Аннотация. Основной проблемой, возникающей при обследовании многослойных ограждающих конструкций стен с кирпичным облицовочным слоем в каркасных зданиях, является выявление скрытых дефектов и повреждений. Причинами образования которых являются недоработки проектных решений и некачественное выполнение строительно-монтажных работ. Зачастую, аварийное техническое состояние такого вида конструкций фасада выявляется после обрушения отдельных элементов, что, в свою очередь, представляет опасность для людей находящихся вблизи здания. Ввиду возможности наличия в данных конструкциях скрытых дефектов, получение полноценной информации о состоянии видимого наружного кирпичного облицовочного слоя является важнейшей задачей для последующего качественного обоснованного решения по выбору участков для детального обследования, методики обследования, типу измерительных приборов, инструментов и, в конечном итоге, принятия объективного, экономически целесообразного решения по приведению конструкций фасада в работоспособное состояние. Рассматриваемые методы бесконтактных измерений выделяются высокой производительностью и несут чрезвычайно большой объем информации, являющийся в ряде случаев избыточным. В статье рассмотрены особенности методов, условия проведения полевых работ, программная обработка полученных данных и анализ геометрии поверхности фасада. Выполнены сравнения получаемых результатов разными методами при различных условиях съемки объекта. Рассмотрен вариант регистрации дефектов и повреждений по высокодетализированным масштабным фотоснимкам. Сделан вывод о точности полученного методом цифровой фотограмметрии облака точек и применения его в качестве экспресс метода предварительной оценки технического состояния облицовочного слоя фасада с последующей геодезической съемкой выявленных аномальных участков. Сделан вывод о применение рассматриваемых методов при приемке фасадных работ, обследовании и мониторинге технического состояния фасада здания.
Ключевые слова: фасад, лицевой кирпичный слой, бесконтактные методы измерения, наземное лазерное сканирование, цифровая фотограмметрия.
Методы бесконтактных измерений
Развитие современной вычислительной техники, цифровой фотографии, усовершенствование и совмещение приборных баз сбора данных, геодезических и фотограмметрических технологий привело к появлению высокопроизводительных приборов и цифровых аппаратно-программных комплексов для определения пространственных координат объекта. Бесконтактные методы измерений, основаны на том, что чувствительные элементы средства измерения не приводятся в контакт с объектом измерения. Один из методов бесконтактных измерений - это наземное лазерное сканирование. Наземное лазерное сканирование применяется для решения широкого круга задач, от создания обмерных чертежей и 3Д моделей до выполнения классической топографической съемки. Сущность метода заключается в измерении с высокой скоростью (от 50 000 до 1 000 000 измерений в секунду) расстояния от сканера до поверхности объекта и регистрацией соответствующих направлений вертикальных и горизонтальных углов. Метод основан на работе безотражательного электронного тахеометра. Второй рассматриваемый метод бесконтактных трехмерных измерений - метод цифровой фотограмметрии (инженерная фотограмметрия). Метод основан на фотограмметрическом подходе, позволяющем определять пространственные координаты объекта по его разноракурсным изображениям (фотографиям). Результатами измерений двух методов является создание плотного облака точек в трехмерной системе координат, которое описывает внешнюю поверхность исследуемого объекта.
Рис. 1 Принципиальная схема метода наземного лазерного сканирования
Рис. 2 Принципиальная схема метода цифровой фотограмметрии
Полевые работы и применяемое оборудование
Исследуемый в рамках данной работы фасад здания направлен внутрь двора. Прилегающая территория спланирована, фасад не перекрывают деревья и сооружения, что позволяет выполнять наземное лазерное сканирование с одной станции и также выполнять фотографирование объекта с меньшим количеством фотоснимков. Количество и расположение станций планируется исходя из требований обеспечения необходимой точности создания облака точек, производительности и экономичности работ. Местоположение сканерной станции и центров фотографирования во время съемки приведены на Рис. 3. Технические характеристики оборудования и полученные исходные данные приведены в таблице 1.
Рис. 3 Местоположение сканерной станции и центров фотографирования. А) Наземное лазерное сканирование.
Б) Фотосъемка с БПЛА Phantom 2. В) Фотосъемка фасада с лестничной клетки соседнего здания. Г) Фотосъемка с земли.
Таблица 1. Технические характеристики оборудования и полученные исходные данные
| Оборудование | Технические характеристики | Характеристика съемки (максимальное расстояние от цента прибора до объекта/ высота от ур. земли) |
Наземная съемка | Воздушная съемка | Характеристики облака точек после обработки |
| Лазерный сканер Leica ScanStation C10 |
Контактный, импульсный, высокоскоростной лазерный сканер Точность единичного измерения- местоположение – 6 мм на 50 м, расстояние – 4 мм на 50 м. Дальность – 300 м Скорость сканирования – до 50, 000 точек/сек Поле зрения – гор. 360 , вер. 270 Цифровая видеокамера – 4 Мп, размер 1920х1920 |
32,7 м / 1,8 м | Файл облако точек в формате .bin | ------ | Наземная съемка - 1,0 миллион точек (после разрежения плотного облака точек) |
| БПЛА квадракоптер DJI Phantom 2 vision + |
Тип БПЛА – квадракоптер 4 винта Максимальная скорость полета – 15м/с Дальность сигнала – 200-500 м Встроенные модуль GPS Тип камеры – цифровая камера на стабилизированном подвесе Камера - PHANTOM VISION FC200 Тип матрицы – Aptina 1/2.3” дюйма Число пикселей – 14 Мп Угол обзора – 110 град. мин |
5,0 – 8,0 м / 2,5 – 40,0 м | --------- | Цифровой фотоснимок – 136 шт Формат - JPG Размер – 4384х3288 Диафрагма f/2.8 Выдержка 1/2571 с. Скорость ISO – 100 Фокусное расстояние – 28 мм экв. 35 Представление света - sRGB Данные GPS |
Воздушная съемка – 10,4 миллионов точек |
| Фотоаппарат Canon EOS 5D Mark III Объектив Canon EF 16-35 mm II f/2.8L USM |
Тип камеры - зеркальная Тип матрицы – CMOS Размер матрицы – 36 х 24 мм (полный кадр) Число пикселей – 22.3 Мп Тип объектива – широкоугольный Zoom Фокусное расстояние – 16-35 мм Угол обзора - 63-108.10 град. мин Диафрагма – F 2.80 |
Фотографирование с лестничной клетки соседнего здания 31,5 м /1,8 – 36,0 м Фотографирование с земли 28,0 м/1,8 м |
Цифровой фотоснимок – 12 шт Формат - JPG Размер – 5760х3840 Диафрагма -f/2.8 Выдержка 1/320 с. Скорость ISO – 100 Фокусное расстояние – 35 мм Представление света - sRGB |
Цифровой фотоснимок – 13 шт Формат - JPG Размер – 5760х3840 Диафрагма - f/5 Выдержка 1/100 с. Скорость ISO – 100 Фокусное расстояние – 35 мм Представление света - sRGB |
Наземная съемка -15, 9 миллионов точек. Воздушная съемка – 10,4 миллионов точек. |
Порядок работы на сканерной станции состоял из следующих этапов:
- установка сканера на запланированной точке на штатив, с установкой по высоте для охвата исследуемого объекта
- горизонтирование прибора с помощью подъемных винтов
- сканирование местности и объектов вокруг точки стояния сканера на низком качестве
- выделение исследуемого фасада в полученном скане, сканирование фасада на высоком качестве
С появлением высококачественных и легких беззеркальных камер со сменной оптикой и миниатюрных датчиков для автопилота, стало возможным создание легких и сверхлегких беспилотных летательных аппаратов, выполняющих функции аэрофотосъемочных роботов. Воздушная фотосъемка фасада выполнялась при помощи БПЛА, непредназначенного для решения фотограмметрических задач - квадрокоптером Phantom 2 vision + производства фирмы DJI.
Порядок выполнения фотосъемки с БПЛА состоял из следующих этапов:
- Калибровка компаса квадрокоптера, поиск спутников для пространственной ориентации
- Установка автоматического фотографирования с интервалом в 3 сек
- Выполнение полета в ручном режиме по зигзагообразной траектории параллельно фасаду
Третий вариант съемки выполнялся цифровым зеркальным фотоаппаратом Canon EOS 5D Mark III. Фотосъемка выполнялась в ручном режиме с предварительной настройкой диафрагмы и выдержки. Фокусировка производилась в автоматическом режиме, режим экспозамера центро-взвешенный. Фотографирование выполнялось в двух вариантах: с земли и с лестничной площадки соседнего здания.
При выполнении фотосъемки оператор придерживался следующих параметров:
- выполнение съемки параллельно поверхности объекта
- обеспечение достаточного перекрытия между кадрами порядка 60-80%
- производить съемку в пасмурную погоду, либо избегать бликов от солнца, блестящих и нетекстурированных поверхностей.
Калибровка камеры проводилась в программе Agisoft Lens – бесплатное программное обеспечение для автоматической калибровки линзы камеры с использованием жидкокристаллического экрана в качестве калибровочной мишени. Программа автоматически определяет фокусное расстояние, координаты главной точки и коэффициенты радиальной деформации (дисторсии) камеры. В большинстве случаев калибровка камеры не требуется, ПО Agisoft PhotoScanPro автоматически рассчитывает параметры калибровки.
Программная обработка полученных данных
Полученные данные с наземного лазерного сканирования импортируются в программы непосредственно фирм изготовителя лазерных сканеров (Cyclone Leica Geosystems HDS, 3dreshaper и др. ), либо в программы для работы с облаками точек (Cloud Compare v. 2.6.1. и др). Программные модули обладают мощными средствами для обработки, анализа и визуализации пространственных данных, полученных в результате трехмерного сканирования. Импортированные массивы точек редактируются для улучшения производительности после импорта в CAD среды. При редактировании облака точек удаляются лишние точки, не нуждающиеся в последующем анализе, выполняется разрежение облака точек.
Исходными данными, полученными с БПЛА и с наземной фотосъемки, для фотограмметрической обработки материалов являются фотоснимки в формате JPEG, TIFF, PNG и др. Одной из программ позволяющих самостоятельно создавать плотное облако точек, реконструировать 3D-форму и текстуру объекта по разноракурсным фотоснимкам является ПО компании Agisoft (г. Санкт-Петербург). Это ПО PhotoScanPro, которое используются как в России, так и во многих странах мира. Особенностью данного ПО является то, что обработка снимков включает ряд последовательно выполняемых операций, часть которых реализуется современными методами машинного зрения и базируется на использовании аппарата проективной геометрии, однородных координат и фотометрической обработки изображений. Обработка материалов фотосъемки состоит из следующих основных этапов:
Выравнивание фотографий
- поиск общих точек на снимках
- определение элементов взаимного ориентирования снимков
- формирование первичной модели местности, состоящей из общих точек (разреженного облака точек)
Привязка модели в требуемой системе координат. Может выполняться по координатам центров фотографирования (КЦФ), по координатам точек наземной опорной сети или по тем и другим.
Построение плотного облака точек. На этом этапе выполняется повторный поиск общих точек, и определение их положения. Поскольку параметры взаимного ориентирования снимков уже известны с высокой точностью, это позволяет сузить область поиска общих точек и повысить достоверность определения их соответствия. Плотность результирующего облака точек при этом оказывается весьма высокой – в наиболее детальном режиме построения плотного облака анализируется буквально каждый пиксел исходных фотографий, и для всех пикселей определяется положение соответствующих им точек на местности.
В программе нет ограничений на величину фотографий и число одновременно обрабатываемых изображений. Соотношение «размер фотографий/число фотографий в блоке» определяется опытным путем в зависимости от мощности вычислительной системы. Все вычисления выполняются в автоматическом режиме, в соответствии с заданными параметрами и установками. В исключительных случаях допускается вмешательство оператора и выполнение некоторых действий в ручном режиме. Каждая точка в облаке точек имеет информацию о реальном цвете.
Анализ облака точек
Созданные облака точек можно импортировать в САПР и геодезические программы. В данной статье рассматривается анализ геометрии облака точек в программе Autocad 2016. Импортируем обработанные и сконвертированные файлы облаков точек в формате .rcs. Так как облака точек, полученные методом цифровой фотограмметрии, не были привязаны оператором при обработке в ПО Agisoft PhotoScan Pro к фактическим размерам, выполняем корректировку масштаба и пространственного положения полученных облаков в соответствии с облаком точек, созданным лазерным сканером, инструментами Autocad. После приведения облака к фактическому масштабу и положению выполняем анализ поверхности многоцветной плоскостью. Регулировка цветовых отметок происходит в меню цветовая легенда, в меню редактирования облако точек (см. Рис 4). Отметки выставляются таким образом, чтобы максимальная и минимальная отметки в плоскости фасада окрашивались крайними цветами палитры. Для измерений отклонений в полученных характерных участках, с помощью вкладки подрезка, вырезаем интересующий участок и поворачиваем перпендикулярно для выполнения измерений. В зависимости от ширины вырезаемого участка зависит кучность точек (см. Рис. 6). Разброс точек на участке А при вырезке полосы в 200 мм составляет до 10 мм. Размеры разности поверхностей на участках А и Б принимались по центрально расположенным точкам (среднее значение).
Рис. 4 Цветовая картограмма в Autocad 2016
Рис. 5 Цветовая картограмма облака точек произведенного наземным лазерным сканированием
Рис. 6 Кучность точек в сечении 1-1 ( 200 мм)
Результаты анализа облаков точек приведены на рис.7. Сечения 1-1 представлено с искаженным масштабом для наглядного вида. Разность значений на участках А и Б полученные разными методами варьируется от 1 до 4 мм ( см. Рис. 8 ).
Рис. 7 Результаты анализа облака точек. А) Наземное лазерное сканирование. Б) Фотосъемки с БПЛА Phantom 2. В) Фотосъемка фасада с лестничной клетки соседнего здания. Г) Фотосъемка с земли.
Рис. 8 Выявленные максимальные значения отклонений на участках А и Б, определенные разными методами
Дефекты и повреждения
При съемке объекта получаем данные по геометрии объекта (облако точек), а также визуальные данные о повреждении конструкций. При фотографировании фасада (рассматриваемыми приборами) получаем отдельные снимки в высоком разрешении, так как они были выполнены с близкого расстояния. Из отснятых фотоснимков, посредством фотограмметрических программных комплексов для обработки одиночных снимков, можно получить масштабный фотоснимок высокой детализации по всей поверхности фасада. Из произведенного снимка можно извлечь полную информацию не только о характере повреждения, но и по площади и объему. Выявленные повреждения на характерных участках представлены на Рис. 9.
Рис. 9 Фотоснимок фасада высокой детализации.
Выводы
- Рассмотренные методы измерений дают в кратчайшие сроки полную информацию о геометрии исследуемого объекта и характере повреждений.
- Точность облака точек, полученного методом цифровой фотограмметрии, в сравнении с наземным лазерным сканированием, дает основания применить метод как экспресс метод для предварительной оценки технического состояния облицовочного слоя фасада с последующими измерениями геодезическими приборами выявленных аномальных участков
- Полученные данные наземного лазерного сканирования и визуальные данные с фотоаппаратуры в последующем могут быть использованы при мониторинге технического состояния фасада здания.
Больше о возможностях применения PhotoScan можно узнать здесь.
Инженер 1-ой категории А.С. Горьев
Общество с ограниченной ответственностью
Научно-Производственное Предприятие «Строительство»
Литература
- Деркач В.Н., Орлович Р.Б. Вопросы качества и долговечности облицовки слоистых каменных стен // Инженерно-строительный журнал. 2011. №2. С. 42–47.
- Масляков В.Я. Применение 3D-технологий при оперативном планировании и проектировании горных работ. XII Всероссийское совещание по проблемам управления ВСПУ-2014, Москва2014 г.
- Иноземцев Д.П. Беспилотные летательные аппараты: теория и практика.Часть2.Модель обработки аэрофотоснимков в среде AGISOFT PHOTOSCAN // АТИП. 2013. № 3 (50). С. 51.
- Середович В. А., Комиссаров Д.В. Состояние, проблемы и перспективы применения технологии наземного лазерного сканирования. ГЕО-СИБИРЬ-2005: сб. материалов науч. конгр. Новосибирск, 2005 г. - Новосибирск: СГГА, 2005. - Т. 1. - С. С. 193-197. – 1
- Руководство пользователя Agisoft PhotoScan: Professional Edition, версия 1.2. Электронный ресурс: www.agisoft.com.