce.ru/ pg_publications31.html (дата обращения 24.02.2022).
5. Слащева С. Г. Совершенствование методики проведения строительно-технической экспертизы при проведении исследований фасадов // Московский экономический журнал. - 2019. - № 3. -С.490-501.
6. Faltynovâ M., Matouskovâ E., Sedina J., Pavelka K. Building facade documentation using laser scanning and photogrammetry and data implementation into BIM // International Archives of ISPRS. - 2016. -Vol. XLI-B3. - P. 215-220.
7. Алтынцев М. А., Карпик П. А. Методика создания цифровых трехмерных моделей объектов инфраструктуры нефтегазодобывающих комплексов с применением наземного лазерного сканирования // Вестник СГУГиТ. - 2020. - Т. 25, № 2. - С. 121-139.
8. Алтынцев М. А., Карпик П. А. Создание метрической имитационной модели «цифрового двойника» активным методом дистанционного зондирования Земли// Вестник СГУГиТ. - 2020. - Т. 25, № 4. - С. 58-67.
9. Scharf A. Terrestrial laser scanning for wooden facade-system inspection: master thesis. - Lulea: Lulea University of Technology, 2019. - 60 p.
10. Середович В. А., Алтынцев М. А., Попов Р. А. Особенности применения данных различных видов лазерного сканирования при мониторинге природных и промышленных объектов // Вычислительные технологии. - 2013. - Т. 18.1 - С. 141-144.
11. Karagianni A. Terrestrial laser scanning and satellite data in cultural heritage building documentation // International Archives of ISPRS. - 2021. - Vol. XLVI-M-1-2021. - P. 361-366.
12. Lachat E., Landes T., Grussenmeyer, P. First experiences with the Trimble SX10 scanning total station for building facade survey // International Archives of ISPRS. - 2017. - Vol. XLII-2/W3. - P. 405-412.
13. Алтынцев М. А., Каркокли Хамид Маджид Сабер. Методика автоматизированной фильтрации данных мобильного лазерного сканирования // Вестник СГУГиТ. - 2021. - Т. 26, № 3. - С. 5-19.
14. Алтынцев М. А., Каркокли Хамид Маджид Сабер. Методика автоматизированного уравнивания данных мобильного лазерного сканирования // Вестник СГУГиТ. - 2021. - Т. 26, № 4. - С. 5-23.
15. Методика высокоточной бесконтактной исполнительной съемки навесных фасадных систем с воздушными зазорами при возведении высотных зданий. МДС 11-20.2009 / 000 «Тектоплан». -М. : ОАО «ЦПП», 2010. - 41 с.
16. Leica ScanStation 2 User Manual [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://geomaticsjc.lboro.ac.uk/scanning/ScanStation%202_UserManual_en.pdf (дата обращения 01.02.2022).
17. SPS Zoom300. - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://geomax-positioning.com/ru-ru/products/laser-scanners/sps-zoom300 (дата обращения 01.02.2022).
18. Алтынцев М. А., Алтынцева М. А. Применение наземного лазерного сканирования для оценки качества укладки асфальтового покрытия // Интерэкспо ГЕО-Сибирь. XVII Междунар. науч. конгр. : «Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 8 т. Т. 1. (Новосибирск, 19-21 мая 2021 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2021. - С. 75-84.
19. X-PAD Office Fusion [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://geomax-positioning.com/ru-ru/products/software/x-pad-suite/x-pad-fusion (дата обращения 01.02.2022).
20. Комиссаров А. В., Алтынцев М. А. Метод активного дистанционного зондирования: лазерное сканирование : монография. - Новосибирск : СГУГиТ, 2020. - 254 с.
21. Климков Ю. М., Хорошев М. В. Лазерная техника : учеб. пособие. - М. : МИИГАиК, 2014. -143 с.
Об авторах
Максим Александрович Алтынцев - кандидат технических наук, доцент кафедры инженерной геодезии и маркшейдерского дела.
Получено 16.03.2022
© М. А. Алтынцев, 2022
Application of terrestrial laser scanning technology for creating record drawings of building facades
M. A. Altyntsev1 *
1 Siberian State University of Geosystems and Technologies, Novosibirsk, Russian Federation
* e-mail: mnbcv@mail.ru
Abstract. The technology of terrestrial laser scanning allows solving a large range of measurement tasks, among which the creation of record drawings for building facades can be distinguished separately. The main advantage of laser scanning over other surveying methods is the high speed of data acquisition and their density, which allows displaying even small parts of the facade in the drawing. To reliably determine the details
of which size can be identified from laser scanning data, and what maximum scale of the drawing can eventually be created, it is necessary to conduct studies of the accuracy and detail of the data of each laser scanner planned for use. The data of the Leica ScanStation 2 and Geomax Zoom 300 were analyzed. As a result of analysis, it was found that the divergence of Zoom 300 laser beam exceeds the value stated in the technical characteristics. It is shown that the scanner ScanStation 2 allows creating measuring drawings up to the scale of 1:50, and Zoom 300 - up to 1:200. To achieve the accuracy of creating a 1:200 scale drawing using the Zoom 300 scanner, a number of recommendations for placing scanner positions and processing the obtained point cloud to remove measurements made with lower accuracy are offered.
Keywords: terrestrial laser scanning, dimensional drawing, building facade, relative orientation, tacheometry, accuracy estimation, laser beam divergence
REFERENCE
1. Zahozhij, K. A. (2018). Application of laser scanning in design and construction of architectural building facades. Innovacionnaya nauka [Innovation Science], 12, 204-207 [in Russian].
2. Kugaevskii, V. I. (2013). Application terrestrial laser scanners shooting in elevation. In Sbornik materi-alov Interekspo GEO-Sibir'-2013: Mezhdunarodnoy nauchnoy konferentsii: T. 3. Geodeziya, geoinformatika, kartografiya, marksheyderiya [Proceedings of Interexpo GEO-Siberia-2013: International Scientific Conference: Vol. 3. Geodesy, Geoinformatics, Cartography, Mine Surveying] (pp. 82-85). Novosibirsk: SSGA Publ. [in Russian].
3. Standards Russian Federation. (2016). GOST 56905-2016. Performance of measurement, engineering-geodetic works on objects of the cultural heritage. General requirements. Moscow: Standartinform Publ., 24 p. [in Russian].
4. Frolov, А. (n. d.). Using 3D terrestrial laser scanning to survey building elevations and interior. Retrieved from https://www.ngce.ru/pg_publications31.html (accessed February 24, 2022).
5. Slascheva, S. G. (2019). Improving the methodology of construction and technical expertise in the study of facades. Moskovskij ekonomicheskij zhurnal [Moscow Journal], 3, 490-501 [in Russian].
6. Faltynova, M., Matouskova, E., Sedina, J., & Pavelka, K. (2016). Building facade documentation using laser scanning and photogrammetry and data implementation into BIM. International Archives of ISPRS, XLI-B3, 215-220.
7. Altyntsev, M. A., & Karpik, P. A. (2020). The technique for creating digital three-dimensional models of oil and gas manufacturing facility object infrastructure using terrestrial laser scanning. Vestnik SGUGiT [VestnikSSUGT], 25(2), 121-139 [in Russian].
8. Altyntsev, M. A., & Karpik, P. A. (2020). Creating metric simulated model of a "digital twin" by the active earth remote sensing method. Vestnik SGUGiT [Vestnik SSUGT], 25(4), 58-67 [in Russian].
9. Scharf, A. (2019). Terrestrial laser scanning for wooden facade-system inspection.Master thesis. Lulea: Lulea University of Technology Publ., 60 p.
10. Seredovich, V. A., Altyntsev, M. A., & Popov, R. A. (2013). Features of different laser scanning data type application in monitoring of natural and industrial objects. Vychislitel'nye tekhnologii [Computational Technologies], 18.1, 141-144 [in Russian].
11. Karagianni, A. (2021). Terrestrial laser scanning and satellite data in cultural heritage building documentation. International Archives of ISPRS, XLVI-M-1-2021, 361-366.
12. Lachat, E., Landes, T., & Grussenmeyer, P. (2017). First experiences with the Trimble SX10 scanning total station for building facade survey. International Archives of ISPRS, XLII-2/W3, 405-412.
13. Altyntsev, M. A., & Karkokli Hamid Majid Saber (2021). Technique of automatic mobile laser scanning data filtering. Vestnik SGUGiT [Vestnik SSUGT], 26(3), 5-19 [in Russian].
14. Altyntsev, M. A., & Karkokli Hamid Majid Saber (2021). Technique of automatic mobile laser scanning data adjustment. Vestnik SGUGiT [Vestnik SSUGT], 26(4), 5-23 [in Russian].
15. MDS 11-20.2009. (2010). Method of high-precision contactless actuation survey on eight-weight facade systems with air gaps at construction of high-rise buildings. Moscow: JSC "TSPP" Publ., 41 p. [in Russian].
16. Leica ScanStation 2 User Manual. (n. d.). Retrieved from http://geomaticsjc.lboro.ac.uk /scan-ning/ScanStation%202_UserManual_en.pdf (accessed February 01, 2022).
17. SPS Zoom300. (n. d.). Retrieved from https://geomax-positioning.com/ru-ru/products/ laser-scan-ners/sps-zoom300 (accessed February 01, 2022).
Вестник CTyTuT, Tom 27, № 3, 2022
18. Altyntsev, M. A., & Altyntseva, M. A. (2021). Application of terrestrial laser scanning for assessment of asphalt pavement laying quality. In Sbornik materialov Interekspo GEO-Sibir'-2021: Mezhdunarodnoy nauchnoy konferentsii: T. 1. Geodeziya, geoinformatika, kartografiya, marksheyderiya [Proceedings of Interexpo GEO-Siberia-2021: International Scientific Conference: Vol. 1. Geodesy, Geoinformatics, Cartography, Mine Surveying] (pp. 75-84). Novosibirsk: SSUGT Publ. [in Russian].
19. X-PAD Office Fusion. (n. d.). Retrieved from https://geomax-positioning.com/ru-ru/ products /soft-ware/x-pad-suite/x-pad-fusion (accessed February 01, 2022).
20. Komissarov, A. V., & Altyntsev, M. A. (2020). Metod aktivnogo distancionnogo zondirovaniya: laz-ernoe skanirovanie [Active remote sensing method: laser scanning]. Novosibirsk: SSUGT Publ., 254 p. [in Russian].
21. Klimkov, Yu. M., & Khoroshev, M. V. (2014). Lazernaya tekhnika [Laser technology]. Moscow: MIIGAIK Publ., 143 p. [in Russian].
Author details
Maxim A. Altyntsev - Ph. D, Associate Professor, Department of Engineering Geodesy and Mine Surveying. Received 16.03.2022
© M. A. Altyntsev, 2022
