Технология получения информации о территории ландшафтного проектирования с использованием материалов аэрофотосъемки с беспилотных летательных аппаратов

но отметить, что интерьеры многих из приведенных в пример сооружений выполнены качественно и со вкусом и смотрятся актуально по сей день (например, Дом Музыки). Это значительно влияет на профессиональную оценку данных построек и общее отношение к ним. Сквозь призму времени зодчие наших дней признают дерзость и кураж архитектуры той эпохи. У нее бесспорно есть «лицо», почти каждое здание так или иначе обретает говорящее название, прочно входящее в культурный код москвичей. Эта архитектура уже является частью нашей истории, образцом пусть для кого-то неудачного, но смелого, громкого и потрясающего опыта, вызывающего споры и обсуждения по сей день.

Библиография:

1. Варламов И. 100 советов мэру / И. Варламов, М. Кац. - Москва: Альпина нон-фикшн, 2020. - 464 с. - ISBN 978-5-00139-255-2.

2. Витрувий. Десять книг об архитектуре / Витрувий; перевод Ф. А. Петровского. - Репринтное издание. - Москва: Архитектура-С, 2006. - 327 с.

3. Герасимов Ю. История архитектуры. Том 1 / Ю. Герасимов, Н. Годлевский, М. Зубова. - Москва: Архитектура-С, 2016. -488 с. - (Специальность «Архитектура»). - ISBN 978-5-96470270-2.

4. Гропиус, В. Круг тотальной архитектуры / Вальтер Гропиус; перевод А.С. Пинскера. - Москва: Ад Маргинем, 2017.

5. Парамонова, Д. Грибы, мутанты и другие: архитектура эры Лужкова / Даша Парамонова. - 3-е издание (электронное). - Москва: Стрелка Пресс, 2017. - 91 с. - ISBN 9785-906264-08-4.

6. Ревзин Г. Русская архитектура рубежа XX-XXI вв. / Г. Ревзин. -Москва: Новое издательство, 2013. - 530 с.: ил.

7. Эллард, К. Среда обитания: Как архитектура влияет на наше поведение и самочувствие / Колин Эллард; перевод А.М. Васильевой, Е.Б. Корюкиной. - Москва: Альпина Паблишер, 2020.

Т.Н. Скрыпицына, М.Р. Владимирова DOI: 10.24412/cl-35672-2021-1-0067

T.N. Skrypitsyna, M.R. Vladimirova

Технология получения информации о территории ландшафтного проектирования с использованием материалов аэрофотосъемки с беспилотных летательных аппаратов

Technology for Acquiring Information about a Landscape Design Area Using Aerial Survey Data from Unmanned Aerial Vehicles

Ключевые слова: BIM технологии, беспилотный летательный аппарат, цифровые модели рельефа, цифровые модели объектов, ландшафтное проектирование.

Keywords: BIM, UAV, digital terrain models, digital object models, landscape design.

Аннотация: В статье рассмотрена технология получения цифровой модели местности как совокупности пространственных данных о рельефе и объектах на земной поверхности по снимкам, полученным с беспилотных летательных аппаратов (БЛА). Показано, как по аэрофотоснимкам, полученным с квадрокоптера Phantom 4 Pro, была построена цифровая модель рельефа (ЦМР) и созданы трехмерные векторные обмерные чертежи архитектурного объекта. ЦМР и чертежи строились в единой системе координат. Это позволило сформировать общий трехмерный проект для дальнейшего проектирования.

Abstract: The article deals with the technology of producing a digital territory model as a set of spatial data on the terrain and objects on the earth's surface. Models are built from images obtained from unmanned aerial vehicles. It is shown how, based on aerial photographs obtained from the unmanned aerial vehicle Phantom 4 Pro, a digital elevation model (DEM) was built and three-dimensional vector dimensional drawings of an architectural object were created. DEM and drawings were built using a single coordinate system. This made it possible to form a general three-dimensional project for further design work in software systems used by architects.

В данной статье показан современный подход к формированию цифровой основы при проектировании объектов ландшафтной архитектуры и одновременно реконструкции существующей застройки. Медленный, но необратимый переход к подготовке архитектурно-строительных проектов в среде BIM также требует особых навыков, позволяющих получать необходимые данные максимально быстро и с наименьшими затратами [2, 7].

Обычно в основе проекта лежат материалы, полученные по результатам геодезических измерений и обмерных работ, выполненных на местности. Как правило, эти работы продолжительны и их материалы требуют

дополнительной обработки для создания полноценной цифровой модели местности и объектов. При этом трудозатраты возрастают с увеличением сложности рельефа и усложнением формы объекта. Топографические планы и обмерные чертежи фасадов выполняются в разных системах координат (геодезическая и локальная система координат фасадов), что так же вызывает определенные проблемы.

Использование технологии получения информации о территории ландшафтного проектирования с использованием материалов аэрофотосъемки с беспилотного летательного аппарата (БЛА) во многом упрощает процесс моделирования ландшафта.

Существует множество публикаций о применении БЛА для формирования информационной модели здания. Это и мониторинг строительства на различных этапах [12, 13], и создание BIM проектов уже существующих архитектурных сооружений [1, 3, 8-10]. Наиболее сложным моментом является моделирование сложных топографических поверхностей, тесно интегрированных со зданием [7].

В связи с этим далее мы будем рассматривать комплексную технологию получения информации не только о рельефе местности, но сразу же и об объектах, на ней находящихся.

Мы предлагаем архитекторам относительно недорогую технологию создания цифровых моделей местности по снимкам, полученным с БЛА. Идея этой технологии в получении цифровой модели местности как совокупности пространственных данных о рельефе (ЦМР) и объектах на земной поверхности (ЦМО). При этом имеется возможностью вычленять отельные объекты и их атрибуты из общей модели и изменять их. Точность этих моделей тождественна точности геодезических работ и зависит от поставленных задач и используемой техники. Эта технология с успехом может применяться при ландшафтном проектировании на небольших (несколько км кв) территориях.

Технология

В целом технология состоит и 4 основных этапов:

1. Проектирование съемочных работ.

2. Полевые работы: аэросъемка и геодезическое обоснование.

3. Фотограмметрическая обработка: создание цифровых моделей рельефа, цифровых моделей объектов в виде трехмерных векторных чертежей, ортофотопла-нов и топографических планов.

4. Экспорт данных и дальнейшая работа с проектом в CAD или BIM среде.

Первые три этапа достаточно изучены, описаны в публикациях [3-6] и регламентированы нормативными актами 1.

Остановимся на ключевых особенностях этих видов работ.

При проектировании определяется площадь объекта и тип местности. Обычно для съемки под трехмерное моделирование используют коптеры, потому что они могут производить не только съемку в надир, но и перспективную. На основании этого принимается решение о видах аэрофотосъемки. Плановая аэрофотосъемка (в надир) используется для получения ЦМР, перспективная - для получения цифровой модели объекта. Довольно часто возникает необходимость в дополнительной наземной фотосъемке архитектурных объектов, чтобы обеспечить проработанность архитектурных форм при последующем моделировании [4, 10].

Для каждого вида съемки определяются оптимальные параметры, позволяющие достичь необходимой

1 Инструкция по фотограмметрическим работам при создании цифровых топографических карт и планов. Москва: ЦНИИГАиК, 2002.

точности модели, подробности и полноты отображения элементов: высота фотографирования, величина пикселя изображения и т.д. [5, 6]. Для планирования полетов существуют специальные программы (Litchi, DroneDeploy и т.д.).

Далее создается проект для геодезического обоснования аэросъемки.

Можно использовать коптеры с приемниками ГНСС на борту. В этом случае снимки получают высокоточную геопривязку уже в полете. Если БЛА без геодезического приемника на борту, необходимо производить работы по геодезическому обеспечению аэросъемки. То есть измерение координат опорных точек, уверенно определяющихся на фотоснимках. В дальнейшем координаты этих точек могут служить для контроля точности полученной модели, их измеряют как на поверхности земли, так и на архитектурном объекте.

Фотограмметрическая обработка снимков производится в специальных программах отечественного (Agisoft Metashape) или зарубежного (Pix4D, Contex Capture и др.) производства.

Порядок действий стандартный для всех систем и состоит из следующих этапов:

- Фототриангуляция (ориентирование снимков). Выполняется с целью определения пространственного положения снимков в момент съемки. Это необходимо для того, чтобы по снимкам можно было делать измерения сразу в системе координат объекта.

Рис. 1. Модель объекта в окружающем ландшафте: а) в виде облака точек, б) в виде полигональной модели

Рис. 2. Модель объекта в окружающем ландшафте: а) модель рельефа в виде треугольников, б) трехмерный векторный чертеж

Рис. 3: а) Основа для ландшафтного проектирования, б) преобразование и визуализация модели в $кеикир

- Построение плотного облака точек. Происходит на основе методов автоматической идентификации соответственных точек на соседних снимках. Получается трехмерная модель объекта в виде плотной сети точек, покрывающую всю поверхность объекта, аналогично тому, как это получается в результате трехмерного лазерного сканирования.

- Построение полигональной модели поверхности по облаку точек. Аппроксимация точечной модели замкнутыми формами (полигонами), чаще всего треугольниками.

- Построение цифровой модели высот (поверхности). Это преобразование нерегулярной полигональной модели или облака точек в модель на регулярной сетке в растровом виде.

- Построение ортофотоплана. Ортофотоплан представляет собой ортогональное цифровое изображение местности в проекции карты или плана, созданное по исходным снимкам с учетом цифровой модели высот.

Все процессы в этих программах автоматизированы. С одной стороны, это значительно ускоряет процессы обработки и облегчает работу оператора, но, с другой стороны, достаточно сложно повлиять на качество выполнения процессов.

Для того чтобы получить ЦМР, необходимо из модели поверхности вычленить точки, принадлежащие растительности и строениям, то есть классифицировать их по признаку «земля - не земля». При густой растительности и плотной застройке построить рельеф в автоматическом режиме пока еще затруднительно.

Полигональная модель, построенная по облаку точек, так же далека от совершенства, особенно в проработке мелких и сложных элементов (рис. 1). Поэтому специалисты, занимающиеся моделированием объектов по снимкам, абстрагируют фотограмметрические модели или облака точек геометрическими формами в специальных программных продуктах [11].

В нашей работе предлагается технология создания цифровых моделей рельефа и объектов с использованием стереорежима. Это традиционная фотограмметрическая технология, позволяющая создавать трехмерные модели. Ее реализация требует навыков работы в стере-орежиме, но именно таким способом можно построить рельеф земной поверхности, даже при наличии растительности, проконтролировать его точность и правдоподобность, а также получить трехмерные модели объектов сразу в векторной форме 1.

В качестве объекта проектирования была выбрана территория купели, расположенной в поселке Маяк Тульской области.

Съемка выполнялась беспилотным летательным аппаратом Phantom 4 PRO с фокусным расстоянием 25 мм, высота фотографирования 250 м, физический размер пикселя 4,8 микрометра, размер пикселя на снимке 5 см. Привязка снимков в геодезическую систему координат проводилась с использованием опорных точек.

1 Т.Н. Скрыпицына, С.Б. Макаров. Лабораторный практикум по дисциплине «Наземная фотограмметрия» и «Основы архитектурной фотограмметрии»: Учебное пособие. — М.: МИИГАиК, 2017.— 76 с.

Фотограмметрическая обработка снимков выполнялась с использованием программного обеспечения PHOTOMOD 6 Lite, в котором реализован модуль сте-реоизмерений.

Рассматриваемый цикл работ включал:

- Выполнение ориентирования аэрофотоснимков.

- Автоматическое измерение пикетов через 0.5 м, визуальный контроль их положения на земле по стерео-модели и редактирование. По пикетам была построена ЦМР в виде сети треугольников (триангуляция Делоне) (рис. 2 а).

- Построение трехмерной модели архитектурного объекта путем векторизации по стереомодели (рис. 2 б).

- Построение ортофотоплана и топографического плана местности.

Далее, для создания трехмерной основы для ландшафтного проектирования местности и реконструкции объектов модель рельефа и трехмерный векторный обмерный чертеж были объединены и конвертированы в формат DXF.

В качестве примера для моделирования и визуализации использовался программный комплекс SketchUp (рис. 3).

Таким образом, по данным с БЛА была создана геопространственная основа местности, обеспечивающая точность положения объектов на местности со средней квадратической погрешностью построения фотограмметрической модели в плане, не превышающей 2.5 см, а по высоте - 7.3 см. Кроме этого, получены обмерные чертежи самих объектов в единой системе координат и в едином графическом пространстве.

Полученные материалы показали эффективность предлагаемой технологии, позволяющей существенно упростить и ускорить выполнение работ по созданию трехмерной подосновы для ландшафтного проектирования.

Рассмотренные программы обработки полученных цифровых данных доступны на сайтах производителей в демо- или специальных версиях для учебных заведений, что позволяет внедрить рассмотренную технологию в учебный процесс.

Библиография:

1. Гуцаки М.А. Использование беспилотных летательных аппаратов в целях землеустройства и градостроительства и перспективы их применения в сфере BIM- и CIM-технологий / М.А. Гуцаки. - Текст: электронный // Геоматика: образование, теория и практика: Материалы междунардной науч.-практ. конференции, посвящ. 50-летию каф. геодезии и космоаэрокартогра-фии и 85-летию фак. географии и геоинформатики БГУУ Респ. Беларусь, Минск, 20-22 нояб. 2019 г. / Белорус. гос. ун-т; ред-кол.: А.П. Романкевич (отв. ред.) [и др.]. - Минск: БГУ 2019. -С. 94-98. - URL: https://elib.bsu.by/handle/123456789/235668 (дата обращения: 21.04.2021).

2. Евстратова Л.Г. О возможной интеграции методов фотограмметрии и BIM-технологии / Л. Г. Евстратова. - Текст: электронный // Интерэкспо Гео-Сибирь: Сборник статей по материалам международного научного конгресса, 2018 г. - URL: https:// cyberleninka.ru/article/n/o-vozmozhnoy-integratsii-metodov-fotogrammetrii-i-bim-tehnologii (дата обращения: 21.04.2021).

3. Курков В.М. Создание трехмерных моделей объектов памятников исторического и культурного наследия с использованием беспилотных летательных аппаратов самолетного и мультиро-

торного типов / В.М. Курков, Вальдез Мануэль де Хесус Перес, Д.П. Бляхарский // Известия высших учебных заведений. Геодезия и Аэрофотосъемка. - 2016. - Том 60. - № 2. - С. 94-99.

4. Михайлов А.П. Создание цифровых моделей памятников истории и архитектуры по материалам перспективной и плановой аэрофотосъемки / А.П. Михайлов, Перес Вальдез Мануэль де Хесус // Известия высших учебных заведений. Геодезия и аэрофотосъемка. - 2013. - № 5. - С. 72-73.

5. ОДМ 218.9.017-2019. Методические рекомендации по производству аэрофототопографических работ с использованием беспилотных летательных аппаратов при изысканиях в целях строительства и реконструкции автомобильных дорог. Издан на основании распоряжения Федерального дорожного агентства от 29.07.2019 № 1982-р. - URL: https://files. stroyinf.ru/Data2/1/4293728/4293728465.pdf. (дата обращения: 21.04.2021). - Текст: электронный.

6. Скрыпицына Т.Н. Съемка фасадов зданий с использованием беспилотных воздушных судов. / Т.Н. Скрыпицына, С.В. Староверов. - Текст: электронный // Инженерные изыскания. - 2018. - Том XII. - № 7-8. - С. 46-52. - URL: https:// doi.org/10.25296/1997-8650-2018-12-7-8-46-52 (дата обращения: 21.04.2021).

7. Стерликова А.И. BIM при проектировании объектов ландшафтной архитектуры / А.И. Стерликова // Символ науки. -2020. - № 3. - С. 105-107.

8. СтешинИ.С. Технология создания трехмерной модели местности на основе данных дистанционного зондирования земли с беспилотного летательного аппарата в сервисе Maps Made Easy / И.С. Стешин // Научное обозрение. - 2017. - № 1. -1 CD-ROM. - Текст: электронный.

9. Dupont, Q. F.M. Potential Applications of UAV along the Construction's Value Chain / Q.F.M Dupont [et al]. - Text: electronic // Procedia Engineering. - 2017. - № 182. - 165 - 173. - URL: https:// www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1877705817312912 (date of access 21.04.2021).

10. Karachaliou E. UAV for mapping historic buildings: from 3D modelling to BIM / E. Karachaliou, E. Georgiou, D. Psaltis, E. Stylianidis. - Text: electronic // Int Arch. Photogramm. Remote Sens. Spatial Inf. Sci. - 2019. - XLII-2/W9. - Pp. 397-402. - URL: https://doi.org/10.5194/isprs-archives-XLII-2-W9-397-2019, 2019 (date of access 21.04.2021).

11. Murphy, M. Historic building information modelling (HBIM) / M. Murphy, E. McGovern, S. Pavia // Structural Survey. - 2009. -Vol. 27. - Pp. 311-327.

12. Vacanas, Y. The combined use of Building Information Modelling (BIM) and Unmanned Aerial Vehicle (UAV) technologies for the 3D illustration of the progress of works in infrastructure construction projects / Y. Vacanas, K. Themistocleous, A. Agapiou, D. Hadjimitsis // Proc SPIE 9688, Fourth International Conference on Remote Sensing and Geoinformation of the Environment. -2016. - Vol. 96881Z: RSCy2016, 12 August 2016. - URL: https:// doi.org/10.1117/12.2252605 (date of access 21.04.2021).

13. UAV-enabled Site-to-BIM Automation: Aerial Robotic- and Computer Vision-based Development of As-Built / As-is BIMs and Quality Control / H. Hamledari, S. Davari, S. Omid Sajedi [et al.] - Text: electronic // CIFE Technical Report #TR230, March 2018. Stanford University. - URL: https://stacks.stanford.edu/file/ druid:jr719nd4444/TR230.pdf (date of access 21.04.2021).

Е.А. Филинская DOI: 10.24412/cl-35672-2021-1-0068

E.A. Filinskaya

Нанотехнологии в конструкциях из бетона XXI века Nanotechnology in concrete structures of the 21st century

Ключевые слова: нанотехнологии, СУБ, самовосстанавливающийся бетон, прозрачный бетон, разветвленные несущие конструкции из композитов бетон-FRP, 3D-печать биоцементных структур.

Keywords: Nanotechnology, SCC, self-healing concrete, transparent concrete, branched concrete-FRP composite bearing structures, 3D printing of biocement structures.

Аннотация: Современные нанотехнологии находят широкое применение в строительстве, ввиду явных преимуществ, которыми обладают новые строительные технологии. В работе рассматриваются некоторые виды инновационного бетона и строительных технологий, которые могут применяться при возведении современных зданий.

Abstract: Modern nanotechnology is widely used in construction due to the apparent advantages of these new construction technologies. The paper discusses some types of innovative concrete and building technologies that can be used in construction of modern buildings.

Использование нанотехнологий может не только улучшить свойства обычных материалов и существующих продуктов, но также способствовать безопасности и защите конструкций от повреждений, уменьшить массу и объем зданий, а также снизить потребность в техническом обслу живании. Использование наноструктур вархитектуре позволит найти новые решения для создания экологически чистых зданий, кварталов и городов.

Строительная биотехнология - это новая научная дисциплина, которая сочетает в себе применение научных знаний об инженерных методах производства

строительных биоматериалов, а также использование биопроцессов в строительной отрасли.

Годовое производство бетона является самым большим среди других строительных материалов, и, вероятно, поэтому этот материал претерпевает значительные улучшения с применением нанотехнологий [5].

Одним из наиболее важных аспектов использования нанотехнологий при изготовлении бетона является контроль гидратации цемента. Это позволит создать новое поколение продуктов, которые будут более экологичными. Например, с добавлением наночастиц 8Ю2