Методы фотограмметрии в решении задач мониторинга за деформациями зданий и сооружений
Видеоматериалы 21-03-2024, 07:45 20 Распечатать
Фотограмметрия, как известно, - это наука, которая занимается изучением пространственных характеристик объектов и явлений по их фотоизображениям. Кто-то сказал, что снимок - это остановленное время. И, вероятно, поэтому методы фотограмметрии находят широкое применение в самых разных областях: от астрономии до медицины, от машиностроения до картографии, строительства и архитектуры.
Цель моего доклада – показать основные возможности современных методов цифровой фотограмметрии для решения задач мониторинга деформации здания и сооружений, сравнить их с существующими методами, и представить некоторые новые наши разработки в этой области.
На слайде показаны приборы, которые сегодня наиболее часто применяются для мониторинга деформаций. Это прежде всего геодезические приборы, и это различные типы датчиков линейных и угловых перемещений. Несмотря на различие в конструкциях, назначении и возможностях, эти приборы имеют одно общее качество - одномоментно любой из них может измерить положение только одной точки, либо выполнить какой-то один пример, что в общем-то затрудняет исследования «быстрых» деформаций, т.е. деформаций объектов, которые испытывают довольно значительные деформации за короткое время. Сегодня мы можем это наблюдать на разных объектах - это прежде всего мосты, разные гидротехнические сооружения, это объекты транспорта, промышленности, нефтяные платформы. И все эти объекты испытывают переменные нагрузки воды, ветра, гравитации. Для эмпирического описания деформаций подобных объектов необходимо отслеживать одномоментно десятки (иногда сотни) точек. Вот в таких случаях, конечно, эффективным будет применение, как раз методов фотограмметрии.
На следующем слайде показаны приборы фотограмметрического мониторинга. Это различные фото и видеокамеры, причем могут использоваться специальные камеры, разработанные для применения в промышленности, так и, в общем-то, обычные фотоаппараты, которые можно купить фотомагазине. В любом случае перед тем как использовать камеру для мониторинга, она должна пройти процедуру фотограмметрической калибровки.
На следующем слайде показана схема получения снимка в центральной проекции. Если кратко пояснять, то здесь любая точка изображения получается проецированием луча проектирующего луча, проходящего через объектив. Здесь важно, чтобы луч, проходя оптическую систему, не менял своего направления. На практике же всегда есть эти изменения, и мы сталкиваемся с таким понятием как дисторсия. Это, собственно, основная задача калибровки - фотографирование тест полигона и измерении марок этого полигона, координаты которых мы знаем заранее так
или иначе, и вычислении отклонений положения марок реального и того, которое должно быть в центральной проекции. Эти отклонения аппроксимируются обычно полиномами и уже по коэффициентам найденных полиномов, мы можем найти поправки в любую точку изображения. И, таким образом, камера превращается в измерительный инструмент.
На следующих слайдах показаны некоторые основные уравнения фотограмметрии – это связь геодезических координат объектов и координат соответствующих точек на снимке. Следующее уравнение представляет так называемое прямое решение, то есть прямой метод, при котором мы по изображением по координатам точек на снимке находим геодезические координаты точек объекта. Конечно, если у нас есть только один снимок, то есть определенные ограничения. В большинстве случаев, мы можем найти только две координаты. Далее - формула стереофотографического метода, когда используется пара снимков (или большее число) мы можем найти пространственные характеристики любой точки и, более того, воссоздать трехмерную модель объекта, изображение которого попало на снимки. Увеличение числа снимков до 3-4-5 только повышает точность и надежность этих определений.
Все эти возможности и многие другие реализованы в высокоточной измерительной системе Омега, которое наше предприятие разрабатывают уже скоро 4 года. Система позволяет выполнять полный Комплекс фотограмметрических задач, связанных с определением координат точек в пространстве и обрабатывает, том числе, временные ряды снимка и вычислять деформации.
Для иллюстрации возможностей системы представлю несколько объектов – это судопропускное сооружение C1 комплекса защитных сооружений Санкт-Петербурга от наводнений (это южнее Кронштадта). Это судоходный канал, который может быть перекрыт двумя ботапортами, описать который можно как большой плавающий корабль, выполненный в виде дуги размером больше 100 метров, который рамой прикреплен к шарнирному соединению с бетонным основанием. Конструкция плавает и приводится в движение электровозом, который идет по рельсам и толкает ботапорт. Если надо перекрыть канал, два электровоза выталкивает Ботапорты навстречу друг другу и здесь они набирают внутрь воду и затапливаются. Таким образом преграждая путь воде из Финского залива. Естественно, что такое сооружение испытывает постоянные изменения в геометрии, постоянные деформации и, в общем-то, опыт использования подобных сооружений в мире вообще крайне мал. Насколько мне известно, их всего два - наш и в Голландии.
Наша задача была, как раз, оценить эти деформации. Высокоточные измерения, в том числе в фотограмметрии, возможны, в общем-то, только по маркам, и объект был уклеен марками, которые представляют собой такие окружности. Используя специальные алгоритмы, мы можем определить центр такой окружности с точностью, по крайней мере, две сотых пикселя: на удалении 100 метров разрешение съемки составляет примерно 2 сантиметра и в этом случае точность определения марки будет пол миллиметра. Можно оценить точностные возможности метода, если перевести это на углы, то это будет менее 1 угловой секунды, что соответствует точностям самых точных геодезических приборов.
…
Позвольте я перейду к следующей части доклада, связана с мониторингом трещин, то есть наблюдением за трещинами.
Здесь приведен слайд из рекламного плаката известной системы cumonas: швейцарско - японская разработка - картографирование наблюдений за трещинами. Она состоит из тахеометра, в трубу которого встроена шкала для измерения ширины раскрытия трещины и специальное программное обеспечение. Геодезист наблюдает, координирует разные участки трещины и подбирает после измерений штрих, который по его мнению соответствует ширине раскрытия, и вводит номер штриха в память прибора. Программа же дальше по дальности и по номеру штриха вычисляет ширину реальную и составляет схему / карту трещин.
Интересная система, насколько я слышал, отзывы хорошие о работе. Безусловно, если бы шкалы не было (ноу-хау здесь – шкала), то раза в два-три, наверное, больше времени понадобилось для измерения просто тахеометром. Но, тем не менее, если трещин много, то это довольно затруднительная и тяжелая работа. И в этой связи мы предложили другой подход. Это сочетание методов лазерного сканирования и фотографической съемки, когда используется три прибора - собственно, лазерный сканер, фото камера с телеобъективом и автоматическая панорамная головка, которая позволяет выполнять съемку в автоматическом режиме. Чтобы координировать трещины нужно получать множество снимков с высоким разрешением и, конечно, для этого собственно и используется автоматизированные устройства, которые могут устанавливаться, как на место установки сканера или рядом. Обратите внимание на фасад здание. Обработка выполняется тоже в программе нашей разработки ScanImager. Программа, которая предназначена для обработки данных сканирования и данных фотограмметрической съемки. Она может это делать совместно и получать материалы, учитывающие достоинства и одного и другого метода.
На следующем слайде показан ортофотоплан фасада, который выполнен с разрешением 2 десятых миллиметра. Чтобы оценить это разрешение: расстояние между двумя кирпичами тут не превышает сантиметра. Трещин пока особенно не видим, приближаясь можем наблюдать уже трещины. Её ширина - 2 мм и, в общем-то, на оригинальном разрешении здесь примерно 10 пикселей. Это далеко не предел, то есть выполнив такую съемку, которая выполняется автоматически и далее проведя обработку, которая тоже выполняется автоматически, мы получаем вот такого качества документ, который можно открыть на компьютере и там отследить эти трещины – измерить, составить дефектные ведомости и тому подобное документы.
И представляю вашему вниманию нашу последнюю разработку.
Для мониторинг за величиной раскрытия трещин существуют и широко применяются разные приборы - обычные гипсовые маяки, которые лишь сигнализируют о росте трещины, это шкаловые маяки, которые позволяют уже измерять динамику, и это электронные приборы, которые позволяют это делать более точно и дистанционно. Безусловно, если электронные приборы имеют ряд преимуществ по качеству, то в случае, когда этих маяков надо поставить много, то получается довольно накладно.
Специально для такого рода задач, у нас есть решение, которое проходит последние испытания, - это фотограмметрический щелемер. Это устройство состоит из двух пластин, которые устанавливаются по разные стороны от трещины. В одной пластине просверлены отверстия, в которой видны выступы из другой пластины. И там и там наклеены марки. Идея метода заключается в том, что эксплуатационщик просто фотографирует это изделие, которое установлено на трещине, причем не важно внизу или наверху (под карнизом). Чтобы получить хорошее изображение фотоаппарат должен иметь возможность зуммирования и съемки с большим фокусным расстоянием. Дальнейшая вся обработка осуществляется автоматически: снимок открывается в программе, которая находит марки, калибрует сама снимок, что очень важно - координаты этих марок нам известны заранее, и вычисляет взаимное положение марок черных и белых. И в зависимости от раскрытия их взаимное положение будет меняться. Сравнивая с предыдущим этапом съемки мы можем оценивать динамику. Важной особенностью такого подхода является то, что в отличие от этих приборов, каждый из которых измеряет лишь одну величину раскрытия, здесь мы можем определить все шесть пространственных элементов, т.е. перемещение (раскрытия) в плоскости стены вверх-вниз, по удалению и три угла Эйлера, которые ориентируют систему относительно системы координат в данный момент.
Это устройство тестируется на таком тест-объекте, который закреплен на трехосном микрометре. Мы фотографируем разными камерами, с разных расстояний, моделируя соответствующие деформации. Получаем очень приличные результаты, в частности один из них с 10 метров камера Canon 600D объектив 400 миллиметров точность определения деформации плоскости стены - сотые миллиметра по удалению это 0,1-0,2 и угловые элементы - сотые и тысячные градусов.
О фундаментальных каких-то оценках, наверное, говорить рано, но результаты очень обнадеживают. Надеюсь, что в ближайшее время мы закончим тестирование и публикуем.
Позвольте подвести итоги:
надеюсь мне удалось показать, что методы фотограмметрии способны решать целый спектр задач при наблюдениях за деформациями. Важнейшим достоинством этих методов является возможность фиксировать неограниченные число визирных целей и отслеживать их перемещение, что важно, при
мониторинге быстро протекающих процессов. Также важным является то, что методы фотограмметрии способны обеспечить очень высокую точность при измерениях по маркам, которая соизмерима с точностью самых точных геодезических приборов. И также мне, надеюсь, удалось показать потенциал возможности методов наблюдения за трещинами.
Спасибо за внимание.
#PhotoMicrometer #мониторингтрещин #щелемер #видео #доклад #фотомикрометр #обследованиезданий #фотограмметрия #технологии #мониторинг #мониторингзданий
Цель моего доклада – показать основные возможности современных методов цифровой фотограмметрии для решения задач мониторинга деформации здания и сооружений, сравнить их с существующими методами, и представить некоторые новые наши разработки в этой области.
На слайде показаны приборы, которые сегодня наиболее часто применяются для мониторинга деформаций. Это прежде всего геодезические приборы, и это различные типы датчиков линейных и угловых перемещений. Несмотря на различие в конструкциях, назначении и возможностях, эти приборы имеют одно общее качество - одномоментно любой из них может измерить положение только одной точки, либо выполнить какой-то один пример, что в общем-то затрудняет исследования «быстрых» деформаций, т.е. деформаций объектов, которые испытывают довольно значительные деформации за короткое время. Сегодня мы можем это наблюдать на разных объектах - это прежде всего мосты, разные гидротехнические сооружения, это объекты транспорта, промышленности, нефтяные платформы. И все эти объекты испытывают переменные нагрузки воды, ветра, гравитации. Для эмпирического описания деформаций подобных объектов необходимо отслеживать одномоментно десятки (иногда сотни) точек. Вот в таких случаях, конечно, эффективным будет применение, как раз методов фотограмметрии.
На следующем слайде показаны приборы фотограмметрического мониторинга. Это различные фото и видеокамеры, причем могут использоваться специальные камеры, разработанные для применения в промышленности, так и, в общем-то, обычные фотоаппараты, которые можно купить фотомагазине. В любом случае перед тем как использовать камеру для мониторинга, она должна пройти процедуру фотограмметрической калибровки.
На следующем слайде показана схема получения снимка в центральной проекции. Если кратко пояснять, то здесь любая точка изображения получается проецированием луча проектирующего луча, проходящего через объектив. Здесь важно, чтобы луч, проходя оптическую систему, не менял своего направления. На практике же всегда есть эти изменения, и мы сталкиваемся с таким понятием как дисторсия. Это, собственно, основная задача калибровки - фотографирование тест полигона и измерении марок этого полигона, координаты которых мы знаем заранее так
или иначе, и вычислении отклонений положения марок реального и того, которое должно быть в центральной проекции. Эти отклонения аппроксимируются обычно полиномами и уже по коэффициентам найденных полиномов, мы можем найти поправки в любую точку изображения. И, таким образом, камера превращается в измерительный инструмент.
На следующих слайдах показаны некоторые основные уравнения фотограмметрии – это связь геодезических координат объектов и координат соответствующих точек на снимке. Следующее уравнение представляет так называемое прямое решение, то есть прямой метод, при котором мы по изображением по координатам точек на снимке находим геодезические координаты точек объекта. Конечно, если у нас есть только один снимок, то есть определенные ограничения. В большинстве случаев, мы можем найти только две координаты. Далее - формула стереофотографического метода, когда используется пара снимков (или большее число) мы можем найти пространственные характеристики любой точки и, более того, воссоздать трехмерную модель объекта, изображение которого попало на снимки. Увеличение числа снимков до 3-4-5 только повышает точность и надежность этих определений.
Все эти возможности и многие другие реализованы в высокоточной измерительной системе Омега, которое наше предприятие разрабатывают уже скоро 4 года. Система позволяет выполнять полный Комплекс фотограмметрических задач, связанных с определением координат точек в пространстве и обрабатывает, том числе, временные ряды снимка и вычислять деформации.
Для иллюстрации возможностей системы представлю несколько объектов – это судопропускное сооружение C1 комплекса защитных сооружений Санкт-Петербурга от наводнений (это южнее Кронштадта). Это судоходный канал, который может быть перекрыт двумя ботапортами, описать который можно как большой плавающий корабль, выполненный в виде дуги размером больше 100 метров, который рамой прикреплен к шарнирному соединению с бетонным основанием. Конструкция плавает и приводится в движение электровозом, который идет по рельсам и толкает ботапорт. Если надо перекрыть канал, два электровоза выталкивает Ботапорты навстречу друг другу и здесь они набирают внутрь воду и затапливаются. Таким образом преграждая путь воде из Финского залива. Естественно, что такое сооружение испытывает постоянные изменения в геометрии, постоянные деформации и, в общем-то, опыт использования подобных сооружений в мире вообще крайне мал. Насколько мне известно, их всего два - наш и в Голландии.
Наша задача была, как раз, оценить эти деформации. Высокоточные измерения, в том числе в фотограмметрии, возможны, в общем-то, только по маркам, и объект был уклеен марками, которые представляют собой такие окружности. Используя специальные алгоритмы, мы можем определить центр такой окружности с точностью, по крайней мере, две сотых пикселя: на удалении 100 метров разрешение съемки составляет примерно 2 сантиметра и в этом случае точность определения марки будет пол миллиметра. Можно оценить точностные возможности метода, если перевести это на углы, то это будет менее 1 угловой секунды, что соответствует точностям самых точных геодезических приборов.
…
Позвольте я перейду к следующей части доклада, связана с мониторингом трещин, то есть наблюдением за трещинами.
Здесь приведен слайд из рекламного плаката известной системы cumonas: швейцарско - японская разработка - картографирование наблюдений за трещинами. Она состоит из тахеометра, в трубу которого встроена шкала для измерения ширины раскрытия трещины и специальное программное обеспечение. Геодезист наблюдает, координирует разные участки трещины и подбирает после измерений штрих, который по его мнению соответствует ширине раскрытия, и вводит номер штриха в память прибора. Программа же дальше по дальности и по номеру штриха вычисляет ширину реальную и составляет схему / карту трещин.
Интересная система, насколько я слышал, отзывы хорошие о работе. Безусловно, если бы шкалы не было (ноу-хау здесь – шкала), то раза в два-три, наверное, больше времени понадобилось для измерения просто тахеометром. Но, тем не менее, если трещин много, то это довольно затруднительная и тяжелая работа. И в этой связи мы предложили другой подход. Это сочетание методов лазерного сканирования и фотографической съемки, когда используется три прибора - собственно, лазерный сканер, фото камера с телеобъективом и автоматическая панорамная головка, которая позволяет выполнять съемку в автоматическом режиме. Чтобы координировать трещины нужно получать множество снимков с высоким разрешением и, конечно, для этого собственно и используется автоматизированные устройства, которые могут устанавливаться, как на место установки сканера или рядом. Обратите внимание на фасад здание. Обработка выполняется тоже в программе нашей разработки ScanImager. Программа, которая предназначена для обработки данных сканирования и данных фотограмметрической съемки. Она может это делать совместно и получать материалы, учитывающие достоинства и одного и другого метода.
На следующем слайде показан ортофотоплан фасада, который выполнен с разрешением 2 десятых миллиметра. Чтобы оценить это разрешение: расстояние между двумя кирпичами тут не превышает сантиметра. Трещин пока особенно не видим, приближаясь можем наблюдать уже трещины. Её ширина - 2 мм и, в общем-то, на оригинальном разрешении здесь примерно 10 пикселей. Это далеко не предел, то есть выполнив такую съемку, которая выполняется автоматически и далее проведя обработку, которая тоже выполняется автоматически, мы получаем вот такого качества документ, который можно открыть на компьютере и там отследить эти трещины – измерить, составить дефектные ведомости и тому подобное документы.
И представляю вашему вниманию нашу последнюю разработку.
Для мониторинг за величиной раскрытия трещин существуют и широко применяются разные приборы - обычные гипсовые маяки, которые лишь сигнализируют о росте трещины, это шкаловые маяки, которые позволяют уже измерять динамику, и это электронные приборы, которые позволяют это делать более точно и дистанционно. Безусловно, если электронные приборы имеют ряд преимуществ по качеству, то в случае, когда этих маяков надо поставить много, то получается довольно накладно.
Специально для такого рода задач, у нас есть решение, которое проходит последние испытания, - это фотограмметрический щелемер. Это устройство состоит из двух пластин, которые устанавливаются по разные стороны от трещины. В одной пластине просверлены отверстия, в которой видны выступы из другой пластины. И там и там наклеены марки. Идея метода заключается в том, что эксплуатационщик просто фотографирует это изделие, которое установлено на трещине, причем не важно внизу или наверху (под карнизом). Чтобы получить хорошее изображение фотоаппарат должен иметь возможность зуммирования и съемки с большим фокусным расстоянием. Дальнейшая вся обработка осуществляется автоматически: снимок открывается в программе, которая находит марки, калибрует сама снимок, что очень важно - координаты этих марок нам известны заранее, и вычисляет взаимное положение марок черных и белых. И в зависимости от раскрытия их взаимное положение будет меняться. Сравнивая с предыдущим этапом съемки мы можем оценивать динамику. Важной особенностью такого подхода является то, что в отличие от этих приборов, каждый из которых измеряет лишь одну величину раскрытия, здесь мы можем определить все шесть пространственных элементов, т.е. перемещение (раскрытия) в плоскости стены вверх-вниз, по удалению и три угла Эйлера, которые ориентируют систему относительно системы координат в данный момент.
Это устройство тестируется на таком тест-объекте, который закреплен на трехосном микрометре. Мы фотографируем разными камерами, с разных расстояний, моделируя соответствующие деформации. Получаем очень приличные результаты, в частности один из них с 10 метров камера Canon 600D объектив 400 миллиметров точность определения деформации плоскости стены - сотые миллиметра по удалению это 0,1-0,2 и угловые элементы - сотые и тысячные градусов.
О фундаментальных каких-то оценках, наверное, говорить рано, но результаты очень обнадеживают. Надеюсь, что в ближайшее время мы закончим тестирование и публикуем.
Позвольте подвести итоги:
надеюсь мне удалось показать, что методы фотограмметрии способны решать целый спектр задач при наблюдениях за деформациями. Важнейшим достоинством этих методов является возможность фиксировать неограниченные число визирных целей и отслеживать их перемещение, что важно, при
мониторинге быстро протекающих процессов. Также важным является то, что методы фотограмметрии способны обеспечить очень высокую точность при измерениях по маркам, которая соизмерима с точностью самых точных геодезических приборов. И также мне, надеюсь, удалось показать потенциал возможности методов наблюдения за трещинами.
Спасибо за внимание.
«Методы фотограмметрии в решении задач мониторинга за деформациями зданий и сооружений». ВОЙНАРОВСКИЙ Александр Евгеньевич, к.т.н., генеральный директор ООО «НПП «Фотограмметрия», доцент кафедры Картографии и геоинформатики, СПбГУ VI Научно-практическая конференция "Обследование зданий и сооружений: Проблемы и пути их решения" 15-16 октября 2015 года.
#PhotoMicrometer #мониторингтрещин #щелемер #видео #доклад #фотомикрометр #обследованиезданий #фотограмметрия #технологии #мониторинг #мониторингзданий