3D моделирование Форта Кроншлот

Что ни говори, но для выполнения съёмки недоступных объектов лучше коптера средства нет. Даже опоры линий электропередачи, высотные здания или борта карьеров – и те при сильном желании можно достать с земли тахеометром или лазерным сканером, но когда речь заходит о морских сооружениях, тут уж с тахеометром делать нечего. Можно, конечно, повторить подвиг российских военных топографов, соединивших Кронштадт с Ораниенбаумом нивелировкой по льду, но, во-первых, это опасно, во-вторых, льда надо ждать, а в эту зиму он и вовсе не явился.

Кстати, о Кронштадте и будет наш рассказ.

В середине февраля в компанию «Фотометр» обратились представители Центральных научно-реставрационных проектных мастерских Министерства культуры РФ (ЦНРПМ) – старейшей проектной реставрационной организации России. Задача – выполнить модели существующих сооружений для их реставрации – выглядела банальной, но когда был озвучен объект работ, все следы банальности тут же исчезли. Нам предстояло пройти путём английского капитана-командора Эдварда Лейна, в 1715 г. составившего первый чертёж форта Кроншлот по данным своих измерений.

Крепость Кроншлот – первая русская крепость на Балтийском море, она всего на год моложе Санкт-Петербурга. Поскольку для обычных граждан она недоступна, не воспользоваться такой возможностью там оказаться, было невероятно.

Многократно перестраивавшаяся и реконструировавшаяся, крепость подошла к очередной реставрации. К сожалению, чертёж Лейна до наших дней не сохранился, как и первая крепость (рисунок 1), и нам предстояло сделать свой. Существующие сооружения крепости возведены в 1863 г. по проекту инженера-полковника И.А. Заржецкого, и вот их-то и предстояло моделировать по данным аэросъёмки (рисунок 2).

Рисунок 1. Разрез и план крепости Кроншлот, 1747 г. Первый чертёж крепости, сохранившийся до наших дней

Рисунок 2. Форт Кроншлот на спутниковом снимке, участок моделирования

Основная цель работ заключалась в создании обмерных чертежей объектов культурного наследия, которые будут являться основой для дальнейшего создания проекта реставрации и приспособления. В качестве основного метода съёмки было выбрано наземное лазерное сканирование. Но часть фасадов строений находится в воде, поэтому наличие твердой поверхности льда было основным условием для проведения съёмки методом лазерного сканирования. Однако достаточно тёплая погода зимой стала причиной частичного отсутствия льда в акватории Финского залива, и в связи с этим в качестве дополнительного метода обмеров была использована технология цифровой фотограмметрии по данным аэросъёмки с беспилотного летательного аппарата (БПЛА).

Запланировав заранее маршруты полётов (рисунок 3), можно было начинать движение в сторону объекта съёмки, предвкушая прекрасные кадры. Но оказалось, что такой объект сложно не то что снять, не так-то просто до него добраться. Словно подтверждая известную шутку о том, что в Петербурге дождь идёт непрерывно с 1703 года, погода держит команду компании “Фотометр” третий день в гостинице – наш объект посреди залива, и добраться туда можно только на маленькой уютной Ульяне, ласково называемой здесь «подушка» (рисунок 4).

Рисунок 3. Форт Кроншлот, маршруты полётов коптера

Рисунок 4. Единственное транспортное средство, на котором можно добраться до некоторых фортов

Когда питерская погода не способствует работе, она способствует чтению поэтов серебряного века. Прогулялись до залива, а здесь Брюсов: «Ветер с моря волны гонит…», заблудились на каналах – здесь вездесущий Блок. «И повторится всё, как встарь» – это уже не только про одинаковую погоду, но и про надежду сделать свою работу не хуже Лейна и Заржецкого.

Наконец охранник форта Кроншлот нас знакомит с его историей (форта, конечно, а не самого охранника), и, вдохновившись, наша команда приступает к работе. Форт поразил своими размерами, и при фотосъёмке с расстояния около 45 м он поместился только на два кадра (рисунок 5).

Рисунок 5.1_статья форты.webp

Рисунок 5.2_статья форты.webp

Рисунок 5. Форт Кроншлот, панорамный снимок

Не изменяя привычной методике съёмки с тремя видами полётных маршрутов плюс съёмка фотокамерой с земли, с работой справились за пять часов (рисунок 6). Забегая вперёд, скажем, что камеральная обработка, включая построение моделей, потребовала шести дней работы.

Рисунок 6. Форт Кроншлот, перспективная аэросъёмка

Обрадованные скоростью работ и первыми результатами коллеги из ЦНРПМ, повторяя за первым командующим Балтийским флотом Корнелиусом Крюйсом «не худо б было, чтоб близ Кроншлоту ещё какую крепость сделать», пригласили нас сделать модели форта «Александр I» и форта «Пётр I» (рисунок 7).

Рисунок 7. Форты «Александр I» и «Пётр I» на спутниковом снимке, участки моделирования

Пётр I, понимая, что для защиты от шведов Кронштадта и Санкт-Петербурга одного Кроншлота мало, в мае 1705 года прибывает на Котлин для размещения береговой батареи на острове. Эксперты ООО “Фотометр”, понимая, что координирование опознаков со стороны залива тахеометром невозможно, в марте 2020 г. прибывают на форт «Пётр I» для размещения как можно большего количества марок на видимых для съёмки участках фасада, добавив к ним опознаки, размещённые на земле.

Строительством форта «Цитадель» (впоследствии названного Николаем I в честь первого российского императора) также руководил Лейн. Его крепость простояла до разрушительного наводнения 1824 года. Восстановление Кронштадта началось именно с Цитадели. То, что тогда построил майор Фуллон, и оказалось в итоге запечатлено на камеру коптера (рисунок 8).

Рисунок 8. Форт Цитадель, аэросъёмка фасада

После перестройки оборона форта осуществлялась по круговому принципу. После рекогносцировки было принято решение строить маршруты полётов по круговому принципу (рисунок 9), учитывая основное задание – выдать плотное облако точек частей форта, находящихся со стороны залива.

Маршруты планировались при помощи программного продукта Bentley OpenRoad Designer, затем экспортировались в программу управления коптером Ground Station Pro. Было принято решение, что съемка в надир и перспективная съемка будут планироваться непосредственно на объекте, так как на карте было обнаружено два молниеотвода, высоты которых узнать не удалось.

Для удобства съемки, маршрут съемки фасада был поделен на два маршрута.

Первым был выбран маршрут с прямой видимостью коптера, а именно со стороны суши. Маршрут выполнен успешно.

Второй маршрут было решено начать, стоя на земле, так как высота первых галсов позволяла в прямой видимости видеть коптер. Чем ниже опускался коптер по маршруту, тем хуже была связь с пультом, а, следовательно, выставление параметров съемки и управление подвесом камеры стало вызывать проблемы. Было решено забраться на небольшую насыпь.

Но и этого оказалось мало, так как самый нижний маршрут был за зданием на высоте пять метров, а уже на высоте в десять метров сигнал начал пропадать…

Рисунок 9. Форт Цитадель, маршруты полётов коптера

– Не кочегары мы, не плотники … и с высоты вам шлём привет, – команда поднимается на кровлю здания (рисунок 10). Взлёт коптера происходил с поверхности земли, управление – с кровли. Полеты прошли успешно!

Рисунок 10. Команда компании “Фотометр” на кровле здания

Все полевые работы, включая покорение крыши, заняли шесть часов. Камеральная обработка выполнена в течение пяти дней.

Пора переходить к самому любопытному из наших объектов.

Форт Чумный (он же – «Александр I»), в отличие от остальных, полностью расположен на небольшом искусственном островке к югу от острова Котлин. С 1899 по 1917 год использовался как лаборатория по исследованию чумы. Этот форт, в отличие от других наших аэросъёмочных объектов, сохранился практически в первозданном виде. Конечно, из-за того, что был построен на сто с лишним лет позднее остальных.

Любопытно, что Луи Бартелеми Карбонье в 1820-х годах разработал проект двух морских фортов, которые по форме должны были представлять собой верхнюю часть лежащего горизонтально тора, благодаря чему в любой точке крепостная стена имела бы поверхность двоякой кривизны, что должно было вести к рикошету круглых ядер. Несмотря на то, что этот план впоследствии был пересмотрен, форт «Александр I» всё же предстал перед камерой коптера в форме лежачего тора (рисунок 11).

Рисунок 11. Форт Чумный, перспективная аэросъёмка

С маршрутами полётов после наработанного на двух других фортах опыта, здесь обошлось без сложностей (рисунок 12).

Но вот по времени съёмка этого форта оказалась самой продолжительной из всех – семь часов. Модель же получена за восемь дней – тоже дольше других.

В качестве опорных точек для лазерного сканирования использовались специальные черно-белые марки, пространственные координаты которых были определены геодезическим методом. Работы по съемке недоступных фасадов с БПЛА проводились параллельно, что позволило использовать закреплённые на объектах марки в качестве опорных опознавательных знаков для дальнейшей камеральной обработки полученных изображений.

Наверное, уже излишне повторять, что аэротриангуляция и построение трёхмерной цифровой модели выполнялись в программном продукте Bentley ContextCapture. Метод цифровой фотограмметрии в результате камеральной обработки позволил построить текстурированные модели исследуемых объектов, а также получить облака точек недоступных фасадов.

Рисунок 12. Форт Чумный, маршруты полётов коптера

Общая система координат облаков точек, полученных лазерным сканированием и цифровой фотограмметрией, позволила совместить данные обоих методов в единую модель (рисунок 13). Оценка полученных облаков точек показала, что совмещение используемых методов съемки удовлетворяет по качеству и точности для дальнейшего построения обмерных чертежей исследуемых объектов.

Рисунок 13. Совмещённое облако точек по данным двух методов съёмки

Для интересующихся географией даём общий план расположения наших объектов (рисунок 14).

Рисунок 13. Общая схема расположения трёх фортов

Для любителей статистики приведём полный перечень использованного в данной работе оборудования:

1) Коптер и комплектующие:

• БПЛА Phantom 4 Pro v2.0;
• БПЛА Phantom 4 Advanced;
• 11 аккумуляторов;
• 3 комплекта винтов;
• 4 micro SD флешнакопителя;
• компьютер планшетный Ipad с установленным полетным ПО и загруженными маршрутами;
• 3 зарядных устройства;
• хаб;
• шлейка для пульта.

2) Фотоаппарат и комплектующие:

• фотоаппарат Samsung NX1000;
• 2 SD-флешнакопителя;
• зарядное устройство.

3) Опознаки, марки и комплектующие:

• 60 марок на фасады (двух видов).
• 2 рулона армированного скотча
• 2 рулона малярного скотч а
• 1 тюбик канцелярского клея;
• 30 опознаков (одноразовые красные и белые тарелочки);
• дюбели и гвозди для закрепления опознаков (в достатке);
• 1 молоток-гвоздодер;
• 1 баллон белой краски.

Любителей истории, особенно – военной истории, отсылаем к специализированной литературе и графике: объекты настолько интересны, что за чтением источников можно провести ближайшие месяцы. Но нас ждут новые, не менее интересные проекты.

К концу марта 2020 г. наша работа была благополучно завершена. А в декабре 1721 года по именному указу Петра Эдвард Лейн был послан зимой ехать «для вымеривания моря» в Рогервике.

Что ж? По стопам – так по стопам… Есть у кого подобный заказ? Мы и тут с удовольствием что-нибудь придумаем!