190020, г. Санкт-Петербург, Старо-Петергофский пр., 44

Оптимизация измерений, документирования и мониторинга трещин методами фотограмметрии

Видеоматериалы 22-02-2024, 08:22 23    Распечатать

Видео с докладом сотрудника ООО «НПП «Фотограмметрия» НАЗАРОВА Романа Алексеевича, инженера-фотограмметриста «Оптимизация измерений, документирования и мониторинга трещин методами фотограмметрии» в рамках XII научно-практическая конференции ОБСЛЕДОВАНИЕ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ: ПРОБЛЕМЫ И ПУТИ ИХ РЕШЕНИЯ, проходившей 10-11 Ноября 2022 года в Конференц-зале отеля Введенский, Санкт-Петербург.

Вторая часть доклада (на временной шкале ролика - с 4:57) – это измерение и картографирование трещин с использованием методов фотограмметрии.

Картографирование трещин - одна из важных задач при обследовании зданий и сооружений. Для этих целей используют самые разные приборы: от самых простых, таких как шкалы, линейки, микрометры оптические или цифровые до высокоточных геодезических приборов и систем на базе этих приборов, которые позволяют не только измерить ширину трещины, но и определить координаты и, таким образом, выполнить съемку. И как итог – сделать карту трещин.

Доклад - измерение и картографирование трещин


Но даже самые совершенные из этих приборов предполагает в общем-то довольно таки большую рутинную (ручную полевую работу) специалиста, который должен стоять за прибором, выполнять измерения, находить эти трещины, глядя в трубу и тратить на это многие часы. На наш взгляд, перспективным является использование для решения этой задачи методов фотограмметрии. Сегодня, благодаря развитию средств съемки и уровню развития программного обеспечения, даже имея сравнительно небольшой уровень знаний по фотограмметрии, можно вполне качественно выполнить съемку, построить модель, построить ортофотоплан (метрическое ортогональное изображение) интересующего объекта. То есть изображение, по которому можно составить чертеж или построить карту трещин методом векторизации. Эти трещины, конечно, будут видны, как и видны другие элементы и дефекты на фасаде.

Доклад - измерение и картографирование трещин методами фотограмметрии


Если мы говорим об измерениях трещины (её раскрытия), то здесь стоит более сложная задача. Да, мы видим, что трещины, которые имеют ширину выше разрешения съемки (трещина явно в несколько раз шире, чем цена пикселя разрешения ортофотоплана), и мы видим много других трещин, которые более такие блеклые. Они Видны, их можно нарисовать. Но ширину трещины померить нельзя, поскольку ширина трещины больше разрешения съемки и нам представляется актуальная задача разработки методов измерения таких трещин, которые реализуют пиксельную точность, используя для этого специальные методы обработки изображений.

Над этим работаем уже несколько лет и самые важные результаты доложит мой коллега Назарова Роман Алексеевич. (на временной шкале ролика - с 7:50)

В ходе наших исследований по вопросу измерений и картографирования трещин нами были разработаны два метода измерения ширины раскрытия трещин по ортофотопланам и в рамках сегодняшнего доклада мы их, собственно, и представляем.

Давайте перейдем к рассмотрению первого метода. Для этого обратимся к слайду, где размещен фрагмент ортофотоплана фасада с трещиной. В полевых условиях наиболее простым и в то же время надежным методом измерения ширины раскрытия трещины является применение шкалы с линиями разной толщины. Однако, если у нас есть ортофотоплан, то ничто нам не мешает наложить на него виртуальную шкалу и проводить измерения по ней. Для этого виртуальную шкалу нужно подстроить под разрешение ортофотоплана, после чего ее можно перемещать, вращать. Шкала обладает прозрачным фоном, за счет чего можно проводить равноточные измерения на разных участках изображения, а также за счет того, что шкала виртуальная, можно нанести штрихи с любым шагом толщины. За счет чего реализуется субпиксельная точность таких измерений.

Доклад - использование виртуальной шкалы для измерения ширины открытия трещин


На данном слайде продемонстрированы наглядные измерения и, в целом, они ничем не отличаются от аналогичного процесса на реальном объекте в реальном мире. Так сказать, все также необходимо сравнивать трещину с линиями шкалы. Однако, есть одна существенная разница - в случае использования виртуальной шкалы эти измерения происходят при камеральной обработке, где-нибудь в теплом офисе, а не в полевых условиях, непосредственно на объекте.

На данном слайде продемонстрированные нюансы работы с виртуальной шкалой в случае, если ширина раскрытия трещины больше пространственного разрешения этот случай представлен слева, то необходимо сравнивать именно ширину линии с шириной трещины, то есть такой классический аналоговый вариант. В ином случае, если ширина раскрытия меньше пространственного разрешения, то наша трещина на ортофотоплане будет представлена линии толщиной в 1-2 пикселя, и в таком случае необходимо сравнивать цвет трещины с цветами линии шкалы. За счет подробности шкалы, которая может быть практически любая, данные измерения можно производить с высокой точностью.

Помимо ручных наглядных измерений данный метод также можно и автоматизировать. На слайде представлена формула, которая в сущности представляет собой широко известную формулу линейной интерполяции, то есть ширина раскрытия трещины определяется по известным значениям ширины штрихов и сумме интенсивности пикселей. По сути по сумме цветов.

Доклад - интерполяционный метод измерения ширины раскрытия трещин


Для того, чтобы не быть голословным, давайте сравним виртуальную и физическую шкалу. На снимке слева сверху представлена виртуальная шкала, снизу – физическая. Как видно, они в общем-то идентичные и виртуальная школа даже более приспособлена для измерений, поскольку полностью избавлена от искажений фона. Это подтверждается и измерениями, данные которых представлены в таблице справа на слайде. Максимальная ошибка по виртуальной шкале составила 0,1 мм, аналогичный показатель по физической шкале - 0,15.

Перейдем к основным преимуществам использования виртуальной шкалы.

Первое – это, конечно, полная бесконтактность метода, то есть для наложения виртуальной шкалы нет необходимости физически взаимодействовать с поверхностью. Помимо банального удобства это также может помочь в определении ширины раскрытия в труднодоступных местах.

Второе - автоматизация измерений. Основная идея автоматизации на основе интерполяции была представлена ранее. Скажу, что работа по созданию программного продукта активно ведется и об этом я еще напомню чуть позже.

Третье - наглядность измерений. Это одна из ключевых особенностей данного метода.
Процесс измерений нагляден, понятен. Что делает этот метод более простым и привлекательным для применения.

Четвертое – точность. Согласно предварительным исследованиям, выполнять измерения можно с точностью одна десятая миллиметра. Здесь небольшая ремарка - вообще говоря, точность зависит от разрешения ортофотоплана.
Однако, в настоящее время действительно доступными методами можно получать ортофотопланы достаточного качества, чтобы измерения по ним выполнялись с такой точностью.

Пятое, последнее из списка, но не последнее по значению преимущество - это ускорение полевых работ. Поскольку время, затрачиваемое на съемку гораздо меньше, чем время, которое необходимо для того, чтобы вручную в полях измерить все эти параметры ширины раскрытия трещины. Плюс по ортофотоплану можно получать не только раскрытие, а еще длину трещины в целом.

Доклад - абсолютный метод измерения ширины раскрытия трещин по ортофотоплану


Теперь перейдем к второму методу, который мы разработали.
Это абсолютный метод измерения ширины раскрытия по ортофотопланам. На слайде представлены схожие по ширине раскрытия трещины на разных объектах. Если проанализировать, чем одна отличается от другой, то можно выделить три фактора: первое - это цвет трещины (он и там и там близок к черному, но все-таки немножко отличается), второе – это цвет фона, и третье - это разрешение.

Соответственно, ширина раскрытия зависит от этих трех переменных, и наша задача, в общем-то, была в том, чтобы найти эту зависимость. И она была найдена и представлена на слайде в виде такой вот незамысловатой формулы. Таким образом получив лишь ортофотоплан, мы можем измерять ширину раскрытия трещин, но при этом без какой-либо интерполяции. Поэтому метод и был обозначен, как абсолютный. В большинстве случаев, когда есть какая-либо формула, то процесс можно автоматизировать и данный метод не стал исключением. Работа по созданию программного продукта, как и в случае с виртуальной шкалой, активно ведется и ведется она в рамках разработки плагина для Cad программ. Поскольку CAD программы являются наиболее удобной платформой для создания системы дефектов, мы подумали, что было бы здорово иметь оба инструмента и виртуальную шкалу и абсолютный метод. Именно внутри CAD программ. Таким образом мы избегаем перегонки данных из одной программы в другую.

Для подготовки к измерениям ширины раскрытия трещины необходимо лишь указание участков фоновой поверхности и цвета трещины. При этом расчет ширины раскрытия осуществляется автоматически по отвекторизованным в CAD линиям трещин. А результаты (в случае автоматических измерений) сразу наносятся на чертеж и пользователю остается только оформить их в соответствии с необходимыми ему требованиями.

Для примера нами было проведена съемка фасада. По результатам съемки был построен ортофотоплан, который представлен на слайде. Дальше в CAD программе с помощью тех инструментов, которые мы сегодня представили, была создана такая схема дефектов.



Итак, основные преимущества абсолютного метода (они во многом перекликаются с методом виртуальной шкалы, поэтому буду более краток):
первое - полная бесконтактность метода, в данном случае, еще и виртуальная бесконтактность, т.е. нам ничего не нужно накладывать на ортофотоплан,
второе – это автоматизация измерений (для абсолютно метода автоматические измерения - это, в общем, только автоматические измерения), третье - это высокая точность (также по предварительным исследованиям точность составляет одну десятую миллиметра с точно такой же оговоркой, как и для виртуальной шкалы),
четвертое - ускорение полевых работ, собственно, по той же самой причине, что съемка проводится быстрее, чем ширина раскрытия трещины измеряется вручную,
пятое преимущество - это внедрение в КАД, что делает использование этого метода (и виртуальной шкалы тоже) более удобной при камеральной обработке.

Давайте подведем основные выводы из всего нашего доклада.
В рамках доклада была представлена номенклатура систем и устройств для мониторинга трещин, которые производит и реализует наша компания. Прежде всего, это автоматизированные фотограмметрические системы - фотомикрометр 3D и фотощелемер 1d /2d, которые уже успешно функционируют и доступны к заказу, а также маяки-щелимеры МЩ-1D и МЩ-2D для визуальных наблюдений.

В рамках доклада также были представлены два метода измерения ширины раскрытия трещин по ортофотопланам – метод виртуальной шкалы и абсолютный метод. Оба метода являются бесконтактными и позволяют выполнять измерения дистанционно в камеральных условиях с субпиксельной точностью только по ортофотоплану. Рассмотренные методы могут быть реализованы в качестве плагина в CAD-программах. В настоящее время ведутся активные работы по разработке такого продукта. Мы достаточно далеко в этом продвинулись. Я надеюсь, что в ближайшее время завершим и представим уже готовые решения.
Спасибо за внимание.

Доклад - измерение и картографирование трещин методами фотограмметрии - вопросы


Вопрос:
Если идет обработка пикселей в зависимости от цвета, а в данном случае мы видим, что в районе 7
миллиметров там явно скол штукатурки, то просто не может ли у нас быть погрешности, связанной с косметическими дефектами?
Ответ:
для подготовки к измерениям нам необходимо указание цвета трещины. На ортофотоплане это должна быть
максимально черная трещина, т.е. найти фрагмент на ортофотоплане с максимальным раскрытием трещины – так измерения будут более точны.

Вопрос:
На представленном отрофотоплане с отрисованными трещинами, вы дополнительно проверяли «ручным методом» (в доступной для этого зоне 1 этажа) сходимость результатов?
Ответ:
Безусловно.

Вопрос:
На вашем примере очень идеальные условия - равномерно одного цвета стена, тёмного цвета трещина. А проверяли ли вы возможность вашего метода, например, на стене подобной той что у вас за спиной (кирпичная кладка)? На не окрашенном, на не отделанном железобетоне, который имеет свою текстуру и на нем гораздо труднее определить трещина это или это грязь/подтёк?
Ответ:
Если обратить внимание, то снизу все-таки и сверху это немножко разные цвета. Вот в этом плане метод работает. Если будет совсем черная стена, то и на ней, в общем-то, просто не будет видно трещины и, конечно, метод не будет работать. Но часто ли встречаются такие стены?
Конечно шум, который - неоднородность фона, он влияет, безусловно, но у нас помимо скажем так точности есть еще статистическая возможность увеличить выборку, то есть мы можем взять какой-то участок этой трещины, где будет представлен этот шум и просто усреднить. Это один из способов учета подобного шума.

Но это будет уже не автоматически? это надо мануально делать, правильно?

Нет, это автоматизировано.

Вопрос:
Очень интересна виртуальная линейка, но, если мы имеем квадрокоптер, то что с разрешением и пикселями снимка? Мы можем использовать? Нужен какой-то градуированный элемент, чтобы находился в кадре?
Ответ:
При создании ортофотоплана получается известный размер пикселя по всей площади (это метрическое изображение) и в CAD-программу ортофотоплан помещается в определенном масштабе. Линейка (виртуальная шкала) накладывается в программе автоматически.


Вопрос:
В докладе говорили про измерение ширины трещины исходя из цвета. У меня большой вопрос, потому что цветность фотографии - тема очень скользкая, зависимость от освещения, от параметров атмосферы, от дальности съемки и так далее. То есть в том числе и цвет поверхности, которая непосредственно рядом находится.
Ответ:
Поскольку виртуальная шкала именно виртуальная, то мы можем заменить цвет: абсолютно черный цвет, который по шкале RGB 0, мы можем заменить его на цвет трещины. Собственно, это тоже реализовано программно. Просто пока программный продукт не представлен, поскольку он находится в стадии доработки. То есть это решается по принципу, чтобы цвет линии на шкале был точно таким в цвет трещины на ортофотоплане. Это приводит к тому, что измерение выполняется более точно и нет вот этой погрешности за разность цвета при разных условиях.



#PhotoMicrometer #мониторингтрещин #щелемер #видео #доклад #фотомикрометр #обследованиезданий #фотограмметрия #технологии #мониторинг #мониторингзданий #ортофотоплан

ПОХОЖИЕ ПУБЛИКАЦИИ

ГОСТ 31937-2011 Правила обследования и мониторинга технического состояния здания или сооружения

Появление трещин или деформационных швов — событие не закономерное, а свидетельствующее о возникновении проблем при эксплуатации здания или сооружения. Наличие трещины на здании не может быть проигнорировано специалистом по обслуживанию и надзору за состоянием строительного объекта. За любым...

Разработка стационарных высокоточных фотограмметрических систем мониторинга инженерных сооружений

Видео с докладом по теме «Разработка стационарных высокоточных фотограмметрических систем мониторинга инженерных сооружений» на XIII Конференции 2023 "Обследование зданий и сооружений: проблемы и пути их решения" Санкт-Петербург. В докладе представлен опыт применения методов...

Щелемер. Приспособление для измерения величины развития трещин на здании или сооружении

Щелемером называют приспособление для измерения величины развития трещины (или деформационного шва) на здании, сооружении или другой строительной конструкции по трем направлениям (трем координатным осям). При обследовании строительных конструкций наиболее ответственным этапом является изучение...

Разработка — А.Войнаровский, А.Леонтьева. Copyright © 2015-2023 «НПП «Фотограмметрия». Все права защищены.