Методика лазерного сканирования и пропорционального анализа форм памятника архитектуры (на примере Храма Александра Невского в Новосибирске)

А. В. Радзюкевич, М. А. Чернова, В. А. Середович, А. В. Иванов, О. Р. Мифтахудинова

Аннотация

В статье приводится описание методики наземного лазерного сканирования в решении прикладной задачи – производство обмеров памятника архитектуры. На примере храма Александра Невского в Новосибирске показано как на основе полученных данных лазерного сканирования можно получить все необходимые обмерные чертежи. Высказывается предположение, что данная технология в ближайшие годы станет очень удобным и технологичным стандартом фиксации и документирования форм памятников архитектуры.

На основе полученных обмерных данных в статье также производится анализ размеров и пропорций храма Александра Невского, г. Новосибирска. Установлено, что архитектор К.Лыгин при проектировании храма Александра Невского использовал простые модульные соотношения на основе аршина и сажени. Реконструкция логики формообразования плана показала, что в его основе лежит простая геометрическая схема, состоящая из пяти окружностей: одной центральной и примыкающих к ней с четырех сторон окружностей меньшего диаметра.

Храм Александра Невского, построенный в Новониколаевске 1899 году по проекту К. К. Лыгина стал первым каменным культовым зданием города. Особый интерес к этому памятнику вызывает то обстоятельство, что в архивах сохранились авторские проектные чертежи (Рис. 1).

Рис. 1. Проектные чертежи храма Александра Невского, выполненные архитектором К. Лыгиным

На сегодняшний день храм имеет статус памятника истории и культуры регионального значения, который играет важную роль в формировании облика города Новосибирска, являясь одним из важнейших символов города.

Прототипом форм храма предположительно послужил одноименный храм Александра Невского, построенный в Тифлисе (Тбилиси) по проекту академика архитектуры Давида Ивановича Гримма [1]. Тифлисский прототип был разрушен большевиками в 1930-м году. Поэтому о его формах можно судить только по сохранившимся фотографиям (рис.2).

Рис. 2. Храм Александра Невского в Тифлисе

Новониколаевский храм после Октябрьского переворота много лет пустовал. В 1980-е годы, в рамках проведения реставрационных работ, было проведено большое научно-историческое исследование памятника [2]. Однако, в архитектуроведческом отношении формы храма остаются до сих пор еще недостаточно изученными. В частности, совершенно не изучены его пропорционально-метрологические особенности, которые, теоретически, могут дать ключ к пониманию логики формообразования. Для проведения пропорционально-метрологического исследования необходимо наличие детальных обмерных чертежей. В период реставрации здания храма в 80-х годах прошлого столетия были сделаны достаточно подробные обмерные чертежи, фиксирующие существующее положение форм памятника.

В настоящее время появилась возможность провести обмерную фиксацию форм на несоизмеримо более высоком технологическом уровне с помощью технологии наземного лазерного сканирования, которая позволяет зафиксировать размеры и формы исследуемого памятника архитектуры с максимально возможной полнотой и точностью. Если раньше уходили недели, а иногда и месяцы, на то, чтобы произвести обмеры всего объекта [3], то в настоящее время с использованием современных технологий работу можно выполнить в очень короткий срок. В частности, на полное сканирование форм храма Александра Невского ушло примерно 4 часа. Для выполнения обмеров фасадов зданий используется технология, сочетающая методы лазерного сканирования и цветовой фотограмметрии [4]. Также существует превосходный зарубежный опыт, который можно изучить в отчете по сканированию форм римского Пантеона [5].

Сканирование форм новосибирского храма Александра Невского осуществлялось по договоренности с настоятелем храма в два этапа – днем было произведено наружное сканирование, а вечером, после окончания богослужений – внутреннее сканирование.

Для сканировании храма, нами был использован наземный лазерный сканер RIEGL VZ400, на сегодня это одна из моделей линейки наземных лазерных сканеров нового поколения [6]. Данный прибор имеет ряд преимуществ относительно подобных ему лазерных сканеров и отличается сравнительно не большим весом и упрощѐнным интерфейсом.

Также использование данного прибора позволяет качественно улучшить и ускорить процесс проведения полевых работ за счет высокой производительности до 120 000 измерений в секунду и таких встроенных функции как лазерные отвес, датчики угла наклона, компас, GPS и т.д.

Кроме того, в программном продукте для постобработки данных, поставляемом с данным прибором, реализована функция объединения сканерных станций в единую систему координат на основе перекрытий соседних сканов без использования специальных марок. Данная функция выполняет поиск характерных объектов местности на соседних сканах в автоматическом режиме, сопоставляет их и на основе полученных связей вычисляет необходимые параметры трансформирования системы координат. Конечным результатом лазерного сканирования является объединѐнный в единую систему координат массив данных в виде координат XYZ, по-другому называемый «облако точек», описывающих поверхность сканируемого объекта [7] (Рис.3).

Рис. 3. Ортогональный внешний вид храма, представленный «облаком» точек», разной степени плотности

Большинство современных лазерных сканеров имеют встроенную фото или видео камеру позволяющую получить реальный или псевдоцвет объекта и присвоить его к каждой вычисленной координате. Благодаря данной особенности полученное «облако точек» несѐт не только высокую геометрическую детальность, но и также высокую наглядность (Рис. 4).

Рис. 4. Фрагмент «облака точек» раскрашенного в псевдоцвета (интерьер храма)

При непосредственном сканировании экстерьерной и интерьерной части храма выполнено 55 сканерных станций в течение 4 часов с угловым разрешением сканирования 0.040° в горизонтальной и вертикальной плоскости. Съемка выполнялась с внешней стороны храма с учетом перекрытия соседних станций не менее 30%, сканирование внутренней части выполнялось со связью перекрытия с внешней стороной через основные ворота храма с дополнительным использованием набора специальных геометрических марок в виде сферы диаметром 10 см, которые при постобработке, точно распознаются на данных лазерного сканера. Всего при сканировании внутренней части собора использовалось 10 марок-сфер, расставленных до начала съемки и статичных до завершения работ. В дальнейшем использование общих марок позволило улучшить связь сканов внешней и внутренней стороны храма, пониженную за счет ограниченной видимости в дверном проѐме ворот.

Среднеквадратическая погрешность при постобработке и объединении всех сканов в единую систему координат составила 7 мм. Далее объеденное и отфильтрованное от различных некорректных измерений «облако точек» передавалось в специализированное программное обеспечение Leica Cyclone, которое позволяет отобразить большое количество полученных данных лазерного сканирования в трехмерном виде и решить на их основе практические любые инженерные задачи, связанные с получением метрической геометрической информации об объекте.

Технология наземного лазерного сканирования позволила сделать «доступными» для измерения буквально все, «видимые» лучом лазера, точки объекта. Итоговое полученное «облако точек» заняло объемом 8 гигабайт. В результате сканирования храма Александра Невского получена детальная точечная модель комплекса строений, которая позволяет на еѐ основе создавать планы и чертежи в любой плоскость, выполнить необходимые промеры любых частей внутренней и внешней части храма. Кроме того благодаря тому, что здание отсканировано снаружи и внутри, появляется уникальная возможность измерить толщину несущих стен и т.д.

Программа решения выше поставленных задач в программном комплексе Leica Cyclone.

Для начала обработки создается проект или Database. Далее производится подключение сканерных данных к созданному проекту. В случае если сканирование производилось прибором фирмы Leica, то данные уже подключены, однако данные сторонних сканеров необходимо импортировать в программу Leica Cyclone. Для этого можно использовать наиболее удобный формат с расширением PTS, это ACII формат который содержит координаты измеренных точек X, Y, Z и значения их интенсивности отраженного сигнала или реальные RGB цвета полученные прибором в процессе сканирования. Подгруженные сканы объединяются в общую регистрацию, работа с которой осуществляются через рабочее окно "ModelSpaces".

Для создания контурной части плоских чертежей и планов в программе Leica Cyclone необходимо указать проецируемую плоскость "Reference Plane", положение которой может быть задано абсолютно произвольным, например, в горизонтальной плоскости этажа, в плоскости стены, по осям системы координат и т.п. Для упрощения работы с большим количеством сканов существует возможность временного ограничения вида "облака точек" в интересуемой области данных от всей модели для этого предусмотрен инструмент "LimitBox" – это прямоугольный параллелепипед, который отсекает не интересующие объекты, оставляя за своими гранями и делая их невидимыми.

Для непосредственной работы над плоским чертежом в программе предусмотрен набор инструментов рисования "Drawing Tools", который включает возможность создания таких объектов как: отрезок, полилиния, эллипс, круг, квадрат, прямоугольник, замкнутой полилинии. По завершению создания чертежа, полученные результаты экспортируют как правило в такие форматы как DXF или СOE, возможность экспорта и импорта последнего появляется при наличии специально модуля CloudWorx, данное приложение позволяет обеспечить прямой обмен данными между программой Leica Cyclone и такими популярными программами как Autocad или 3Dsmax.

Для создания трехмерной модели программный комплекс Leica Cyclone обладает набором геометрических примитивов, которые автоматическим, полуавтоматическим или ручным способом вписываются в точки. Если моделируемый объект близок по форме к правильной геометрической фигуре, то применяются стандартные примитивы, такие как цилиндр, шар и т.п.

В случае работы с храмом Александра Невского наибольший интерес, с точки зрения обработки данных лазерного сканирования с целью фиксации форм памятников архитектуры, представляют, слои горизонтальной «нарезки» облака точек, позволяющие получать планы сооружения на любой отметке (Рис.5).

Рис. 5. Слои точек, «нарезанные» через 0,5м по оси Z

Так к примеру слои сечений по оси Z, на которых наиболее четко просматривается форма объекта, были переведены из облаков точек в векторную форму в виде чертежей, выполненных ручной обводкой векторной графикой в программе AutoCAD (рис.6).

Рис. 6. Планы полученные из слоев «облака точек» (справа) в векторный формат (слева)

Наличие практически неограниченного количества горизонтальных срезов (планов) памятника позволяет документально зафиксировать его форму с предельной полнотой, совершенно недостижимой традиционными обмерными технологиями. Имея набор наиболее характерных планов памятника можно с предельной достоверностью проследить, как меняется форма по высоте – как четверик переходит в восьмерик, восьмерик в шестнадцатерик и т.д. (Рис.7)

Полученные таким образом чертежи отличаются высокой степенью деталировки и точностью измерения. Алгоритм автоматизированного перевода «облака точек» в двухмерные чертежи и объемные 3D – объемные модели в настоящее время разрабатывается на кафедре «Компьютерных технологий НГАХА».

Рис.7. Фиксация наиболее характерных планов храма Александра Невского

Автоматизация процессов измерений и выполнения чертежей дает возможность производить несоизмеримо более качественную и подробную фиксацию форм архитектурных объектов. Очевидно, что через некоторое время технология такой фиксации станет стандартной для документирования во многих направлениях реставрационно-проектной деятельности.

Материал зафиксированный с помощью новой технологии, даѐт возможность для проведения полноценного архитектуроведческого исследования памятника.

Нами была также осуществлена попытка провести научный анализ полученных размеров и пропорций, с целью выявления логики формообразования. Методика исследования [8] в идеале, предполагает наличие следующих материалов:

1. Авторские чертежи с обозначением размеров;

2. Обмерные чертежи;

3. Точное знание, используемых при проектировании, стандартов мер длины.

В нашем случае присутствуют все, необходимые для исследования, материалы. Есть проектные чертежи К.Лыгина на которых присутствует масштабная линейка в саженях. Наличие высококачественных обмеров дает возможность сопоставить существующую форму памятника с проектной. Важно отметить, что точность и детальность лазерных обмеров такова, что можно увидеть даже изменение геометрии стен барабана храма. Очевидно, что эта деформация явилась следствием распора от тяжести купола. Измерения показывают, что верхний диаметр барабана примерно на 10 сантиметров больше нижнего. Зафиксировать тподобную деформацию с помощью обычных «ручных» обмеров, осуществляемых с помощью архаичных рулеток и стремянок, практически невозможно.

Сопоставление обмеров и проектных чертежей может дать важную информацию для исследования объекта. Наложение чертежей друг на друга дало возможность выявить целый ряд особенностей отличающих проектный замысел от существующего положения (Рис.8).

Во-первых, видно, что в проекте К.Лыгина отсутствует уровень хор. По всей видимости хоры были сконструированы в результате реконструкции храма в 1980-е годы. Во-вторых, видно, что уровень щелыги подпружных арок имеет значительное расхождение с проектом. По нашим замерам, их проектная высота от уровня пола составляет 16 аршин, а в реальном объекте она равна 15 аршинам. Можно предположить, что проектный замысел был откорректирован еще во время выполнения строительных работ. В-третьих, сопоставление чертежей показывает большое различие в очертаниях колокольни. В связи с тем, что колокольня храма была ранее разрушена и ее пришлось реставрировать с ноля. Выявленные различия говорят о том, что реставрация была произведена весьма произвольно.

Дальнейшее исследование основывается на переводе размеров из современной метрической системы мер в старорусские меры – сажени (2,13м), аршины (0,71м), вершки (0,044м). Используя эти меры можно попытаться реконструировать некоторые особенности исходного проектного замысла. Проанализируем основные размеры фасада (Рис.9) и разреза (Рис.14), запроектированных архитектором К.Лыгиным.

Рис. 8. Сопоставление проектного чертежа с обмерами

Рис. 9. Метрологический анализ фасада храма А. Невского (размеры приведены в аршинах)

Рис.10. Метрологический анализ продольного разреза храма А.Невского (размеры приведены в аршинах)

Проведенный нами метрологический анализ дал возможность выявить некоторые метрические особенности форм собора. Так, например, можно зафиксировать метрическую закономерность в построении фасадной части здания. Она имеет трехчастное деление: центральная часть составляет 12 аршин, а две боковые – по 9 аршин. Следовательно, полная ширина фасада получается равной 30 аршинам или 10 саженям. По вертикальным размерам можно отметить, внутренняя высота храма равна 30 аршинам или 10 саженям. На середине этого размера расположены щелыги подпружных арок (по сканерным данным составило – 10,60м).

Восстановление проектных размеров храма, теоретически, может дать основания для проведения гипотетической реконструкции исходного проектного замысла. Если использовать в качестве модуля толщину стен барабана и боковых экседр, равную 1,065 м, что составляет четыре кирпича или половину сажени (1,5 аршина), то можно заметить, что в основании плана лежит окружность с диаметром 9 модулей и примыкающими к нему с четырех сторон окружностями диаметром 5 модулей. Все остальные горизонтальные размеры храма, по всей видимости, были производными от этой геометрической схемы (Рис. 11).

Более полная реконструкция проектной логики Собора, безусловно, требует дальнейшего исследования. Кроме того, для полноты картины необходимо проведение подобных исследований по как можно большему количеству подобных объектов. Тем не менее, проведенное исследование дает возможность утверждать, что архитектор К.Лыгин использовал при проектировании храма Александра Невского простые модульные соотношения на основе аршина и сажени. В основе логики формообразования плана лежит простая геометрическая схема, состоящая из пяти окружностей: одной центральной и примыкающих к ней с четырех сторон окружностей меньшего диаметра.

Рис. 11. Реконструкция логики построения плана храма А.Невского

Библиографический список

1. Радзюкевич А.В. К вопросу об авторстве и прототипах собора Св. Александра Невского в Новониколаевске (Новосибирске) www.a3d.ru/architecture/stat/190

2. Собор Александра Невского в Новосибирске. Проект реставрации фасадов. Историческая справка. Архив НПЦ по сохранению историко-культурного наследия.

3. Соколова Т.Н., Рудская Л.А., Соколов А.Л. Архитектурные обмеры. М. 2007.

4. Научно-производственное предприятие «Фотограмметрия». Официальный сайт. www.photogrammetria.ru

5. The Bern Digital Pantheon Project. www.digitalpantheon.ch/repository

6. RIEGL – laser measurement systems. riegl.com/products/terrestrial-scanning/produktdetail/product/scanner/5/

7. Наземное лазерное сканирование: монография / В.А. Середович, А.В. Комиссаров, Д.В. Комиссаров, Т.А. Широкова – Новосибирск, СГГА, 2009.

8. Радзюкевич А.В. Методические основы проведения пропорционально– метрологического анализа форм памятников архитектуры. Дисс. на соик. уч. ст. канд. арх. Новосибирск. 2004.