Лазерное сканирование стало одним из наиболее полезных цифровых инструментов при исследовании и реставрации исторических зданий. Технология позволяет зафиксировать фактическую геометрию объекта с высокой детализацией, получить пространственную модель фасадов, интерьеров и конструкций, а затем использовать эти данные при обмерах, проектировании и контроле выполненных работ.
Для объектов культурного наследия такая точность особенно важна. Старые здания редко соответствуют идеальной геометрии: стены имеют отклонения, перекрытия — прогибы, декоративные элементы отличаются друг от друга, а существующие чертежи могут не отражать многочисленные перестройки и изменения, произошедшие за десятилетия или столетия.
При этом лазерный сканер не «реставрирует здание» и не заменяет работу архитектора-реставратора, инженера или исследователя. Его задача — предоставить специалистам максимально подробную цифровую информацию о фактическом состоянии и геометрии объекта.
Что такое лазерное сканирование исторического здания
Наземное лазерное сканирование — это способ дистанционного получения пространственных координат поверхности объекта.
Сканер устанавливается в определённой точке и последовательно измеряет расстояние до огромного количества поверхностей вокруг себя. В результате формируется массив пространственных координат, который называют облаком точек.
Каждая точка имеет положение в трёхмерном пространстве. При последовательном сканировании здания с разных позиций отдельные фрагменты объединяются в единую цифровую модель.
Таким способом можно зафиксировать:
- наружные фасады;
- внутренние помещения;
- стены и перекрытия;
- лестницы;
- колонны и арки;
- своды;
- оконные и дверные проёмы;
- карнизы;
- архитектурный декор;
- части инженерных и строительных конструкций;
- окружающую территорию.
Полученный набор данных становится цифровой основой для последующей работы специалистов.
Зачем лазерное сканирование используют при реставрации
До разработки реставрационных решений необходимо понять, с каким объектом специалисты имеют дело в действительности.
Исторический чертёж может показывать первоначальную планировку, но за время эксплуатации здания могли появиться:
- поздние пристройки;
- заложенные проёмы;
- новые перегородки;
- изменения отметок пола;
- деформации конструкций;
- утраты декоративных элементов;
- ремонтные вставки;
- изменения конфигурации кровли.
Поэтому проект реставрации нельзя строить только на старой документации.
Лазерное сканирование позволяет получить точную цифровую фиксацию того состояния, в котором памятник находится непосредственно перед проведением работ.
Эти данные могут использоваться при разработке проектно-сметной документации для объекта культурного наследия.
Какие данные получают после сканирования
Результатом работы сканера является не готовый строительный чертёж, а пространственный массив исходных данных.
После обработки облака точек специалисты могут подготовить:
- поэтажные планы;
- планы отдельных уровней;
- фасады;
- продольные и поперечные разрезы;
- обмерные чертежи;
- ортогональные изображения;
- чертежи отдельных архитектурных деталей;
- трёхмерные модели;
- исходные данные для информационного моделирования;
- материалы для анализа геометрии здания.
Одно из преимуществ облака точек заключается в том, что к исходной цифровой модели можно неоднократно возвращаться.
Если после начала проектирования понадобится дополнительное сечение или размер, во многих случаях его можно получить из уже выполненного сканирования без отдельного выезда только ради повторного обмера.
Почему обычных ручных обмеров бывает недостаточно
Классические методы архитектурных обмеров сохраняют своё значение и сегодня. Но для сложного исторического здания количество измерений может быть огромным.
Представим фасад с:
- несколькими десятками окон;
- различными профилями карнизов;
- колоннами;
- нишами;
- лепным декором;
- криволинейными поверхностями;
- отклонениями стен от вертикали.
Зафиксировать всю эту геометрию несколькими линейными размерами невозможно.
Сканирование формирует пространственную картину объекта целиком, после чего необходимые размеры и сечения можно получать уже на этапе камеральной обработки.
Особенно важно учитывать реальную геометрию исторического здания
В новом строительстве проектировщик обычно работает с заданными размерами и геометрией.
При реставрации всё наоборот: сначала необходимо максимально точно установить существующую форму объекта.
Например, две стены, которые на старом плане показаны параллельными, фактически могут иметь заметное расхождение. Размеры оконных проёмов одного фасада также иногда отличаются друг от друга.
И это не обязательно ошибка строителей.
Такая геометрия может быть результатом:
- исторической технологии строительства;
- многолетних деформаций;
- неоднократных перестроек;
- осадок здания;
- предыдущих ремонтов.
Если при проектировании искусственно привести историческое здание к «идеальным» размерам, проект может перестать соответствовать реальному объекту.
Можно ли с помощью сканирования увидеть деформации здания
Лазерное сканирование позволяет очень подробно анализировать геометрические изменения.
По облаку точек можно исследовать:
- отклонение стены от вертикали;
- прогиб поверхности;
- смещение отдельных элементов;
- геометрию сводов;
- разницу между фактической и проектной поверхностью;
- изменение конструкции между двумя периодами наблюдения.
Например, вместо нескольких отдельных измерений стены специалист может анализировать её поверхность практически целиком.
Для реставрационного проекта это позволяет получить значительно более полное представление о пространственной геометрии объекта.
Выявляет ли лазерный сканер трещины и скрытые дефекты
Возможности технологии здесь часто преувеличивают.
Лазерное сканирование прежде всего измеряет геометрию поверхности.
Крупная трещина, утрата элемента или заметная деформация могут присутствовать в полученных данных, если разрешение съёмки позволяет их зафиксировать.
Однако сканер не определяет автоматически:
- прочность кирпичной кладки;
- состояние материала внутри стены;
- причину образования трещины;
- состояние скрытых связей;
- наличие внутренних полостей;
- физико-механические характеристики материала;
- причины увлажнения конструкции.
Поэтому утверждение, что лазерное сканирование «выявляет все микродефекты и структурные повреждения», некорректно.
Для определения технического состояния необходим комплекс исследований: визуальное обследование, инструментальные измерения, инженерные и при необходимости лабораторные методы.
Лазерное сканирование дополняет этот комплекс, но не заменяет его.
Бесконтактная фиксация исторических поверхностей
Для объектов культурного наследия важно, что основной сбор пространственных данных выполняется дистанционно.
При обычном сканировании нет необходимости прикасаться измерительным инструментом к каждой фиксируемой точке.
Это особенно полезно при работе с:
- хрупкими поверхностями;
- декоративной отделкой;
- сложным лепным декором;
- ветхими конструкциями;
- объектами, доступ к которым затруднён.
Однако термин «бесконтактный» не следует понимать как возможность исследовать абсолютно всё без доступа специалиста к конструкции.
Для определения материала, выполнения зондажа, отбора проб или исследования состояния отделочного слоя непосредственная работа с поверхностью всё равно может потребоваться.
Лазерное сканирование архитектурного декора
Одна из наиболее интересных областей применения технологии — фиксация сложных объёмных элементов.
Сканирование может использоваться для документирования:
- капителей;
- колонн;
- карнизов;
- барельефов;
- скульптурных элементов;
- сложных профилей;
- лепного декора;
- криволинейных поверхностей.
Для такого элемента можно получить пространственную модель, которая гораздо подробнее обычного набора линейных размеров.
Можно ли восстановить утраченную деталь по 3D-скану
Если сохранился исходный элемент или его исторический аналог, его цифровая фиксация действительно может помочь при подготовке материалов для воссоздания.
Например, если на фасаде существовали несколько одинаковых декоративных элементов и часть из них утрачена, сохранившийся образец может стать важным источником информации о геометрии.
Но лазерное сканирование не способно самостоятельно восстановить то, что полностью утрачено.
Если исходного элемента нет, облик может устанавливаться на основании:
- исторических фотографий;
- архивных чертежей;
- сохранившихся фрагментов;
- результатов натурных исследований;
- достоверных аналогов;
- других исторических источников.
То есть цифровая технология помогает точно зафиксировать существующие данные, но не заменяет научного обоснования реставрационного решения.
Как проходит лазерное сканирование объекта перед реставрацией
Состав работ зависит от размеров и сложности здания, но общий процесс можно разделить на несколько этапов.
1. Определение задачи
Сначала необходимо понять, для чего выполняется сканирование.
Это может быть:
- общий архитектурный обмер;
- фиксация фасадов;
- обследование интерьеров;
- съёмка отдельных конструкций;
- подготовка данных для 3D-модели;
- мониторинг деформаций;
- фиксация состояния перед реставрацией.
От задачи зависит требуемая детализация и организация съёмки.
2. Планирование позиций сканирования
Лазерный луч фиксирует только поверхности, которые доступны с конкретной позиции сканера.
Поэтому одного скана для сложного здания практически всегда недостаточно.
Оборудование последовательно переставляют так, чтобы отдельные зоны перекрывались между собой.
Это помогает получить данные о:
- разных сторонах колонн;
- нишах;
- углах помещений;
- сложной поверхности фасада;
- лестничных пространствах;
- коридорах и смежных помещениях.
3. Полевое сканирование
С выбранных позиций выполняется сбор пространственных данных.
Одновременно может проводиться фотографическая фиксация для последующей работы с изображением поверхности.
4. Регистрация сканов
Отдельные облака точек необходимо объединить.
Этот процесс называют регистрацией или сшивкой сканов.
В результате формируется единая пространственная модель здания или исследуемого участка.
5. Очистка и обработка данных
В полученный массив могут попасть временные и посторонние объекты:
- люди;
- автомобили;
- строительное оборудование;
- мебель;
- растительность.
В зависимости от задачи данные очищаются и подготавливаются к дальнейшему использованию.
6. Подготовка чертежей и моделей
На основе обработанного облака точек специалисты создают необходимые материалы для исследований и проектирования.
Лазерное сканирование и обмерные чертежи
Для реставрации особенно важно иметь точные обмеры.
По облаку точек можно подготовить ортогональные виды здания и использовать их как основу для вычерчивания:
- планов;
- фасадов;
- разрезов;
- деталей.
Это существенно отличается от обычного фотографирования.
Фотография передаёт визуальный облик объекта, тогда как пространственные данные позволяют работать непосредственно с его геометрией.
Лазерное сканирование и фотограмметрия: в чём разница
При исследовании исторических зданий часто используются сразу две технологии.
Лазерное сканирование получает пространственные координаты поверхности непосредственно при помощи измерительного оборудования.
Фотограмметрия восстанавливает форму объекта на основе серии перекрывающихся фотографий, сделанных с разных ракурсов.
Обе технологии позволяют создавать облака точек и трёхмерные модели, но имеют разные особенности.
Фотограмметрия особенно удобна для:
- получения детальных текстур поверхности;
- фиксации фасадов;
- работы с отдельными декоративными элементами;
- аэросъёмки при помощи БПЛА.
Лазерное сканирование особенно ценно для точной пространственной фиксации сложного объекта.
На практике методы часто объединяют.
Зачем объединять наземное сканирование и съёмку с дрона
У наземного лазерного сканера есть естественное ограничение — он не может корректно зафиксировать поверхность, которая не видна с доступных позиций.
Например, с земли могут быть плохо доступны:
- скаты кровли;
- верхние части башен;
- купола;
- отдельные карнизы;
- участки сложной кровельной системы.
Для таких зон может использоваться фотограмметрическая съёмка с беспилотного летательного аппарата.
В результате данные наземного сканирования и аэрофотосъёмки объединяются, чтобы получить более полное цифровое представление объекта.
Что такое цифровой двойник исторического здания
Облако точек часто называют цифровым двойником, но технически это не совсем точно.
Сканирование создаёт подробную пространственную фиксацию объекта.
На её основе уже может быть построена информационная модель, содержащая не только геометрию, но и сведения о:
- конструкциях;
- материалах;
- архитектурных элементах;
- выявленных повреждениях;
- результатах исследований;
- проектных решениях;
- проведённых реставрационных мероприятиях.
В сфере исторической архитектуры для этого также используется концепция HBIM — информационного моделирования исторических зданий.
Такая модель может служить единой цифровой средой для проектировщиков, архитекторов, инженеров и других специалистов.
Лазерное сканирование при мониторинге объекта
Ещё одно важное направление — повторная фиксация здания.
Если объект сканируется несколько раз через определённые промежутки времени, пространственные модели можно сопоставить.
Это позволяет исследовать, изменилось ли положение или геометрия определённых конструкций.
Например, сравнение может помочь обнаружить:
- изменение наклона поверхности;
- прогрессирование прогиба;
- смещение крупного элемента;
- изменение геометрии участка конструкции.
Однако интерпретировать такие изменения должен специалист. Сам факт обнаруженного смещения ещё не объясняет его причину.
Сканирование до, во время и после реставрации
Цифровую фиксацию необязательно выполнять только перед проектированием.
Для сложного памятника могут быть полезны несколько этапов.
До начала реставрации фиксируется исходное состояние.
Во время работ можно документировать конструкции и элементы, которые после завершения последующих операций окажутся закрытыми.
После реставрации создаётся цифровая фиксация результата.
В дальнейшем эти материалы могут использоваться при эксплуатации и мониторинге памятника.
Так формируется цифровая история изменения объекта.
Как сканирование помогает уменьшить ошибки при проектировании
В реставрации ошибка исходного размера может повлиять на множество последующих решений.
Если проектировщик работает с упрощённым или устаревшим планом, проблемы могут обнаружиться уже непосредственно на объекте.
Точная пространственная съёмка позволяет заранее увидеть реальную геометрию и уменьшить количество таких несоответствий.
Особенно это важно при проектировании:
- реставрации фасадов;
- кровель;
- сложных интерьеров;
- лестниц;
- приспособления существующих помещений;
- новых инженерных коммуникаций в историческом здании.
Но сканирование снижает риск именно ошибок, связанных с исходной геометрией, а не исключает любые проектные ошибки вообще.
Можно ли проводить реставрацию только по результатам 3D-сканирования
Нет.
Лазерное сканирование является только одним из источников исходных данных.
Для разработки научно обоснованных реставрационных решений могут потребоваться:
- историко-архивные исследования;
- архитектурные исследования;
- натурное обследование;
- инженерно-технические исследования;
- лабораторные исследования материалов;
- археологические исследования;
- фотофиксация;
- анализ предмета охраны;
- другие работы в зависимости от особенностей памятника.
Геометрически точная модель не отвечает автоматически на вопрос, какие элементы обладают историко-культурной ценностью, что является поздней переделкой и какое реставрационное решение будет обоснованным.
Эти вопросы решаются специалистами по результатам комплекса исследований.
Как лазерное сканирование связано с реставрацией ОКН
В процессе работ данные сканирования проходят несколько этапов:
- Фиксируется существующее состояние объекта.
- Полученная геометрия используется при подготовке обмерных материалов.
- Результаты сопоставляются с архивными и натурными исследованиями.
- На основании комплекса исходных данных разрабатываются проектные решения.
- В ходе реставрации цифровые материалы могут использоваться для контроля отдельных параметров.
- После выполнения работ возможно повторное сканирование и фиксация результата.
То есть технология не заменяет реставрационный процесс, а делает его информационную основу значительно более подробной.
Подробнее о полном комплексе работ можно узнать на странице реставрация объектов культурного наследия.
Какие ограничения есть у лазерного сканирования
Несмотря на возможности технологии, у неё существуют объективные ограничения.
Сканер фиксирует только видимые поверхности
Предмет, расположенный за стеной или другим препятствием, обычным лазерным сканированием не фиксируется.
Возможны теневые зоны
Колонны, мебель, архитектурные выступы и другие элементы могут закрывать часть поверхности. Поэтому требуется правильно планировать позиции оборудования.
Большой объём данных требует профессиональной обработки
Само получение облака точек ещё не означает наличие готового проекта. Необходима регистрация, очистка, контроль и интерпретация данных.
Метод не определяет свойства материала
Для исследования прочности, состава и внутреннего состояния конструкции применяются другие методы.
Точность зависит от задачи и технологии выполнения работ
Нет универсального значения точности «лазерного сканирования вообще». Результат зависит от оборудования, расстояния до объекта, схемы съёмки, параметров обработки и требуемой детализации.
Почему цифровая фиксация особенно важна для объекта культурного наследия
Историческое здание уникально.
Если современный типовой элемент можно изготовить повторно по заводской документации, у памятника отдельная колонна, фрагмент лепнины, участок кладки или историческая конструкция могут существовать в единственном экземпляре.
Поэтому подробная фиксация фактического состояния имеет самостоятельную ценность.
Даже если сканирование выполнялось прежде всего для текущего проекта, сохранённые материалы в дальнейшем могут использоваться при:
- следующем обследовании;
- мониторинге;
- подготовке ремонтных мероприятий;
- исследовании произошедших изменений;
- последующих реставрационных работах.
Когда лазерное сканирование особенно полезно
Технологию целесообразно рассматривать в первую очередь для объектов:
- со сложной архитектурной геометрией;
- с большим количеством декора;
- имеющих значительные деформации;
- не обеспеченных актуальными обмерными чертежами;
- многократно перестраивавшихся;
- имеющих сложные интерьеры и своды;
- требующих подробной цифровой фиксации;
- для которых планируется последующий мониторинг.
Но необходимость и требуемая детализация сканирования должны определяться задачами конкретного проекта.
Традиционные исследования или лазерное сканирование: что выбрать
Выбирать между ними в большинстве случаев не требуется.
Современный подход заключается в сочетании методов.
Лазерный сканер хорошо фиксирует геометрию. Фотография показывает состояние поверхности. Архивные документы раскрывают историю здания. Инженерное обследование помогает определить состояние конструкций. Исследования материалов позволяют установить их состав и характеристики.
Каждый метод отвечает на собственную группу вопросов.
Именно объединение полученной информации позволяет сформировать достоверное представление об объекте.
Итог
Лазерное сканирование значительно расширило возможности архитектурных обмеров и цифрового документирования объектов культурного наследия.
Главное преимущество технологии заключается в возможности получить подробную пространственную фиксацию фактической геометрии исторического здания: фасадов, помещений, конструкций и сложных архитектурных элементов.
На основе облака точек можно создавать планы, фасады, разрезы, обмерные чертежи и трёхмерные модели, анализировать геометрические деформации и сравнивать состояние объекта в разные периоды.
Но лазерный сканер не определяет историческую ценность элементов, не выявляет автоматически все скрытые повреждения и не принимает реставрационных решений. Для этого необходимы архивные, натурные, инженерные, технологические и другие исследования.
Поэтому наибольшую ценность лазерное сканирование приобретает не как замена традиционной реставрационной школы, а как точный цифровой инструмент в руках специалистов.
Комплексный подход — от обследований и разработки документации до выполнения реставрационных работ на объектах культурного наследия — позволяет сочетать современные методы фиксации с профессиональными принципами сохранения исторической архитектуры.
Другие направления исследований, проектирования, консервации и реставрации представлены в разделе работы с объектами культурного наследия.