Аспекты практического применения наземного лазерного сканирования при проектировании промышленных объектов

На рубеже веков при проведении топографогеодезических работ, в том числе инженерных изысканий, стала применяться новая технология — наземное лазерное сканирование. За прошедшие годы специалистами выполнено много успешных проектов и проделана огромная работа по внедрению данной технологии при проектировании объектов строительства. Однако практика показывает, что конечный пользователь результатов лазерного сканирования, т. е. проектировщик, далеко не всегда имеет представление о реальных возможностях этого метода. Часто встречаются примеры нерационального использования, когда выполняется сложная работа, а заказчик использует только несколько процентов от полученного результата, что в итоге порождает незаслуженно негативное отношение к технологии наземного лазерного сканирования.

Коротко о технологии наземного лазерного сканирования

Наземный лазерный сканер стал естественным развитием традиционных геодезических приборов, в частности, электронного тахеометра. Он пред ставляет собой высокотехнологичный измерительный инструмент, основное назначение которого — определение трехмерных координат точек поверхности обследуемого объекта. Помимо этого выполняется фотографирование, и измеряются различные параметры отраженного лазерного луча, которые используются при первичной обработке данных (фильтрация и классификация точек). Результатом проводимых измерений являются отдельные сканы в виде так называемых «облаков точек». Облако точек — это совокупность множества измеренных на реальном объек те точек.

Каждая точка имееттри координаты (X, Y и Z) в ло кальной системе координат прибора, что позволяет представить внешнюю поверхность объекта в трехмерном виде (3D). Плотность точек в отдельном скане зависит от расстояния до объекта, времени сканирования, и может достигать десятков тысяч точек на квадратный метр поверхности. Объединение («сшивка») отдельных сканов в единое облако точек позволяет построить высоко точную 3D-модель объекта (рис. 1). Современный наземный лазерный сканер выполняет измерения с высокой скоростью (до 1,2 млн измерений в секунду) и плотностью, поэтому полученные данные имеют фотореалистичный вид. Любой специалист, даже если он впервые видит результат лазерного сканирования, без проблем различит самую мелкую деталь объекта в облаке точек.

Рис. 1 Результаты наземного лазерного сканирования компрессорной станции «Алексеевская» в виде единого облака точек

К сожалению, пока нет программ с полностью автоматизированным выделением в облаке точек различных элементов объектов, но работы в данном направлении ведутся.

В настоящее время существует программное обеспечение, способное распознать и отобразить все трубопроводы в облаке точек или вписать стандартные элементы, например, металлоконструкции (угол ки, швеллеры и т. д.). Предельная погрешность измерения координат отдельной точки лазерным сканером (в локальной системе координат) может варьироваться от 0,2 мм до нескольких сантиметров в зависимости от модели прибора и режима съемки. Более высокие значения достигаются на небольших расстояниях от сканера до объекта, как правило, в несколько метров.

Большинство приборов позволяют определять координаты точек с предельной погрешностью в несколько миллиметров, что полностью удовлетворяет требованиям, предъявляемым к качеству измерений на промышленных объектах или в архитектуре. После сшивки отдельных сканов в единое геометрическое пространство и привязки к системе координат снимаемого объекта координаты отдельных точек в ЗD-модели могут иметь более низкую точность, которая, как и классические геодезические измерения, зависит от методики работы и качества опорной сети (исходных пунктов). При этом легко добиться предельной погрешности в 1 см для взаимного положения сканов.

Обзор продукции, создаваемой по облаку точек

Топографический план, чертеж, сечение

Традиционные двухмерные планы и чертежи еще долго будут оставаться востребованными на различных этапах проектирования и строительства. Никто не отменял и отчетную документацию, которую необходимо согласовывать и сдавать в соответствующие инстанции.

Данные наземного лазерного сканирования позволяют создать топографический план (рис. 2) или чертеж технологической установки, поэтажный план (рис. 3) или разрез.

Использовать технологию на земного лазерного сканирования при топографической съемке незастроенной территории или для обмера помещения, не имеющего инженерных коммуникаций, конечно, нецелесообразно. Данный метод измерений используется на сложных промышленных объектах, таких как нефтеперерабатывающие и нефтехимические предприятия, металлургические заводы, электроподстанции, открытые карьеры по добыче полезных ископаемых, при съемке территорий со сложным рельефом и с большим количеством технологического оборудования и эстакад.

В таких условиях технология наземного лазерного сканирования прояв ляет свои лучшие качества. Во-первых, это скорость съемки. Измерения на одной станции для получения одного скана, включая установку прибора, занимают не более 10 минут. Во-вторых, объем и качество данных. Вся информация об объекте (его геометрические размеры и цветовая гамма) может быть получена из облака точек. Диаметры трубопроводов, размеры и расположение отдельных металлоконструкций и технологического оборудования— все это можно измерить по облаку точек с точностью в несколько миллиметров. В-третьих, исключается человеческий фактор.

Лазерный сканер — прибор беспристрастный. В облаке точек все фиксируется так, как есть на самом деле. При классической тахеометрической съемке велик риск, что исполнитель работ пропустит отдельные элементы снимаемого объекта или территории. В таком случае придется повторно отправлять бригаду специалистов на объект, что повлечет за собой дополнительные расходы, или «додумывать» недостающую информацию, что может вызвать ошибки при проектировании.

Имея избыточные данные, полученные при лазерном сканировании, повторный выезд на объект исключается, поскольку всегда можно решить спорный вопрос или проконтролировать исполнителя работ, выполнив дополнительные измерения по уже имеющемуся облаку точек. Облако точек — трехмерная модель объекта Несмотря на то, что облака точек являются «сырыми» данными лазерного сканирования и подвергаются только минимальной обработке (уравнивание, фильтрация, классификация), они могут быть эффективно использованы припроектировании. Облако точек фактически представляет собой трехмернуюмодель объекта и несет в себе все его геометрические пара метры.

В настоящее время появилось достаточное количество программных средств для работы с облаком точек, в том числе и бесплатных. Естественно, бесплатная программа обладает минимальным набором функций, но для решения ряда задач этого вполне достаточно. Другие программы представляют собой плагины (модуль, динамически подключаемый к основной программе и предназначенный для расширения ее возможностей) для распространенных систем автоматизированного проектирования (САПР), таких как AutoCAD, MicroStation, Rhinoceros и др. Стоимость подобной надстройки обычно колеблется в районе 1000 евро за рабочее место.

К преимуществам таких программ перед стандартным инструментарием по работе с облаками точек относится возможность плавной и удобной работы с большим объемом данных. Кроме того, они предоставляют дополнительные возможности. Для тех, кто выполняет проектирование по двухмерным чертежам, полезной будет функция создания сечений по облаку точек. Сечения создаются в вертикальной, горизонтальной или наклонной плоскостях в заданном месте. По ним определяются необходимые размеры (рис. 4).

Рис. 4 Определение размеров в сечении, созданном по облаку точек в AutoCAD

Также полученные сечения можно совмещать с чертежами вновь запроектированных объектов и вовремя вносить необходимые изменения. По выбранному направлению сечения быстро создается чертеж заданного узла. При трехмерном проектировании облако точек служит хорошей интерактивной подложкой. Например, трассировка трубопроводов или размещение оборудования может выполняться с помощью привязки к облаку точек. Таким образом, сводятся к минимуму ошибки, вызванные отсутствием пространственной информации. Большинство САПР (PDMS, SmartPlant, Plant3D и др.) пре доставляют возможность проверки на коллизии — противоречия между облаком точек и запроектированной моделью (рис. 5). Эту функцию можно использовать как на стадии проектирования, для исключения неточностей и ошибок проектирования, так и после строительства нового объекта в качестве исполнительной съемки и для контроля работ, выполненных монтажными бригадами.

Главным преимуществом облака точек является оперативность получения трехмерной модели и удобство ее использования при относительно невысокой стоимости по сравнению с другими методами и технологиями. Благодаря скорости работы приборов процесс сканирования занимает немного времени. Так, например, съемка территории компрессорной станции, площадью 5 га, проводится одним специалистом за 8 часов, а результат может быть доступен уже на следующий день после обработки полученных данных. Таким образом, трудозатраты по созданию трехмерной модели объекта в виде облака точек минимальны, соответственно и стоимость такого проекта будет значительно ниже, чем стоимость аналогичных работ при использовании классических методов.

Трехмерная геометрическая модель

Под геометрической моделью обычно подразумевают твердотельную или полигональную модель. Зачастую в одной модели могут сочетаться как твердые тела, так и различные виды поверхностей. Такая модель используется как основа при проектировании, либо для создания сечений и чертежей. Основным преимуществом геометрической модели является ее генерализация. На ней отображаются только необходимые элементы с использованием заданных библиотек. Данный подход позволяет значительно сократить объем информации, с которой становится легче работать. Все элементы геометрической модели разнесены по соответствующим слоям. Большим минусом создания подобной модели является высокая трудоемкость процесса, что влечет за собой увеличение стоимости и сроков по выпуску готовой продукции.

Рис. 5 Поиск коллизий и внесение изменений в проектируемый трубопровод

Трехмерная интеллектуальная модель

Для тех, кто использует передовые разработки в области проектирования промышленных объектов, полезной будет возможность создания интеллектуальной модели существующего предприятия по результатам наземного лазерного сканирования. Такие САПР, как AVEVA PDMS, Bentley AutoPlant, Intergraph SmartPlant и другие, предоставляют мощный инструментарий для обработки данных лазерного сканирования (рис. 6).

Используя библиотеки эле ментов и оборудования, выполняется моделирование существующего объекта с целью созда нияпроекта реконструкции или управления жизненным циклом. Процесс создания такой модели наиболее трудоемкий из всех. Он требует наличия актуальных библиотек оборудования и дополнительной атрибутивной информации по объекту. Однако на некоторых проектах данный подход оправдывает затраченные средства и время.

Рис. 6 Процесс создания интеллектуальной модели действующего
предприятия в формате AVEVA PDMS

Комбинированный подход

Учитывая, что процесс интеллектуального или твердотельного моделирования требует достаточно больших материальных и временных затрат, целесообразно использовать комбинированный подход. Он заключается в применении различных методик обработки данных лазерногосканирования для разных узлов или участков одного и того же объекта.

Моделирование стоит проводить для наиболее сложных технологических установок и отдельных узлов, а для менее загруженных деталями участков использовать облака точек. Проектировщик может выполнять моделирование или создавать чертежи только тех узлов, которые ему необходимы. Таким образом, экономятся время и деньги при заказе инженерных изысканий.

Следует отметить, что за последние годы технология наземного лазерного сканирования сделала огромный шаг вперед. Сейчас уже никого не удивляют лазерные сканеры, установленные на транспортные средства. Развивается программное обеспечение для обработки данных лазерного сканирования. Те процессы, на которые еще несколько лет назад требовались недели или месяцы, сегодня выполняются за несколько дней. Такое развитие позволяет сократить сроки проведения работ и, соответственно, их стоимость.

Р.В. Коннов («НИПИСтройТЭК»)
Н.С. Ковач («НИПИСтройТЭК»)