Перспективные методы обработки результатов наземного лазерного сканирования

Вернуться к списку статей

Вестник. Зодчий. 21 век

к. т. н. Виноградов К. П.

Перспективные методы обработки результатов наземного лазерного сканирования

Наземное лазерное сканирование – уже подтвердивший свою эффективность способ сбора геопространственной информации о различных объектах и местности. С методикой его применения мы знакомим наших читателей на основе исследований и практики научно-производственного предприятия «Бента».

Научно-производственное предприятие «БЕНТА», основанное в 1991 году, является одной из крупнейших организаций северо-запада, выполняющих полный комплекс инженерно-изыскательских работ. К ним относятся геодезические, геологические, экологические и кадастровые работы, обработка материалов воздушного лазерного сканирования и аэрофотосъемки, цифровая картография, оценка недвижимости. Одним из протяжении последних семи лет являются архитектурные обмерные работы и моделирование зданий и сооружений с использованием метода наземного лазерного сканирования. За несколько лет работы в области наземного лазерного сканирования объектов архитектуры сотрудниками НПП «БЕНТА» накоплен значительный опыт производства различных работ. Кроме того, постоянно ведутся исследования по совершенствованию технологий лазерного сканирования и обработки его результатов. В данной статье представлен обзор технологических подходов в области обработки результатов наземного лазерного сканирования.

Наземное лазерное сканирование в настоящее время получило в нашей стране достаточное развитие как самостоятельный способ сбора геопространственной информации о различных объектах и местности. Оно применяется для решения различных прикладных задач, к которым можно отнести топографические съемки, разнообразные обмерные работы, трёхмерное моделирование, наблюдения за деформациями и т.д. Для решения каждой из этих задач необходимо использовать специализированное программное обеспечение, причем оно, как правило, представляет собой отдельную программу. Такой подход имеет ряд недостатков, к которым, прежде всего, относятся низкая производительность труда и проблема конвертирования данных. Следовательно, оптимальным вариантом решения проблемы является методика, при которой обработка результатов сканирования производится непосредственно в том приложении, в котором создается конечный документ.

Результатом многолетних разработок специалистов НПП «БЕНТА» стал комплекс программ xTools, работающих в среде Autodesk AutoCad. Он позволяет загружать облака точек различных форматов, в том числе двоичных, в рабочее пространство AutoCad. По загруженному облаку точек можно чертить, строить трехмерные сечения и выполнять измерения непосредственно в рабочей среде. Для оптимизации облака и улучшения его дешифровочных качеств реализованы алгоритмы контрастирования и фильтрации точек в интерактивном режиме. Все эти операции используются для самых разных вариантов моделирования: начиная от рисовки планов по данным воздушного лазерного сканирования и кончая созданием обмерных чертежей и трехмерных моделей памятников архитектуры. Для тех, кто сталкивался с составлением

обмерных чертежей не секрет, что основным рабочим материалом для этого служит растровая проекция объекта на плоскость – ортоизображение. В нашей программе ортоизображения объекта строятся по загруженному и отфильтрованному облаку точек прямо в пространстве чертежа AutoCad. Создание ортоизображения не сводится к простой проекции точек лазерных отражений на плоскость. Значительное внимание уделяется выбору разрешения, заполнению дырок, контрастированию и фильтрации точек скана. Кроме этого, в наших программах имеется возможность раскраски построенных ортоизображений в фотореалистичные цвета на основе исправленных от искажений цифровых снимков.

Однако даже качественное ортоизображение не позволяет максимально широко использовать все данные, полученные при лазерном сканировании. По растру нельзя судить о геометрии сложного элемента, поэтому при его оцифровке приходится делать множество сечений по облакам точек. Традиционно это делалось в специальной программе, что отнимало время и создавало неудобства. Поэтому в программе xTools реализована возможность работы по ортоизображению совместно с облаком точек. Для создания сечения достаточно провести отрезок на растре и вызвать макрос. Специалист может в любой момент загрузить в рабочую среду результаты сканирования, выполнить необходимые измерения, а также рассмотреть исследуемую область в трёхмерном виде.

В ряде случаев ортогональная проекция не обеспечивает решения реставрационных задач. Так, например, при документировании арочных сводов Морского Никольского собора в городе Кронштадт потребовалось проектировать точки на поверхность цилиндров. Для создания разверток ротонд, овальных залов, потолков, винтовых лестниц, куполов и др. криволинейных объектов в наших программах выполняется проектирование точек на поверхности второго порядка: цилиндр, сферу, эллипсоид. Параметры фигуры подбираются автоматически по контрольным точкам с использованием метода наименьших квадратов. Следует отметить, что в большинстве программ для обработки результатов наземного сканирования такие алгоритмы не реализованы.

Таким образом, использование программного обеспечения, позволяющего производить обработку облаков точек непосредственно в среде Autodesk AutoCad, имеет следующие преимущества:

  • совместная обработка ортоизображения и облака точек позволяет повысить производительность труда за счет уменьшения промежуточных операций;
  • использование собственной программы-надстройки проще и экономически выгоднее, чем использование самостоятельной программы для обработки облаков точек;
  • повышение полноты и точности создаваемых моделей достигается за счет возможности построения неограниченного количества сечений, производства любых трёхмерных измерений, загрузки нескольких сканов в один проект.

Следует признать, что и представленная методика не является идеальной. К её недостаткам можно отнести сложность загрузки точек в САПР, что не только является промежуточной операцией, но и занимает достаточно много ресурсов. Кроме того, при построении ортоизображения остаются так называемые «мертвые зоны», т.е. области, в которых цифровая модель не определена, вследствие чего необходимо строить для одного участка несколько ортоизображений.

Для решения этих проблем нами разработан инновационный метод обработки облака точек в среде AutoCad. Суть метода заключается в обработке панорамного изображения, каждому пикселю которого соответствует одно сканерное измерение. Это позволяет исключить «мертвые зоны», характерные для ортоизображений. Панорамное изображение наглядно, информативно, имеет хороший контраст. При его использовании нет необходимости хранить в памяти компьютера в чертеже миллионы точек, даже если это реализовано на высоком программном уровне (xTools). По панорамному растру также можно строить сечения, выполнять векторизацию, извлекать трехмерные участки сканав виде точек. Наконец, возможности среды AutoCad по работе с растрами на порядок выше – следовательно, в один чертеж можно загрузить больше сканов, не потеряв при этом трехмерную составляющую.

Данный метод в настоящее время частично реализован нами в программном комплексе «Панорама», который, в свою очередь, находится на стадии тестирования и в ближайшем будущем будет внедрен в производство. Это позволит еще более увеличить производительность труда при производстве архитектурных обмеров и повысить их качество, а также решить ряд частных проблем, связанных с обработкой результатов наземного лазерного сканирования.

Описанные методики применялись при выполнении обмерных работ на следующих объектах: Сергиевское подворье в Иерусалиме, ДК Ленсовета, внутренние помещения Морского Никольского собора в городе Кронштадт, Большой Кремлевский дворец в Москве, а также значительное количество других объектов.

Пример облака точек, загруженного в среду AutoCad с помощью программы xTools

В настоящее время подготовлена версия программы, полностью работающая в среде AutoCad. Она позволяет загружать в САПР облака, содержащие миллионы точек лазерных отражений. На основе последних выполняются измерения и может создаваться неограниченное число сечений объекта сканирования. Одной из наиболее важных функций программы является возможность строить геопривязанные растры (ортоизображения) прямо в пространстве чертежа.

В период с июня 2009 года по май 2010 года по заказу ООО «Интарсия» был выполнен комплекс работ по составлению обмерных чертежей внутренних помещений и созданию трехмерной модели Морского Никольского собора в городе Кронштадт методом наземного лазерного сканирования. Непосредственно сканирование собора выполнялось в течение двух месяцев, в дальнейшем выполнялась обработка полученных данных. На выходе был составлен комплект обмерных чертежей, который включал в себя поэтажные планы, развертки стен, деталей, продольные и поперечные разрезы. Все чертежи были составлены с высокой степенью детализации и высокой точностью.

В результате работ была создана трехмерная измерительная модель собора с точностью порядка 10 см, которая в дальнейшем была визуализирована средствами 3D MAX в соответствии с пятью предлагаемыми проектами реставрации. На основе полученных материалов в КГиОП был утвержден окончательный вариант реставрации.

Ориентированное ортоизображение и облако точек в среде AutoCad

В июле-сентябре 2010 года по заказу НИИ «Спецпроектреставрация» предприятием были выполнены работы по составлению архитектурных обмерных чертежей Сергиевского подворья в городе Иерусалим (Израиль). Здание постройки XIX века представляет собой прямоугольное сооружение с обширным внутренним двором сложной формы. Для сбора геопространственной информации так же использовался метод наземного лазерного сканирования. На основе полученных измерений были составлены 18 чертежей фасадов, а также разрезы и план первого этажа. Площадь фасадов составила около 5 тыс. м2, внешний периметр здания – 261 м, периметр двора – 225 м. Для съемки только фасадов подворья потребовалось сделать 90 сканов с 85 станций сканирования.

Предприятие имеет лицензию министерства культуры на деятельность по реставрации объектов культурного наследия. Среди выполненных объектов– а их за время деятельности компании насчитывается около шестидесяти – основную часть составляют памятники архитектуры, многие из которых находятся под охраной КГИОП.

Вернуться к списку статей