CC BY
4ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ =
И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ВЕСТНИК ТСГУ. 2023. № 3 (70)
ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ
иг
УДК 004.92:378.4
В. И. Голиков, А. В. Зинкевич
РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ОБМЕРОВ ПОМЕЩЕНИЙ ДЛЯ ЗАДАЧИ УТОЧНЕНИЯ ДАННЫХ BIM-МОДЕЛИ
Голиков В. И. - магистрант кафедры «Вычислительная техника», e-mail: [email protected] (ТСГУ); Зинкевич А. В. - канд. техн. наук, доцент кафедры «Вычислительная техника», e-mail: [email protected] (ТСГУ)
В статье рассмотрен процессов формирования BIM-модели здания ТСГУ на основе чертежей. Выполнен анализ проблем этапа проектирования и описана задача реверсивного инжиниринга, основанная на базе цифровой обработки облаков точек. Списан результат получения 2d-обмеров реального объекта с использованием лазерного сканирования. Предложена аппаратно-программная система для автоматизации процесса получения карты внутренних помещений, необходимая для уточнения данных построенной BIM-модели.
Ключевые слова: реверсивный инжиниринг, лазерный сканер, лидар, ROS, BIM-модель.
Введение
Подход к интеграции информации в единый цифровой комплекс носит устойчивое наименование BIM-технологии. Аббревиатура BIM расшифровывается как как ВшЫ^ Information Model и является фактически универсальным технологическим стандартом, широко применяемым при описании полного жизненного цикла объектов. Под BIM чаще всего подразумеваются созданные в специализированных программных продуктах 3d-конструкции, которые максимально достоверно описывают геометрию, материал строения и даже его цену. BIM-модель состоит из множества сложных и простых элементов, которые относятся к своему классу - окна, двери, стены и т. д. Сами классы определяют дальнейшее поведение объекта и его свойства в итоговой модели.
Весь процесс информационного моделирования здания сводится к двум этапам: проектирование и эксплуатация. К периоду проектирования относят
© Голиков В. И., Зинкевич А. В., 2023
Работа выполнена при финансовой поддержке ФГБОУ ВО ТОГУ в рамках НИР № 11.22-ТОГУ ««Цифровой двойник» здания Тихоокеанского государственного университета как основа механизма планирования и управления».
ВЕСТНИК ТОГУ. 2023. № 3 (70)
все, что связано с возведением или кардинальным изменением объекта, а к эксплуатации - все, что связано с контролем характеристик объекта. Для объектов, которые уже находятся в эксплуатации, но не имеют информационной модели, предварительно решается задача реверсивного инжиниринга.
В процессе реверсивного инжиниринга приходится учитывать не только имеющуюся проектную документацию (зачастую не полную, либо частично несоответствующую объекту, по причине реконструкций объекта в ходе жизненного цикла), но и физическую реальность - конкретное здание, включая актуальную архитектурно-планировочную информацию, прокладку различных видов технологических коммуникаций, размещение оборудования, объектов и т.д. Таким образом, приходится иметь дело с весьма объёмной, зачастую противоречивой и часто неполной информацией для построения актуальной цифровой информационной модели.
Современным инструментом для решения задачи реверсивного проектирования зданий и сооружений может считаться технология построения и обработки плотного облака точек. В общем виде это набор информации, объединяющий чисто геометрические характеристики (координаты каждой точки из облака) и физические характеристики для каждой точки. Авторы ранее уже апробировали фотограмметрический подход, получив плотное облако точек и 3 d-модель помещения [1]. Однако для построения полной модели здания этот метод займет слишком много времени и ресурсов, при этом точность плотного облака точек, а значит и итоговой модели, останется невысокой. Наиболее быстрым и точным представляется технология лазерного сканирования. Соответствующие приборы носят название лидар (от англ. LiDAR - Light Detection and Ranging, обнаружение и определение дальности с помощью света). Для ряда специальных задач (обнаружение скрытых элементов строительных конструкций и инженерных систем) применяются методы и оборудование магнитного сканирования, ультразвукового сканирования скрытых и труднодоступных полостей и ряд других методов.
Общая задача реверсивного проектирования сводится к формированию более сложных и содержательных моделей на основании анализа данных о таких облаках точек (выделение разных типов поверхностей, распознавание архитектурных элементов, конструкций технологических коммуникаций и промышленного оборудования) [2]. Такая задача носит достаточно комплексный характер, и на данном этапе авторы рассматривают только создание первичного набора данных - получение точек обмера по данным лидара и уточнение архитектурно-планировочной информации здания ТОГУ. Также будем рассматривать задачу обмера помещений изнутри, поскольку внешние обмеры лучше автоматизированы к настоящему времени, путем использования БПЛА.
Можно отметить, что на сегодняшний день на рынке представлены профессиональные измерительные системы на базе технологии лидарного сканирования, в которых большинство возникающих в процессе измерений проблем решены, как минимум, частично. Однако такие системы имеют слишком высокую стоимость, что ограничивает возможность их использования.
РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ОБМЕРОВ ПОМЕЩЕ- -
НИЙ ДЛЯ ЗАДАЧИ УТОЧНЕНИЯ ДАННЫХ BIM- ВЕСТНИК! ТОГУ. Ж! № 3 (ТЩ
МОДЕЛИ
Для поставленной задачи авторы использовали имеющийся 2d лидар Hokuyo URG-04LX-UG01, а также открытое программное обеспечение Robot Operating System (ROS).
Построение начальной BIM-модели
На начальном этапе построения цифровой модели ТОГУ был проведен анализ существующей проектной документации. Поскольку все исходные чертежи были доступны в формате Autodesk AutoCAD, то последующая реализация BIM-модели, для удобства, была выполнена в САПР Autodesk Revit. Особенностью представленных чертежей можно считать их неполноту. Так, например, в них отсутствует информация о высотных отметках лестничных маршей, прокладке различных технологических коммуникаций, наличия подвесных потолков и ряд других. Однако для выполнения начальной задачи -построения 3d-модели, этого было достаточно. В последствии полученная модель может дополняться и уточняться. На рис. 1-3 приведен пример исходных чертежей, результаты полученной BIM-модели для внутренней части помещений и общий вид здания ТОГУ.
1 1 g * Egi-g \9 "7 г pj
1 г т см 153ц 153цА ЕЭ
В 1 X zr 0
155ц ï ^
1 Г I Í со - ... !.. ■,..■.■. >—Ч ^ С-, 157ц 155цА 155цБ : ST"! gBifl s 155цЕ 5
Рис. 1. Пример исходных чертежей
Рис. 2. Внутренняя часть здания, построенная по исходным чертежам
ВЕСТНИК ТОГУ. 2023. №2 3 (70)
Рис. 3. Внешний вид здания, полученный по исходным чертежам
Основные характеристики лидара
В построении плотного облака точек основным компонентом является ли-дар. Принцип его работы похож на работу радара или сонара, но в отличии от радио и звуковых волн, он использует свет как средство измерения. В то же время использование источника света в процессе измерения имеет ряд ограничений. Наиболее существенное из них порождено базовым физическим принципом - измерения производятся за счёт отражения световых лучей от поверхностей. Таким образом, в случае высокой заполненности помещений фиксируемыми объектами, формируется большое количество теневых зон. Более близкие к измерительной системе предметы затеняют удалённые, а при сканировании объёмного элемента облако точек формируется лишь в зоне прямой видимости, и соответствует «лицевой» части объекта. В результате необходимо сканирование помещения с большого количества разных точек, в общем случае с изменением всех трех координат измерительной системы - перемещение лидара как по плоскости пола помещения, так и по высоте. После этого необходимо обеспечить высокоточную сшивку фрагментов сканирования - локальных облаков точек, получаемых при измерении с фиксированными положением и ориентаций измерительной системы.
На сегодняшний день существует два типа лидарных устройств: 2d- и 3d-лидары. Cущественная разница 3d-лидара от аналогичного двумерного устройства заключается в том, что такой лидар может получить три координаты x, у, z, в то время как 2d-лидар способен собрать информацию лишь по двум. Другими словами, отличие между устройствами заключается в количестве излучаемых световых лучей, у 3d-лидара их может быть множество, в то время как у 2d- лидара всего один луч.
Используемый в работе прибор Нокиуо URG-04LX представляет собой 2d лазерный дальномер, относящийся к категории датчиков непрерывного действия с амплитудной модуляцией [3]. Лазер излучает инфракрасный луч на
РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ОБМЕРОВ ПОМЕЩЕ- -
НИЙ ДЛЯ ЗАДАЧИ УТОЧНЕНИЯ ДАННЫХ BIM- ВЕСШИС ТСГУ. 2023. № 3 (70)
МОДЕЛИ
вращающееся зеркало, которое меняет направление луча. Отраженный от препятствия свет возвращается на фотоприемное устройство, где с учетом времени прохождения луча вычисляется расстояние. Основные характеристики датчика представлены в табл. 1.
Таблица 1
Характеристики лида ра Hokuyo URG-04LX
Характеристика Параметр
Измеряемое расстояние от 20 до 5000 мм
Разрешение 1 мм
Угол сканирования 240 градусов
Угловое разрешение 0,36 градуса
Точность измерения ± 30 мм
Время сканирования 100 мс/оборот
Габариты 50x50x70 мм
Напряжение питания 5 В
Получение и обработка данных с лидара
Для первоначальной проверки характеристик датчика был проведен эксперимент. При фиксированном положении лидара производилась запись показаний при измерении угла между стенами. Анализ результатов позволяет количественно оценить дисперсию данных при работе с текущей поверхностью. Можно отметить, что в процессе измерения горизонтальный угол лидара изменяется от минус 120° до +120° с шагом 0,3306°, когда настроено получение максимальных 726 значений точек за одно сканирование. Всего проводилось 100 измерений, что достаточно для проверки. На рис. 4-5 представлены обработанные результаты: среднее значение и стандартное отклонение, полученное для каждой точки.
Рис. 4. Среднее из 100 измерений радиального расстояния
Рис. 5. Стандартное отклонение из 100 измерений радиального расстояния
Из рис.5 видно, что вблизи углов стен имеется большее отклонение по отношению к лучам, попадающим на плоские поверхности. В общем случае, стандартное отклонение, полученное при 100 стационарных измерениях, составило около 5 мм.
ВЕСТНИК ТОГУ. 2023. № 3 (70)
По полученным данным можно рассчитать значение измеряемого угла в декартовой системе координат. Преобразование необработанных данных, полученных с датчика, в координаты XY можно рассчитать по формулам:
X = (г + Гош ) • = г • 8т(£) + Тош • 8т(£) , (1)
Ъ = (г + Гош) • сов(^) = г • 008(0) + Гош • сов(^), (2)
где X,, У, - декартовы координаты точки; О - горизонтальный угол; г - радиальное расстояние, полученное от датчика; Гош - ошибка измерения расстояния в результате дисперсии.
Из уравнений (1) и (2) можно отметить, что при больших значениях угла О ошибка будет сильнее влиять на X,, т.е. ошибка измерения будет меняться при разных ракурсах съемки. Результат 2d сканирования приведен на рис. 6.
Рис. 6. Результат обработки лидарных данных
Автоматизация получения данных 2^сканирования
Как упоминалось ранее, для построения полных обмерных планов необходимо проводить сканирование с различных точек внутри помещения, чтобы избежать эффекта затенения значительной части контролируемого пространства. Такой процесс неизбежно приводит к генерации большого количества точек, достоверно позиционируемых лишь относительно мгновенного положения измерительного прибора. Для формирования общего облака точек необходимо выполнить совмещение данных, полученных в результате локальных измерений, в одну общую структуру. При этом следует учитывать, что для получения достоверной модели необходима достаточно высокая плотность покрытия всех поверхностей. Дополнительной сложностью в такой задаче является
РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ОБМЕРОВ ПОМЕЩЕ- -
НИЙ ДЛЯ ЗАДАЧИ УТОЧНЕНИЯ ДАННЫХ BIM- ВЕСТНИК! ТОГУ. Ж! № 3 (ТЩ
МОДЕЛИ
определение ориентации системы внутри помещений относительно создаваемой локальной системы координат.
Для автоматизации процесса работы с лидарными данными авторами использовалось программное обеспечение ROS Noetic, установленное на операционную систему Ubuntu 18.04. Выбор был сделан в связи с тем, что это платформа широко применяется для различных перемещающихся в одной плоскости устройств [4]. В качестве примера можно привести роботы-пылесосы, как раз предназначенные для автономного перемещения по объекту с непрерывным контролем положения устройства.
Для получения и отображения данных, получаемых в реальном времени с лидара, в среде ROS был использован пакет laser_scan_matcher и пакет Gmap-ping. Первый пакет выполняет регистрацию данных лазера, основываясь на методе Canonical Scan Matcher (CSM). Метод CSM часто используется в задачах позиционирования и картографирования с помощью лидаров или других дальномерных датчиков. Второй пакет используется для построения 2d-карты на основе данных лазерного датчика [5]. В результате получается система, позволяющая построить двумерную карту и определить свое местоположение на ней в замкнутом пространстве.
Результат визуализации, полученный при построении карты помещения, приведен на рис. 7.
Рис. 7. Построение карты помещения с помощью лидара в ROS
Полученная карта может быть использована в качестве дополнительных данных при уточнении начальных чертежей, что позволяет сделать цифровую модель более точной.
Заключение
Развитие моделирования строительных объектов стало все чаще требовать высокой скорости создания BIM - моделей. Лидарное сканирование, как один из самых
ВЕСТНИК ТОГУ. 2023. № 3 (70)
точных способов определения пространственных характеристик объекта, является фаворитом в решении данной проблемы.
По результатам экспериментальной части была подтверждена принципиальная работоспособность предложенной схемы аппаратно-программного комплекса, предназначенного для получения точек обмера по данным лидара.
На следующем этапе авторы планируют получить данные плотных облаков точек в З^пространстве. Для этого уже сделаны шаги, связанные с созданием механической платформы контролируемого поворота для двухмерного лидара.
Библиографические ссылки
1. Особенности построения З^моделей из изображений для реализации цифрового двойника помещений / В.И. Голиков, А.В. Зинкевич, М.К. Резниченко, А.С. Рженева // Вестник ТОГУ. Хабаровск, 2022. № 4. С. 57-66.
2. Sharafutdinova A.A., Bryn M.Ya. Experience in the use of ground-based laser scanning and information modeling for engineering data management during the life cycle of an industrial facility // Bulletin of SGUGiT (Siberian State University of Geosystems and Technologies). 2021. № 1. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/opyt-primeneniya-nazemnogo-lazernogo-skanirovaniya-i- 62 informatsionnogo-modelirovaniya-dlya-upravleniya-inzhe-nernymi-dannymi-v (дата обращения: 11.04.2023).
3. Datasheet HOKUYO URG. URL: https://www.hokuyo-aut.jp/dVSpecifications_URG-04LX_1513063395.pdf (дата обращения: 03.04.2023).
4. Введение в Robot Operating System // Братья Вольт : [сайт]. URL: http://docs.volt-bro.ru/starting-ros/ (дата обращения: 13.05.2023).
5. Autonomous 2D SLAM and 3D mapping of an environment using a single 2D LIDAR and ROS / Ocand, M.G., Certad N., Alvarado S., Terrones A. // 2017 Latin American Robotics Symposium (LARS) and 2017 Brazilian Symposium on Robotics (SBR). IEEE, November 2017. P. 1-6.
Title: Development of a Room Measurement System for Refining BIM Model Data Authors' affiliation:
Golikov V. I. - Pacific National University, Khabarovsk, Russian Federation Zinkevich A. V. - Pacific National University, Khabarovsk, Russian Federation
Abstract: In the article, the authors discuss the process of creating a BIM model of the PNU building based on drawings. An analysis of the problems encountered during the design stage is performed, and the task of reverse engineering is described, which is based on digital processing of point clouds. The results of obtaining 2D measurements of a real object using laser scanning are described. A hardware and software system is proposed to automate the process of obtaining an internal map of the premises, which is necessary for refining the data of the built BIM model.
Keywords: reverse engineering, laser scanner, lidar, ROS, BIM model.
