CC BY
33
Вестник Томского государственного университета. Культурология и искусствоведение.
2023. № 51. С. 258-269. Tomsk State University Journal of Cultural Studies and Art History. 2023. 51. pp. 258-269.
Научная статья УДК 39+004
doi: 10.17223/22220836/51/22
МЕТОДИКА ОБМЕРОВ ЗДАНИЙ МЕТОДОМ ЛАЗЕРНОГО СКАНИРОВАНИЯ (НА ПРИМЕРЕ ДВУХ ОБЪЕКТОВ КУЛЬТУРНОГО НАСЛЕДИЯ НОВОСИБИРСКОЙ ОБЛАСТИ)
Анна Юрьевна Майничева1, Евгения Александровна Груздева2, Елена Юрьевна Орлова3
1 Институт археологии и этнографии Сибирского отделения Российской академии наук,
Новосибирск, Россия
1 2 Новосибирский государственный университет архитектуры, дизайна и искусств им. А.Д. Крячкова, Новосибирск, Россия
3 Российский государственный университет им. А.Н. Косыгина (Технологии. Дизайн. Искусство), Москва, Россия
Аннотация. В статье представлена апробированная методика лазерного сканирования для создания обмерных чертежей архитектурных объектов. Методика была создана в процессе работы с объектами культурного наследия Новосибирской области - дом и контора управляющего Сузунским медеплавильным заводом в р.п. Сузун, дом купчихи Смирновой в с. Битки Сузунского района. Работы в рамках методики разделены на этапы, которые включают предварительные работы, получение первичных данных лазерного сканирования и их обработку.
Ключевые слова: объект культурного наследия, методика лазерного сканирования, наземный лазерный сканер, облако точек, обмерные чертежи
Благодарности: Авторы благодарят РФФИ за предоставленное финансирование работ в рамках гранта РФФИ № 18-09-00469А «Новые методы в этнографии в информационную эпоху: оценка итогов и перспектив использования для исследования материальной культуры».
Для цитирования: Майничева А.Ю., Груздева Е.А., Орлова Е.Ю. Методика обмеров зданий методом лазерного сканирования (на примере двух объектов культурного наследия Новосибирской области) // Вестник Томского государственного университета. Культурология и искусствоведение. 2023. № 51. С. 258-269. doi: 10.17223/22220836/51/22
© А.Ю. Майничева, Е.А. Груздева, Е.Ю. Орлова, 2023
Original article
METHODS FOR MEASURING BUILDINGS USING LASER SCANNING (ON THE EXAMPLE OF TWO OBJECTS OF CULTURAL HERITAGE OF THE NOVOSIBIRSK REGION)
Anna Yu. Mainicheva1, Evgenia A. Gruzdeva2, Elena Yu. Orlova3
1 Institute of Archeology and Ethnography of the Siberian branch of the Russian Academy of Sciences, Novosibirsk, Russian Federation
1 2 Novosibirsk State University of Architecture, Design and Arts, Novosibirsk, Russian Federation
3 Russian State University. A.N. Kosygin (Technology. Design. Art), Moscow, Russian Federation
Abstract. The use of information technology methods in art history, architectural and ethnographic research remains one of the urgent scientific problems, the solution of which allows us to reach a new level of accuracy and improve the quality of results. The article presents the specific results of the approbation of the laser scanning technique, adapted to the measurements of architectural objects. This work was carried out within the framework of the RFBR grant No 18-09-00469A "New methods in ethnography in the information age: an assessment of the results and prospects of use for the study of material culture". Buildings of historical importance were selected as the object of the study - the house and office of the manager of the Suzun copper smelting plant in the settlement Suzun, located in the same building, as well as the house of the merchant Smirnova in the village Bitki (Suzunsky district of the Novosibirsk region). The work was divided into stages, which include preliminary work, obtaining primary laser scanning data, processing them, and obtaining drawings
At the first stage, preliminary work was carried out: acquaintance with the existing literature describing the buildings, and archival data, as a result of which the history and functional belonging of the buildings were restored, and the architectural style were determined. At the second stage, the primary data for laser scanning were obtained: a visual inspection of the buildings was carried out, the shooting conditions were set, the choice of scanning positions was made, scanning was performed using a RIEGL VZ400 ground laser scanner. When setting zero marks, it is necessary to take into account the scanning objectives, size, complexity of the plan, volumetric-spatial solutions of the object, its design features, relief folds, characteristic features of the general plan, landscape. The criterion for choosing the location of scanning positions inside and outside the building is the completeness of the coverage of the building from different angles, determined visually or experimentally. In total, the scan took less than 4 hours per object.
At the third stage, the processing of laser scanning data was carried out using the ScanlMAGER software product for further execution of dimensional drawings in the AutoCAD software environment. The developed and tested methodology was adapted to the need to create dimensional drawings and 3D models of architectural objects using point clouds obtained by the ground laser scanner.
The developed method of creating measurement drawings obtained by laser scanning showed that thanks to it, data can be obtained that allow creating measurement drawings, which are the basis for reconstruction and museumification of buildings. Working with point clouds is characterized by high accuracy and clarity of images, with minimal use of manual labor and the influence of subjectivity when measuring buildings.
Keywords: cultural heritage object, technique of laser scanning, ground laser scanner, point cloud, dimensional drawings
Acknowledgements: The authors thank the RFBR for providing funding for the work under the RFBR grant No. 18-09-00469A "New methods in ethnography in the information age: evaluation of the results and prospects of use for the study of material culture".
For citation: Mainicheva, A.Yu., Gruzdeva, E.A. & Orlova, E.Yu. (2023) Methods for measuring buildings using laser scanning (on the example of two objects of cultural heritage of the Novosibirsk Region). Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo universiteta.
Kul 'turologiya i iskusstvovedenie - Tomsk State University Journal of Cultural Studies and Art History. 51. pp. 258-269. (In Russian). doi: 10.17223/22220836/51/22
Использование методов информационных технологий в культурологических, искусствоведческих и архитектурно-этнографических исследованиях остается одной из актуальных научных проблем, решение которой позволяет выйти на новый уровень точности и повышения качества результатов. Недостаточная квалификация исследователей, отсутствие соответствующего инструментария и апробированных методик являются серьезным препятствием для перехода на релевантные современным требованиям методы. В статье представлены конкретные результаты апробации одного из методов, основанных на новейших информационных технологиях, - лазерного сканирования, а также анализ особенностей адаптации методики к обмерам архитектурных объектов.
В качестве объекта исследования выбраны здания, имеющие историческое значение: дом и контора управляющего Сузунским медеплавильным заводом в р.п. Сузун, размещенные в одном здании (рис. 1), а также дом купчихи Смирновой в с. Битки (Сузунский район Новосибирской области) (рис. 2). Была поставлена задача зафиксировать особенности архитектуры построек с помощью адаптированной методики обмеров методом лазерного сканирования, которые могут стать основой для проведения работ по реконструкции и музеефикации построек. Архитектура изучаемых зданий уже становилась предметом исследования музейщиков и архитекторов [1-3], но анализ апробирования методики на указанных объектах дан впервые.
Рис. 1. Дом и контора управляющего Сузунским медеплавильным заводом в р.п. Сузун.
Фото Е.Ю. Орловой
Fig. 1. House and office of the manager of the Suzun copper-smelting plant in Suzun. Photo by E.Yu. Orlova
Рис. 2. Дом купчихи Смирновой в с. Битки Сузунского района Новосибирской области.
Фото Е.Ю. Орловой
Fig. 2. House of the merchant Smirnova in the village Bitki of the Suzunsky district of the Novosibirsk
region. Photo by E.Yu. Orlova
Работы были разделены на этапы, которые включают предварительные работы, получение первичных данных лазерного сканирования, их обработку и получение чертежей.
Этап 1. Предварительные работы
На первом этапе проводились предварительные работы: знакомство с имеющейся литературой, описывающей постройки, и архивными данными, в результате которых была восстановлена история и функциональная принадлежность зданий, определена архитектурная стилистика.
В результате проведения историографических и архивных изысканий было установлено, что дом и контора управляющего Сузунским медеплавильным заводом в р.п. Сузун и дом купчихи Смирновой в с. Битки датируются концом XIX в. Сейчас они причислены к объектам культурного наследия регионального значения. Все особенности истории и архитектурной стилистики полно описаны в уже упоминавшихся работах.
Этап 2. Получение первичных данных лазерного сканирования
На втором этапе были получены первичные данные для проведения лазерного сканирования: проведен визуальный осмотр построек, установлены условия съемки, сделан выбор позиций сканирования, выполнено сканирование с применением наземного лазерного сканера RIEGL VZ400. Характеристики сканера обеспечивают высокую производительность и стабильную работу в сложных погодных условиях (рекомендованная температура - 0°...+40 °С, возможно использование при -40°.+40° при ограничении времени работы и внутренней температуре 15 °С), широкий диапазон дальности и высокую скорость сканирования, достигающую в ближнем режиме 122 000 точек/с, в дальнем режиме 42 000 точек/с, а также получение высокоточных данных.
Максимальная рабочая дальность 600 м, минимальная - 1,5 м. Точность в ближнем и дальнем режиме 5 мм. Прибор имеет лазерный отвес, флеш-память, интерфейсы WLAN, LAN, USB. Привязка и регистрация в проектной системе координат выполняются с помощью интегрированного GPS-приемника, встроенного датчика наклона, компаса.
Согласно разработанной методики для съемки объектов архитектуры необходимо определить ряд параметров схемы сканирования, т.е. количества и мест расположения позиций сканера. Критерием выбора местоположения позиций сканирования внутри и снаружи здания выступает полнота охвата постройки с различных ракурсов, определяемая визуально или опытным путем. Количество позиций должно обеспечивать отсутствие «теней» и «дыр» (так условно называются участки фасада, которые были недоступны для сканирования) в получаемом облаке точек, являющемся цифровым сканом объекта (рис. 3, 4).
Рис. 3. Дом купчихи Смирновой. Облако точек - цифровой скан объекта Fig. 3. House of the merchant Smirnova. Point cloud is a digital scan of an object
1
Рис. 4. Дом и контора управляющего Сузунским медеплавильным заводом в р.п. Сузун. Облако точек, снятое в неблагоприятных условиях. Белые пятна - «дыры» или «тени»
Fig. 4. House and office of the manager of the Suzun copper-smelting plant in Suzun. Point cloud captured in adverse conditions. White spots are "holes" or "shadows"
Позиции сканирования устанавливаются относительно принятой нулевой отметки, которую можно зафиксировать на внешнем фасаде здания, но ее мож-
но задать в любом месте, в зависимости от ландшафтных условий и задач проекта, например, внутри постройки, когда подход к внешней стороне здания затруднен рельефом местности, деревьями, конструктивными элементами и прочими помехами. Необходимо учитывать цели сканирования, размеры, сложность плана, объемно-пространственные решения объекта, его конструктивные особенности, складки рельефа, характерные черты генплана, ландшафт.
Условия съемки исследуемых объектов
Работы проводились летом при температуре выше +20° при рекомендованном диапазоне температур. Дом и контора управляющего Сузунским медеплавильным заводом в р.п. Сузун представляет собой одноэтажное здание с высокой вальмовой кровлей, прямоугольное в плане. С юго-восточной стороны пристроено крыльцо. Размер здания 19,7 х 17,3 м в плане. Оно расположено на свободном участке между проезжих дорог и окружено низкой, не более 1 м, оградой. Минимальное расстояние до ближайших построек около 7 м. Перед юго-восточным фасадом расположено высокое хвойное дерево с плотной кроной, находящейся на расстоянии 2 м от уровня земли. Декор фасада представлен наличниками простого профиля. Для выполнения съемки наружного объема было установлено десять позиций сканирования: по две со стороны каждого фасада, по углам здания и дополнительные для съемки крыльца. Для сканирования внутреннего пространства в доме управляющего было установлено на семнадцать помещений первого этажа площадью от 4,8 до 32,5 м2 двадцать четыре точки сканирования (дополнительно одна в проеме входной двери). На чердаке было установлено тринадцать точек сканирования. В зависимости от площади и пропорций помещений устанавливалось от 1 до 3 позиций скана: примерно в центре помещения, при необходимости ставились дополнительные позиции напротив дверных проемов.
Дом купчихи Смирновой - двухэтажное здание с вальмовой кровлей, в плане прямоугольное, с одноэтажной пристройкой с северо-восточной стороны. Размер здания в плане с учетом пристройки 14 х 14 м. Оно расположено на возвышенном и свободном участке, до ближайших построек расстояние не менее 10 м. С юго-западной стороны здания на расстоянии около 1 -2 м рельеф начинает значительно понижаться. С юго-западной стороны в метре от фасада здания расположена вертикальная металлическая труба - дымоход от котельной, располагающейся в подвале здания. На фасадах присутствует большое количество декора - декоративные панели с объемной резьбой, резной декор наличников, резной межэтажный пояс и профилированный карниз с резным декором. Лазерное сканирование наружного объема дома купчихи Смирновой выполнялось с шести точек съемки, установленных по четырем углам здания. Одна точка со стороны северо-восточного фасада была дополнительной для детальной съемки пристройки. Внутри дома купчихи Смирновой было установлено одиннадцать точек сканирования (одна дополнительная в проеме входной двери) на первом этаже - девять точек сканирования на десять помещений и две точки на двух лестницах). Восемь точек на восемь помещений второго этажа, две - на два помещения подвала и четыре точки на пространство чердака. Площадь помещений от 1,7 до 23,1 м.
В общей сложности сканирование заняло менее 4 ч. на каждый объект.
Анализ полученных результатов показал, что схемы сканирования внешнего и внутреннего пространства зданий были подобраны преимущественно
рационально, но потребовались и уточнения. Установлено, что для выполнения качественных обмерных чертежей зданий было поставлено недостаточно позиций сканирования с юго-западной стороны дома купчихи Смирновой. Значительное понижение рельефа и дымоход, располагающийся практически вплотную к фасаду здания, ухудшили условия проведения работ. В результате образовались «дыры» или «тени» в облаке точек, что значительно усложнило выполнение обмерных чертежей, поскольку в дефектный участок скана попало окно, декор которого отличался от остальных. Кроме того, окно располагалось на втором этаже, что затруднило его обмеры традиционным способом (рис. 5).
Рис. 5. Дом купчихи Смирновой. Облако точек с «тенями» Fig. 5. House of the merchant Smirnova. Point cloud with "shadows"
Сложный объемный резной декор требует более подробного сканирования и более плотного облака точек без «теней». Таким образом, при помехах, закрывающих часть здания, целесообразно лазерное сканирование дублировать фотограмметрией фасадов, что обеспечит упрощение трактовки облака точек, полученного при помощи лазерного сканирования. Для сканирования чердачного пространства дома купчихи необходимо увеличивать количество точек сканирования, поскольку их оказалось недостаточно для детальной проработки обмерных чертежей.
Этап 3. Обработка данных, полученных в результате лазерного сканирования
На третьем этапе обработка данных лазерного сканирования велась при помощи программного продукта ScanlMAGER для дальнейшего выполнения обмерных чертежей в программной среде AutoCAD. Для работы в программе ScanlMAGER получено облако точек в формате spf. Обработка данных сканирования заключалась в вычленении необходимых горизонтальных и вертикальных сечений и фрагментов облака точек и удалении (скрытии) ненужных фрагментов. Были получены и импортированы в AutoCAD фрагменты облака точек, представляющие планы, разрезы, фасады, выполненные на заданных отметках. Данная обработка значительно облегчает работу в программной среде AutoCAD, поскольку файл облака точек всего объекта имеет большой объем и медленно обрабатывается программой. Объем файла облака точек, который может обрабатывать программа AutoCAD, напрямую зависит от
быстродействия процессора компьютера. После импортирования фрагментов облака точек в AutoCAD выполнялись обмерные чертежи планов, фасадов, разрезов, фрагментов объекта, с использованием соответствующих фрагментов облака точек в качестве подосновы (рис. 6, 7).
Рис. 6. Обмерные чертежи плана и фасада дома и конторы управляющего Сузунским медеплавильным заводом
Fig. 6. Dimensional drawings of the plan and the facade of the house and office of the manager of the Suzun
copper smelting plant
Рис. 7. Обмерные чертежи плана и фасада дома купчихи Смирновой Fig. 7. Dimensional drawings of the plan and facade of the house of the merchant Smirnova
Разработанная и апробированная методика была адаптирована к необходимости создания обмерных чертежей и 3D-моделей архитектурных объектов с использованием облаков точек, полученных наземным лазерным сканером (рис. 8).
Рис. 8. Дом и контора управляющего Сузунским медеплавильным заводом. Облако точек Fig. 8. House and office of the manager of the Suzun copper smelting plant. Point cloud
Последовательность действий
Работа на архитектурном объекте. Выставляются нулевые уровни. Выбираются схемы сканирования. Визуально определяются количество и места размещения позиций сканера. Проводится наружное и внутреннее сканирование. Для снятия экстерьеров сканер устанавливается на точки сканирования вдоль периметра постройки, для интерьеров выбираются точки внутри здания в каждом помещении объекта. Точность съемки повышается при введении дополнительной позиции в проемах помещений. Полученные сканы с каждой позиции сканера объединяются в облака точек. Для дальнейшей обработки данных в программной среде ScanIMAGER удобнее разбить облака точек объекта на несколько фрагментов по назначению частей здания. Например, из скана наружного объема и поэтажных сканов выделить отдельные фрагменты подвала и чердака. Полученные облака точек сохраняются в электронном виде в выбранном для дальнейшей обработки формате.
Обработка первичных данных ведется в цифровом формате, при этом создаются сетки, оболочки и текстуры, фрагменты здания и его конструкций, выбираются цвет, плотность, определяются геометрические показатели объектов и пр. Полученные объекты редакции не подвергаются, их можно использовать как основу для чертежей и 3D-моделирования. Результаты обработки можно использовать для создания чертежей и модели объекта в 3D. Для получения обмерных чертежей с размерами используют программу ScanIMAGER, получая из облака точек горизонтальные и вертикальные сечения, фрагменты здания и конструктивных элементов. Затем они импортируются в чертежные программы AutoCAD или Revit. Уже существуют прило-
жения, позволяющие автоматизировать обводку для получения чертежей, но они имеют существенные недостатки, поэтому конечные чертежи целесообразно выполнять вручную, используя полученную подоснову.
Таким образом, разработанная авторская методика создания обмерных чертежей, полученных методом лазерного сканирования на примере объектов культурного наследия регионального значения дом и контора управляющего Сузунским медеплавильным заводом в р.п. Сузун, дом купчихи Смирновой в с. Битки Сузунского района Новосибирской области, показала, что благодаря ей могут быть получены данные, которые позволяют создавать обмерные чертежи, являющиеся основой для работ по реконструкции и музеефикации зданий. Для работы с облаками точек характерно получение высокой точности и наглядности изображений с минимальным использованием ручного труда и влияния субъективности при обмерах зданий.
Список источников
1. Воротникова Е.А., Шаповалов А.В. Сузунский медеплавильный завод и монетный двор на рубеже XVIII-XIX вв. Новосибирск : Сиб. музейное агентство, 2015. 85 с.
2. Емельянова Т.Б. Музей «Дом и контора управляющего Сузунским медеплавильным заводом» : выявление, изучение, реставрация и музеефикация исторического объекта // Баландин-ские чтения. 2017. Т. XII. C. 106-108.
3. Груздева Е.А. Архитектура жилого дома усадьбы купчихи Смирновой в селе Битки Сузунского района Новосибирской области // Баландинские чтения. 2019. Т. XIV. C. 358-361. DOI 10.24411/9999-00-2019-10104
References
1. Vorotnikova, E.A. & Shapovalov, A.V. (2015) Suzunskiy medeplavil'nyy zavod i monetnyy dvor na rubezhe XVIII-XIX vv. [The Suzun copper smelter and mint at the turn of the 18th-19th centuries]. Novosibirsk: Sib. muzeynoe agentstvo.
2. Emelyanova, T.B. (2017) Muzey "Dom i kontora upravlyayushchego Suzunskim medeplavil'nym zavodom": vyyavlenie, izuchenie, restavratsiya i muzeefikatsiya istoricheskogo ob"ekta [Museum "House and office of the manager of the Suzun copper smelter": identification, study, restoration and museumification of a historical object]. Balandinskie chteniya. 12. pp. 106108.
3. Gruzdeva, E.A. (2019) Arkhitektura zhilogo doma usad'by kupchikhi Smirnovoy v sele Bitki Suzunskogo rayona Novosibirskoy oblasti [Architecture of a residential building on the estate of merchant Smirnova in the village of Bitki, Suzunsky district, Novosibirsk region]. Balandinskie chteniya. 14. pp. 358-361. DOI 10.24411/9999-00-2019-10104
Сведения об авторах:
Майничева А.Ю. - доктор исторических наук, в.н.с. Отдела этнографии Института археологии и этнографии Сибирского отделения Российской академии наук, г.н.с. Научно-исследовательского отдела Новосибирского государственного университета архитектуры, дизайна и искусств им. А.Д. Крячкова (Новосибирск, Россия). E-mail: annmaini@gmail. com
Груздева Е.А. - кандидат искусствоведения, доцент кафедры архитектуры, факультета градостроительства и архитектуры Новосибирского государственного университета архитектуры, дизайна и искусств им. А.Д. Крячкова, (Новосибирск, Россия). E-mail: [email protected]
Орлова Е.Ю. - кандидат искусствоведения, доцент кафедры дизайна среды Института культуры Российского государственного университета им. А.Н. Косыгина (Технологии. Дизайн. Искусство) (Москва, Россия). E-mail: [email protected]
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Information about the authors:
Mainicheva A.Yu. - Institute of Archeology and Ethnography of the Siberian branch of the Russian Academy of Sciences, Novosibirsk State University of Architecture, Design and Arts (Novosibirsk Russian Federation). E-mail: [email protected]
Gruzdeva E.A. - Novosibirsk State University of Architecture, Design and Arts (Novosibirsk, Russian Federation). E-mail: [email protected]
Orlova E.Yu. - Russian State University. A.N. Kosygin (Technology. Design. Art) (Moscow, Russian Federation). E-mail: [email protected]
The authors declare no conflicts of interests.
Статья поступила в редакцию 22.10.2020; одобрена после рецензирования 10.10.2021; принята к публикации 05.08.2023.
The article was submitted 22.10.2020; approved after reviewing 10.10.2021; accepted for publication 05.08.2023.
