3D photogrammetry application for building inspection of cultural heritage objects

Abstract

EN: Landmarked buildings require periodic inspection and restoration. Numerous techniques are known that allow engineers to perform detailed inspection of buildings and structures. In recent decades, 3D scanning and photogrammetry application for building inspection spread around. The purpose of the study is to develop the most effective approach to aerial photography with the use of UAV to create precise model of the building. Methodology. The technique is based on the creation of three-dimensional model out of 2-dimensional photographs with the help of dedicated software. Scientific novelty can be considered as the development of an algorithm for programming the UAV flight along the most optimal trajectory in order to obtain a sufficient number of images, and consequently constructing a model with the least number of distorted sections. The result of the work is a three-dimensional model of a building or structure with all actual sizes and textures preserved. Obtained model can be later used for a detailed study of the damages of the existing structural and architectural elements of building; also, it can be used as a background model for the reconstruction or restoration project design, depending on the research objectives. The practical significance of this method is demonstrated by the inspection of the actual landmarked building: the Mennonite school in Zaporizhia city. The inspected building was built in the late nineteenth century and has not changed its functional purpose until today. The building is one of the few well-preserved examples of authentic Mennonite architecture in the region, therefore a great deal of attention was paid for inspection and elaboration the measures for its restoration. A complex inspection was performed using 3D photogrammetric survey and creation of a three-dimensional model. Using the model, the places that need to be restored are precisely identified, and the defects that need to be eliminated are identified. The technical condition of the structures is estimated even in hard-to-reach places. Thus, it is clearly shown that the presented inspection technique significantly reduces labor intensity and raises the efficiency of building and structures inspection.

UK: Пам'ятки архітектури вимагають періодичного обстеження і реставрації. Існують численні методики, що дозволяють детально обстежити будівлі і споруди. В останні десятиліття великого поширення набув спосіб обстеження із застосуванням 3D сканування і фотограмметрії. Мета дослідження - розроблення найбільш ефективного підходу до аерофотозйомки із застосуванням БПЛА для побудови найбільш точної моделі будівлі. Методологія. Методика будується на побудові з двовимірних фотознімків за допомогою спеціального програмного забезпечення тривимірної моделі. Науковою новизною можна вважати розробку алгоритму для програмування польоту БПЛА по найбільш оптимальній траєкторії з метою отримання достатньої кількості знімків і, отже, побудови моделі з найменшою кількістю спотворених ділянок. Результат роботи - тривимірна модель будівлі або споруди зі збереженням усіх фактичних розмірів і текстур. Модель у подальшому може бути застосована як для детального дослідження дефектів існуючих конструкцій і елементів будівлі, так і як підоснова для розроблення креслень для проекту реконструкції або реставрації залежно від мети дослідження. Практичне значення цієї методики продемонстровано під час обстеження реального об'єкта культурної спадщини: це менонітська школа в м. Запоріжжя. Будівля, що обстежувалась побудована в кінці ХІХ століття і донині не змінила функціонального призначення. Ця споруда - один із небагатьох добре збережених зразків автентичної менонітської архітектури в цьому регіоні, тому було приділено велику увагу обстеженню і розробленню заходів з її відновлення. Виконано комплексне обстеження із застосуванням фотограмметричної зйомки і побудовою тривимірної моделі. З використанням моделі точно встановлено місця, що потребують відновлення, визначено дефекти, які потребують усунення. Оцінено стан конструкцій навіть у важкодоступних місцях. Таким чином наочно показано, що наведена методика обстеження істотно знижує трудомісткість і підвищує ефективність робіт з обстеження конструкцій.

RU: Памятники архитектуры требуют периодического обследования и реставрации. Известны многочисленные методики, позволяющие детально обследовать здания и сооружения. В последние десятилетия большое распространение получил способ обследования с применением 3D сканирования и фотограмметрии. Целью исследования является разработка наиболее эффективного подхода к аэрофотосъемке с применением UAV для построения наиболее точной модели здания. Методика основывается на построении из двумерных фотоснимков при помощи специального программного обеспечения трехмерной модели. Научной новизной можно считать разработку алгоритма для программирования полета БПЛА по наиболее оптимальной траектории с целью получения достаточного количества снимков, и, следовательно, построения модели с наименьшим количеством искаженных участков. Результатом работы является трехмерная модель здания или сооружения с сохранением всех фактических размеров и текстур, которая впоследствии может быть применена как для детального исследования дефектов существующих конструкций и элементов здания, так и в качестве подложки для разработки чертежей для проекта реконструкции или реставрации в зависимости от целей исследования. Практическое значение данной методики продемонстрировано при обследовании реального объекта культурного наследия: менонитской школы в г. Запорожье. Обследуемое здание построено в конце ХІХ века и до сегодняшних дней не поменяло функционального назначения. Здание является одним из немногих хорошо сохранившихся образцов аутентичной менонитской архитектуры в этом регионе, поэтому было уделено большое внимание обследованию и разработке мероприятий по его восстановлению. Выполнено комплексное обследование с применением фотограмметрической съемки и построением трехмерной модели. С использованием модели точно установлены места, требующие восстановления, определены дефекты, требующие устранения. Оценено состояние конструкций даже в труднодоступных местах. Таким образом наглядно показано, что представленная методика обследования существенно снижает трудоемкость и повышает эффективность работ по обследованию конструкций.