CC BY
99
УДК 528.9
3D-МОДЕЛИРОВАНИЕ И ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ДЕФОРМАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ НА ПРИМЕРЕ КУПОЛА НОВОСИБИРСКОГО ПЛАНЕТАРИЯ
Татьяна Юрьевна Бугакова
Сибирская государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, заведующая кафедрой прикладной информатики и информационных систем, тел. (383)343-18-53, e-mail: [email protected]
Мария Михайловна Шляхова
Сибирская государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры прикладной информатики и информационных систем, тел. (383)343-18-53, e-mail: [email protected]
Пространственное состояние техногенных объектов не остается постоянным. Их состояние изменяется в зависимости от влияния внешних факторов или внутренних процессов. Изменение пространственного состояния проявляется в движениях и деформациях объекта, что влечет за собой, порой, необратимые последствия - от разрушения конструкций до человеческих жертв. В связи с этим, одной из важнейших задач геодезического мониторинга является определение изменения пространственного состояния техногенных объектов. В статье приведен пример определения деформации техногенного объекта по результатам лазерного сканирования
Модели, полученные по данным лазерного сканирования, являются статическими. Имея статическую 3D модель пространственного состояния объекта соответствующую фиксированному моменту времени t, определение деформации поверхности возможно путем ее совмещения с проектной поверхностью. Отклонение реальной модели от проектной на величину большую допустимой свидетельствует о деформации этой поверхности.
Ключевые слова: 3D моделирование, наземное лазерное сканирование, пространственное состояние, техногенные объекты, деформация поверхности, визуализация деформации.
3D MODELING AND VISUALIZATION OF SURFACE DEFORMATION BY THE EXAMPLE OF NOVOSIBIRSK PLANETARIUM DOME
Tatyana Yu. Bugakova
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., Assoc. Prof., head of the Department of Applied Informatics and Information Systems, tel. (383)343-18-53, e-mail: [email protected]
Maria M. Shlyakhova
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., senior lecturer, Department of Applied Informatics and Information Systems, tel. (383)343-18-53, e-mail: [email protected]
Spatial state of anthropogenic objects is not invariable. It changes under the environmental impact or interior processes. Spatial state variations show in motions and deformations of the object resulting sometimes in irreversible impacts (from structure failure to human toll). In connection with the above said, one of the major problems of geodetic monitoring is determination of changes
in anthropogenic object spatial state. The example of anthropogenic object deformation determined by laser scanning data is presented.
The models developed by laser scanning are static. With static 3D model of the object spatial state referred to the fixed instant of time t, we can reveal surface deformation by its superposing on the design surface. Real model deviation from the design one by the value greater than allowable testifies to the surface deformation.
Key words: 3D modeling, terrestrial laser scanning, spatial state, anthropogenic objects, surface deformation, deformation visualization.
Безопасная эксплуатация техногенных объектов (зданий, сооружений, оборудования промышленных и гражданских комплексов) невозможна без правильно поставленной диагностики их технического состояния. Диагностика основывается на результатах контроля ряда параметров, характеризующих эксплуатационные качества зданий, сооружений и оборудования. Для получения полных и достоверных сведений о состоянии объекта необходимо применение информационно-технической системы, в состав которой входят геодинамические, гидрологические, геодезические и др. подсистемы контроля состояния. Важнейшими из них являются геодезические подсистемы, оценивающие пространственное состояние (положение, деформацию и геометрические характеристики) объектов. Современное геодезическое оборудование позволяет с высокой точностью, скоростью и качеством выполнять геодезические измерения для оценки пространственного состояния техногенных объектов. Например, лазерный сканер, позволяет определить любые сложные и/или недоступные поверхности в трехмерном пространстве. Результатом работы лазерного сканера является облако (множество) точек с координатами X,Y,Z. Для обработки данных, полученных при помощи лазерного сканера, существует программное обеспечение (ПО), которое дает возможность построения реалистичных трехмерных метрических моделей объектов. На их основе можно получать информацию о положении объекта в пространстве, его геометрических характеристиках (расстояниях, объемах, площадях) [1,2,3].
Модели, полученные по данным лазерного сканирования, являются статическими. Однако, пространственное состояние техногенных объектов не остается постоянным. Их состояние изменяется в зависимости от влияния внешних факторов или внутренних процессов. Изменение пространственного состояния проявляется в движениях и деформациях объекта, что влечет за собой, порой, необратимые последствия - от разрушения конструкций до человеческих жертв. В связи с этим, одной из важнейших задач геодезического мониторинга является определение изменения пространственного состояния техногенных объектов [4,5].
Целью работы является 3D моделирование и визуализация деформации поверхностей техногенных объектов средствами наземного лазерного сканирования.
Объектом исследования был выбран купол планетария города Новосибирска, съемка которого производилась с внутренней стороны помещения.
Данные об объекте получены универсальным компактным лазерным сканером Leica ScanStation C10. Он представляет собой один из самых популярных приборов в серии сканеров ScanStation, обеспечивая высочайшую эффективность и производительность во время выполнения топографических съемок. Импульсная лазерная система гарантирует производство сканирования на расстоянии до 300 метров со скоростью до 50000 точек в секунду, что позволяет получать детальные трехмерные изображения. Поле зрения сканера составляет 270° по вертикали и 360° по горизонтали. Встроенная видеокамера высокого разрешения обеспечивает получение четких и детальных реальных изображений, которые затем совмещают с отсканированным облаком точек. В результате сканирования был получен 1 скан. Данные измерения приведены и скорректированы в программном продукте Cyclone по горизонтальному уровню с точностью компенсатора 4 мм. Модель определена в единой системе координат OXY, координаты Z получены в реальной системе высот.
Для обработки данных выбран программный продукт Rapidform XOR. Rapidform XOR - это программа, позволяющая пользователям перейти от 3D-скана к полностью параметрической CAD-модели.
Имея статическую 3D модель пространственного состояния объекта соответствующую фиксированному моменту времени t, определение деформации поверхности возможно путем ее совмещения с проектной поверхностью. Отклонение реальной модели от проектной на величину большую допустимой будет свидетельствовать о деформации этой поверхности.
Работа по определению и визуализации деформации поверхности купола планетария выполнялась в несколько этапов.
1. В программный продукт Rapidform XOR выполнен импорт облака точек.
2. Построена TIN поверхность купола планетария (выполнено разряжение точек, удалены шумы, построена триангуляция).
3. Для определения деформации поверхности купола выполнена аппроксимация, т.е. совмещение TIN поверхности с проектными данными так, что сумма квадратов отклонения координат точек реальной поверхности от проектной поверхности - минимальна. В качестве проектной поверхности выбрана сфера, заданная уравнением
где R -радиус сферы.
4. Выполнена оценка среднеквадратического отклонения (СКО) купола планетария от проектной сферы. Получен вектор значений среднеквадратиче-ских отклонений
У = У(уьУп),
где п - количество значений СКО. Средние значения отклонений равны 36 мм. Построена 3Э модель объекта с изображением зон деформации поверхности (рис. 1).
Деформация объекта - это процесс, протекающий во времени и определяется он как функция времени £></, ), где Ц принадлежит временному интервалу Т, г = 1. .к, к -количество моментов времени в интервале Т. Поэтому для определения функции на всем
временном интервале Т необходимо иметь к статических моделей. Таким образом, для определения деформации поверхности объекта на всем временном интервале Т методом совмещения статических моделей нужно выполнить к итераций.
Для сокращения количества итераций, в работе был проведен эксперимент. Рассмотрена возможность совмещения трех моделей.
В связи с этим, была выполнена имитация деформации поверхности купола. Изменены высотные координаты в его верхней части, после чего модель была совмещена с проектной моделью. Средние значения отклонений равны 38 мм (рис. 2).
Заключительным этапом эксперимента было совмещения трех моделей: проектной, заданной уравнением (1); реальной, полученной по результатам лазерного сканирования и деформированной.
Полученная модель является результатом усреднения трех моделей поверхности. Она не является информативной и не отображает процесс деформации объекта.
В результате исследования был сделан вывод:
1. Определение деформации поверхности техногенного объекта по результатам лазерного сканирования дает полную наглядную визуальную информацию путем совмещения двух 3Э моделей. Из количественных характеристик получаем среднеквадратические отклонения одной модели от другой.
2. Деформация объекта - это процесс динамический, изменяемый во времени, что предполагает работу с временными рядами данных. По результатам лазерного сканирования можно получить информацию о деформации объекта в заданный момент времени, однако, это процесс трудоемкий. Функция £>{>,)в этом случае определена дискретно. Для анализа, интерпретации и прогнозирования процессов деформации необходимо определение £>(/,■) как непрерывной функции, что невозможно без методов математического моделирования [6,7,8].
Рис. 1. 3Э модель поверхности купола планетария с изображением зон деформации поверхности и результат оценки СКО
3. Определение и визуализация деформаций поверхности техногенных объектов по результатам лазерного сканирования хорошо подходят для реконструкции зданий и сооружений, а также мониторинга геометрических параметров путем определения отклонений от проектных значений.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Бугакова Т. Ю. Оценка устойчивости состояний объектов по геодезическим данным методом фазового пространства: автореф. дис. на соискание ученой степени кандидата технических наук. - Новосибирск: СГГА, 2005.
2. Вовк И. Г., Бугакова Т. Ю. Математическое моделирование пространственно-временного состояния систем по геометрическим свойствам и оценка техногенного риска методом экспоненциального сглаживания // Вестник СГГА. - 2012. - Вып. 4 (20). - С. 47-58.
3. Бугакова Т. Ю., Вовк И. Г. Математическое моделирование пространственно-временного состояния систем // Материалы V Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные вопросы строительства». - Новосибирск: НГАСУ (Сибстрин), 2012. -Т. 2. - С. 100-105.
4. Бугакова Т. Ю., Вовк И. Г. Математическое моделирование пространственно-временного состояния систем по геометрическим свойствам // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск: СГГА, 2012. Т. 3. - С. 26-31.
5. Вовк И. Г., Бугакова Т. Ю. Теория определения техногенного геодинамического риска пространственно-временного состояния технических систем // ГЕО-Сибирь-2010. VI Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2010 г.). - Новосибирск: СГГА, 2010. Т. 1, ч. 2. - С. 21-24.
7. Бугакова Т. Ю. К вопросу оценки риска геотехнических систем по геодезическим данным // ГЕО-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). - Новосибирск: СГГА, 2011. Т. 1, ч. 1. - С. 152-156.
8. Бугакова Т. Ю., Вовк И. Г. Определение вращательного движения объекта по результатам многократных геодезических измерений // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2013. IX Междунар. науч. конгр., 15-26 апреля 2013 г., Новосибирск : Междунар. науч. конф. «Раннее предупреждение и управление в кризисных и чрезвычайных ситуациях: предпринимаемые шаги и их реализация с помощью картографии, геоинформации, GPS и дистанционного зондирования» : сб. материалов. - Новосибирск : СГГА, 2013. - С. 88-92.
© Т. Ю. Бугакова, М. М. Шляхова, 2015
