Оборудование

Обмеры и подготовка документации для реставрации иконостасов методом лазерного сканирования

Любая реставрационная компания, приступая к подготовке эскизного проекта и рабочей документации для восстановительных работ на объекте исторического наследия, обязана решить ряд сложных технических задач:

  • провести архитектурно-археологические обмеры и фотографирование объекта и всех его значимых элементов; 
  • определить места утраченных архитектурных и скульптурных деталей, составных частей интерьера, элементов фурнитуры и лакокрасочного покрытия; 
  • рассчитать площади восстановительных работ для проведения отмывки, покраски, покрытия драгоценными металлами и т.д.; 
  • определить количество материалов, необходимых для реставрации; 
  • подготовить документацию для эскизного и рабочего проектов реставрации: планы, фасады, разрезы, фрагменты, детали, шаблоны и конструкции. 

До настоящего времени все указанные задачи решались в основном с применением фотоаппарата и обмером рулеткой. Эти измерения характеризуется низкой производительностью и недостаточно высокой точностью, в особенности при работах на средних и больших площадях. Результаты измерений в этом случае сильно зависят от квалификации и добросовестности исполнителя. На стадии подготовки отчетов, при совмещении результатов фотофиксации и измерений, многое также зависит от человеческого фактора. Таким образом, результаты обследования объектов исторического наследия могут содержать немалое количество искажений и неточностей.

Технология обмера исторических объектов, к которым, в первую очередь, относятся церкви, в обязательном порядке предусматривает построение строительных лесов. В действующих храмах леса после обследования демонтируются на время проведения эскизного и рабочего проектирования, а затем собираются вновь для проведения реставрационных работ. Следовательно, монтаж и демонтаж строительных лесов входит в сметную стоимость, что значительно удорожает проведение работ.

Таким образом, применение комплексных технологий сбора больших объемов точной информации стало необходимым при реставрационных работах. Для объектов исторического наследия наиболее оптимальным представляется использование методов сбора и обработки информации в цифровом виде. Это позволяет обойтись без построения лесов и минимизирует личностные ошибки. Наилучшим способом решения этих задач является лазерное сканирование.

Лазерное сканирование

Принцип лазерного сканирования основан на выполнении измерений расстояния с помощью лазерного безотражательного дальномера, а также в определении горизонтального и вертикального углов для каждой точки объекта съемки. Таким образом можно получить XYZ-координаты объекта.

Производительность работ лазерным сканером намного выше, чем при использовании традиционных методов съемки. Для сравнения — тахеометр производит десятки измерений в минуту, в то время как современный лазерный сканер — от тысяч до сотен тысяч измерений в секунду. Скорость измерений при сканировании регулируется оператором в зависимости от требуемой плотности и точности измерений. Полученный набор в несколько миллионов точек называется «облаком точек», который после обработки данных может быть представлен в виде трехмерной модели объекта, набора сечений, модели поверхности, плоского чертежа и т.д.

Лазерное сканирование позволяет получить наиболее достоверные полевые данные о сложных конструкционных или труднодоступных объектах, которые невозможно выполнить съемкой традиционными методами — тахеометрами и GPS-приемниками. За счет высокой скорости и автоматизации процесса, технология лазерного сканирования приводит к существенному повышению производительности съемки.

Избыточный объем данных сканирования позволяет получить максимально объективную информацию, исключив ошибки при полевых работах.

Ниже приведен пример съемки сложного объекта исторического наследия с помощью технологии лазерного сканирования.

Подготовка документации к эскизному и рабочему проекту реставрации иконостасов храма методом лазерного сканирования

Краткая характеристика объекта

В 2008 году начались ремонтно-реставрационные работы в храме священномученика Климента папы Римского на ул. Пятницкой в Москве. Этот барочный двухсветный четырехстолпный соборный храм, в честь восшествия на престол императрицы Елизаветы Петровны, которое совпало с днем памяти св. Климента, был построен в третьей четверти XVIII века.

Пятиглавый двухъярусный храм с небольшой трапезной и колокольней имеет семь приделов (главный — придел, освященный в честь праздника Преображения Господня).

Резные деревянные иконостасы пяти приделов Преображения Господня, Знамения Богородицы и Св. Николая Чудотворца (первый ярус), Рождества Богородицы и Вознесения Господня (второй ярус) сохранились, но требуют серьезной реставрации. Иконостасы приделов Неопалимой Купины и священномученика Климента, папы Римского безвозвратно утрачены.

Обмерные работы

Комплекс измерительных работ на объекте проводился специалистами организации «Навгеоком Инжиниринг», которым была поставлена задача — подготовить подробные чертежи для эскизного и рабочего проектов реставрации иконостасов и киотов всех семи приделов храма. В соответствии с заданием должны были быть обмерены и вычерчены элементы всех иконостасов и киотов. Объем чертежей составил более 1300 листов формата А4.

Главная трудность, помимо необходимости замера необычно большой площади иконостасов (354 кв. м), состояла в том, что измерения пришлось вести параллельно с реставрационными работами: все пространство у храма на момент начала работы геодезистов было занято лесами. Для того чтобы создать единое облако точек для пяти иконостасов центральной части храма и приделов, инженеры сделали 30 сканов для основы и 120 для детализации всей конструкции.

Съемочные работы велись двумя сканерами, что было обусловлено высокими требованиями к точности в сочетании с существенными ограничениями по времени. Импульсным сканером производились съемки для получения общего вида, а быстрым и точным фазовым сканером LeicaHDS6100 делались детальные измерения каждого элемента иконостасов.

Для уравнивания данных лазерного сканирования использовалась методика сшивки по общим маркам, так как прокладывать тахеометрический ход было невозможно. Проведение работ осложнялось сильной вибрацией и ограниченной видимостью.
Результатом работы стало каркасное облако из 50 млн. точек и примерно 5 млрд. точек отдельных сканов для прорисовки мелких деталей и резьбы киотов.

Подготовка чертежей для эскизного и рабочего проектирования

Камеральный этап работ включал в себя построение обзорного чертежа пяти иконостасов центральной части храма и приделов. Это подразумевало создание отдельных чертежей, сечений и шаблонов всех элементов конструкции: иконостасов, рам, скульптур и т.д.

Из-за наличия строительных лесов в храме в момент проведения съемочных работ, построение обзорного чертежа явилось наиболее сложной технической задачей. Каждый скан сопровождался многократным детальным фотографированием зоны сканирования, что позволило качественно отфильтровать помехи, вносимые лесами. Чистка облаков точек и идентификация элементов производилась вручную прямо на объекте параллельно со сканированием. Это позволило полностью контролировать процесс съемки и избежать повторных выездов на объект. Вычерчивание проводилось в программном пакете AutoCAD. По требованию заказчика было сделано 30 горизонтальных и вертикальных сечений центрального иконостаса.

Чертеж общего вида иконостаса фактически представлял схему, где взаимно определялись элементы объекта. Однако для получения полной информации о конструкциях и размерах иконостаса был необходим чертеж-развертка. Преимущество технологии сканирования заключалось в возможности накапливать большой объем измерительной информации. При детальном сканировании элементов иконостаса, совмещенным с поэтапным сканированием общей конструкции, можно было сделать по запросу заказчика не только чертеж общего вида, но и чертеж-развертку с сечениями в любых местах конструкции, любые шаблоны и т.д.

Наличие лесов в храме негативно отразилось на обмерах отдельных элементов иконостасов. Чтобы избежать влияния лесов, съемку пришлось вести с минимального расстояния, то есть сканировать каждый отдельный элемент иконостаса, а не захватывать одним сканом группу снимаемых элементов. Высокие требования к точности построения чертежей привели к уменьшению шага измерений до минимально-возможного — 1мм. За счет минимизации шага измерения и расстояния до объекта сканирования была достигнута предельно возможная точность измерений для указанной модели сканера.

Элементы конструкции и декора приделов храма были разделены на три группы (скульптура, резьба, гравировка), каждая из которых имела свои характерные особенности.

Скульптуры

В соответствии с заданием заказчика инженеры-геодезисты построили плоские чертежи скульптур. Наиболее полным источником информации о таких объектах является плотное очищенное облако точек сканирования. Оно не только отражает в деталях состояние скульптуры со всеми утраченными элементами, но и позволяет производить любые замеры с целью реставрации, без выезда на объект. Наличие плотного качественного облака точек, позволяет построить точную полигональную модель скульптуры для определения объемов реставрационных работ и расчетов, необходимых для этого материалов.

Резьба

Детальное сканирование элементов резьбы позволило построить точные шаблоны, чертежи и сечения резных деталей иконостаса в масштабах от 1:1 до 1:20. На чертежах иконостасов была проведена фиксация утраченных элементов.

Гравировка

­­Современное фазовое оборудование позволяет точно сканировать даже тонкую гравировку и строить чертежи, полностью соответствующие реальному объекту, в том числе с учетом утратраченных элементов.

В последнее время технология лазерного сканирования широко применяется не только в промышленности, но и в реставрационных работах. Построенные на основе сканирования 3D модели, помогают ученым и реставраторам воссоздавать утраченные элементы архитектурного наследия, декора, скульптур и т.д. В отличие от традиционных технологий, с помощью лазерного сканирования можно в кратчайшие сроки произвести точные обмеры сложных конструкционных или труднодоступных объектов и подготовить проектную и рабочую документацию для дальнейшего ведения реставрационных работ.


Ведущий инженер компании «Навгеоком Инжиниринг»
Александр Старченко


Один из иконостасов храма

Иконостас в лесах

Сшитое облако точек измерения

Чертеж общего вида иконостасов

Фотография, скан и чертеж скульптуры

Фотография фрагмента резьбы

Cкан фрагмента резьбы

Чертеж фрагмента резьбы

Материалы


к другим проектам