Journal of Cultural Heritage 16 (2015) 551–559

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ScienceDirect

www.sciencedirect.com

Original article

Laser scanning and 3D modeling of the Shukhov hyperboloid tower in Moscow

Andrey V. Leonova,lowast;, Mikhail N. Anikushkinb,1 , Andrey V. Ivanovb,1 ,

Stanislav V. Ovcharovb,1 , Alexander E. Bobkova,2 , Yuri M. Baturinc,2

a Center for Virtual History of Science and Technology, S.I. Vavilov Institute for the History of Science and Technology of the Russian Academy of Sciences, 109012 Moscow, Staropanskiy per., 1/5, Russia

b Trimetari LLC, Russia, ul. Kronverkskaya, 5, BC “Troitskiy”, of 250, 197101 Saint-Petersburg, Russia

c S.I. Vavilov Institute for the History of Science and Technology of the Russian Academy of Sciences, 109012 Moscow, Staropanskiy per., 1/5, Russia

a r t i c l e i n f o

a b s t r a c t

Article history:

Received 16 June 2014

Accepted 19 September 2014

Available online 7 November 2014

Keywords: Shukhov Modern heritage Avant-garde Lattice shell

Hyperboloid tower Laser scanning

3D model

3D document Digital preservation Virtual heritage

The Shabolovka radio tower in Moscow, also known as the Shukhov tower, is a famous example of the Russian avant-garde style of the early 20th century. With a height of approximately 160 m, it is the high- est hyperboloid lattice steel tower ever built by Shukhov and is one of the symbols of Moscow. It is widely recognized as an artifact of modern cultural heritage. Despite being an iconic object of engineering and architectural heritage, it was deprived of technical maintenance for many years. Its technical condition has degraded since the early 1990s and has now reached an alarming level. Several restoration projects are still being discussed by the Russian government, including the full rebuilding of the tower in another place. Therefore, digital preservation of the towerrsquo;s original geometry and design has become a crucial task. Its under-documentation is also a concern: the initial project and engineering documentation is almost completely lost. To preserve information about the tower, we performed laser scanning and cre- ated a precise polygonal 3D model using both the results of the scanning and the existing drawings. The transition from an unstructured point cloud to a highly structured representation included the devel- opment of a special methodology to model deformed steel elements of hyperboloid sections. The tower was scanned from seven viewpoints, resulting in a 65 M point cloud. To reproduce the individual shapes of twisted rods and rings, we used gt; 4 K pre-defined cross-sections. These were precisely positioned in a point cloud. The connection joints of steel elements were modeled using drawings based on measure- ments that were made in 1947. Non-original design elements such as service platforms and an elevator were also modeled using the point cloud. We also made use of historical drawings and photographs to represent the internal structure of the concrete basement and the non-extant original superstruc- ture. The combination of various methods of 3D modeling for different parts of the tower allowed us to visualize the geometry of the huge steel construction with high accuracy (1 cm or so) and with high level of detail in a reasonable timeframe (300 man-days). Public access to large 3D models and to vast amounts of raw data is a sensitive issue for virtual heritage applications. To provide free access to our results, we created an open-source software application based on Open Scene Graph. It supports stereo visualization of the point cloud and the 3D model, as well as management of the visibility of different layers of the model in accordance with its lifecycle period. A light web-version based on Unity 3D is also being developed to provide Internet access to the model. The software is freely available at our website (http://virtual.ihst.ru/shukhov-tower.html). Thus, we created a comprehensive visual representation of a steel lattice radio tower of the early 20th century and shared precise technical documentation with researchers worldwide. The experience that we have gained can be useful for other similar projects that involve precise polygonal modeling of large-scale objects of modern cultural heritage.

copy; 2014 Elsevier Masson SAS. All rights reserved.

lowast; Corresponding author. Tel./fax: 7 495 988 22 80.

E-mail addresses: a.leonov@ihst.ru, andrey.v.leonov@yandex.ru (A.V. Leonov), amn@trimetari.com (M.N. Anikushkin), iav@trimetari.com (A.V. Ivanov), osv@trimetari.com (S.V. Ovcharov), alexander.e.bobkov@gmail.com (A.E. Bobkov), baturin@ihst.ru (Y.M. Baturin).

1 Tel./fax: 7 901 976 77 66.

2 Tel./fax: 7 495 988 22 80.

http://dx.doi.org/10.1016/j.culher.2014.09.014

1296-2074/copy; 2014 Elsevier Masson SAS. All rights reserved.

1. Res

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   Journal of Cultural Heritage 16 (2015) 551–559

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   来源文章

   莫斯科Shukhov双曲线塔的激光扫描和三维建模

   Andrey V. Leonova,lowast;, Mikhail N. Anikushkinb,1, Andrey V. Ivanovb,1,

   Stanislav V. Ovcharovb,1, Alexander E. Bobkova,2, Yuri M. Baturinc,2

   a 虚拟历史科学技术中心，S.I.瓦维洛夫俄罗斯科学院科学与技术史研究所，109012莫斯科，Staropanskiy per。，1/5，俄罗斯

   b Trimetari LLC，俄罗斯，ul。 Kronverkskaya，5，BC，“Troitskiy”，250，197101圣彼得堡，俄罗斯

   c S.I.Vavilov俄罗斯科学院科学和技术史研究所，109012莫斯科，Staropanskiy per。，1/5，俄罗斯

   文章信息 摘要

   文章历史：

   2014年6月16日收到

   2014年9月19日接受

   2014年11月7日在线提供

   关键字:

   Shukhov现代遗产前卫格子壳

   双曲面塔激光扫描

   3D模型

   3D文件数字保存虚拟遗产

   *通讯作者。 电话/传真： 7 495 988 22 80。

   电子邮件地址：a.leonov@ihst.ruandrey.v.leonov@yandex.ru（AV Leonov），amn@trimetari.com（MNAnikushkin），iav@trimetari.com（AVIvanov），osv @ trimetari .com（SVOvcharov），alexander.e.bobkov@gmail.com（AEBobkov），baturin@ihst.ru（YMBaturin）。

   1电话/传真： 7 901 976 77 66。

   2电话/传真： 7 495 988 22 80。

   http://dx.doi.org/10.1016/j.culher.2014.09.014

   1296-2074 /copy;2014 Elsevier Masson SAS。

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   莫斯科的Shabolovka无线电塔，也被称为Shukhov塔，是20世纪初俄罗斯前卫风格的典范。它的高度大约为160米，是Shukhov有史以来建造的最高双曲面格子钢铁塔，也是莫斯科的象征之一。它被广泛认为是现代文化遗产的一件神器。尽管作为工程和建筑遗产的标志性对象，但它多年来一直缺乏技术维护。自20世纪90年代初以来，其技术状况已经下降，现在已达到惊人的水平。俄罗斯政府正在讨论一些恢复项目，包括在另一个地方全面重建塔楼。因此，塔的原始几何和设计的数字保存已成为一项重要任务。其文件不足也是一个问题：最初的项目和工程文档几乎完全丢失。为了保存关于塔的信息，我们使用扫描结果和现有图纸进行激光扫描并创建了精确的多边形3D模型。从非结构化点云到高度结构化表示的过渡包括开发一种特殊的方法来模拟双曲面部分的变形钢元素。从七个角度对塔进行了扫描，结果产生了65米的点云。为了重现扭杆和环的各种形状，我们使用了gt; 4 K预先定义的横截面。这些被精确定位在点云中。钢构件的连接关节采用基于1947年测量的图纸进行建模。非原创设计元素（例如服务平台和电梯）也使用点云进行建模。我们还利用历史图画和照片来表示混凝土地下室的内部结构和非现存的原始超结构。各种三维建模方法结合了塔架的不同部分，使我们能够在合理的时间范围内（300个工作日）以高精度（1厘米左右）和高度细节的形式显示巨大钢结构的几何形状。 。公开访问大型3D模型和大量原始数据对于虚拟遗产应用程序来说是一个敏感问题。为了免费获得我们的结果，我们创建了一个基于Open Scene Graph的开源软件应用程序。它支持点云和三维模型的立体可视化，并根据其生命周期管理模型不同层的可视性。基于Unity 3D的轻型网络版本也正在开发中，以提供对该模型的互联网访问。该软件可在我们的网站免费获取（http://virtual.ihst.ru/shukhov-tower.html）。因此，我们创建了20世纪初的钢格子无线电塔的综合视觉表示，并与全世界的研究人员共享精确的技术文档。我们获得的经验对于其他类似的项目也很有用，这些项目涉及对现代文化遗产的大型物体进行精确的多边形建模。

   1.研究目标

   著名的俄罗斯工程师Shukhov的轻质金属结构通常被认为是钢铁建筑历史上最原始的建筑。最有名的舒霍夫结构可能是莫斯科的一座160米高的超高层建筑，建于1919 - 1922年（沙博洛夫卡塔）。目前，它的技术条件很差，俄罗斯政府和独立专家正在讨论不同的重建方法。

   该塔没有记录在案。原始文件几乎完全丢失;所有元素的完整测量和绘图都是在1947年完成的。这些并没有反映后来的许多变化和建筑物的现状。

   因此，对这座塔的信息进行数字化保存已经成为一项至关重要的任务。我们项目的目标是使用激光扫描和现有文档创建塔架的精确虚拟3D模型，并通过开发合适的可视化软件来传播结果数据。为了在各种科学和教育应用中有用，该模型不仅应该精确和完整，而且应该具有视觉逼真性和交互式渲染的适应性。

   1. 介绍

   格双曲面塔可能是俄罗斯工程师舒霍夫最受欢迎的结构。迄今为止，200多座原始塔楼中仅有20座存活下来。其中包括两座多座塔：莫斯科160米的Shabolovka无线电塔（6个部分）和下诺夫哥罗德附近输电线路的130米NIGRES塔（5个部分）。我们研究的对象是Shabolovka塔，这是苏联广播和电视广播的现场表演（图1）。该塔始建于1919 - 1922年，用于直到2001年。尽管多年未运行，该塔仍然被公认为通信基础设施的战略目标，因此，免费访问是不允许的。

   自20世纪90年代初以来，塔的技术条件逐渐退化，当时首先报告了明显的间隙腐蚀程度。直到现在还没有进行修复或保护，塔的当前状态令许多专家感到震惊。

   • 1. 塔的建造

   该塔由6个双曲面部分叠加而成，其次是上部结构（天线部分）。原有的上层建筑于1937年重建，并于1991年被拆除并更换为新的上层建筑。上层建筑的高度在不同时期是不同的;塔的总高度通常被引用为160米。

   每个部分都是旋转双曲面的形式，由直金属棒组成。这些是围绕其轴线扭曲。中间刚性环铆接在塔内侧的杆上。下两个部分各有48对杆，中部两个部分 - 每个48个杆，上部两个部分 - 每个24个杆。在下两部分中，每根杆由通道杆构成，并且在上部四部分中，每根杆由角度构成。

   相邻截面杆的连接节点用环形桁架梁加固（图6）。接头的结构使用每对截面的独立设计。

   • 1. 现有文档概述

   几乎没有Shabolovka塔的项目或工程文件存活下来。唯一现有的项目图（从1919年[1]）和舒霍夫的日记（从1919年[2]）的计算与实际建设有很多差异。两张工程文件（从1921年[3]）包含子结构的方案和第二和第三部分之间的连接接头。这最后一个也与实际建设有一些差异。

   1947年，塔仔细测量准备一套图纸。这仍然是该塔最完整的传统文件[4]（图6）。在1971 - 1973年间，塔上增加了几个带梯子的附加吊环和服务平台。没有文件可用于他们或20世纪90年代增加的电梯。

   • 1. 相关工作

   激光扫描广泛用于各种虚拟遗产应用[5]。它是分析整体物体几何形状和变形的有效方法，特别是对于大型建筑物和建筑[6]。然而，对于旧式大型钢结构的精确多边形三维建模比仅仅扫描结构需要更多的努力。因此，这不是一项普遍的任务。

   舒霍夫的工程遗产得到了广泛的认可和研究[7]。 2010年，一个联合项目“现代化的现代化战略：埃塞奥巴斯的Suchovs战略”来自苏黎世联邦理工学院，Innsbruck大学和慕尼黑理工大学的四个研究小组之间的合作开始，主要侧重于Shukhov lattitice塔的科学研究。使用全站仪和摄影测量方法测量了14座塔楼，并使用Rhinoceros3D软件进行3D建模。 5节NIGRES塔也包括在内[8,9]。 Shabolovka塔没有被测量和模拟出于不同的原因。

   2011年在俄罗斯科学院Steklov数学研究所进行了Shabolovka塔三维建模项目[10]。它的目标是创建一个动画电影，演示超高层结构的数学原理和组装塔的原始技术（http://www.etudes.ru/ru/etudes/shukhov/）。线性测量是在不同层次的塔上进行的。该模型的度量准确度不统一。只有直接测量的部件才能达到高精度。

   另一个项目是Shabolovka塔的激光扫描和三维建模，该项目于2011年在塔楼主人的要求下进行[11]。使用Riegl VZ-400激光扫描仪在距离塔架100-200米处制造7个扫描站。开发了一个用于工程计算的线框3D模型，并开发了粗糙的多边形3D模型以提供较低水平的细节。报道的扫描对准精度为3-4厘米。在我们的项目中，我们的目标是精确度约为1厘米的Shabolovka塔的精确多边形三维建模具有高度的细节以实现逼真的可视化。

   1. 通用方法

   该塔是一座巨大的钢结构建筑，由336根长度为20至27米的杆和69根直径为40.3至3.2米的环组成。它有大约3500个约200个连接接头，每个接头有2-30个铆钉和/或螺栓。显然，对每个钢结构建筑的单独测量和建模实际上是不可能的。因此，我们决定单独对高超导体截面的杆和环进行建模，并创建接头的通用模型（包括小金属元件，铆钉和螺栓）。这些后来被叠加并嵌入到塔的3D模型中。通过这样做，

   图1.莫斯科Shabolovka的Shukhov塔全景。

   我们将建模工作仅限于几百个单独的元素。

   为了收集有关塔架元件实际几何形状的数据，我们可以从激光扫描，照相图和手动测量中进行选择。后者需要执行我们无法承受的高层建筑工作，而且，即使是具有1厘米所需精度的单根27米杆的几何尺寸也需要手工测量，这是非常困难的。我们也认为我们的测量不会对1947年收集的数据产生太大的影响。

   在我们的情况下摄影测量的应用需要使用无人机（UAV）将照相机带到塔的表面附近。 2012年苏黎世理工学院的Gruen教授和GosNIIAS（莫斯科）的Zheltov教授于2012年对使用基于无人机的摄影测量法建模Shabolovka塔进行了两次尝试。不幸的是，技术困难阻碍了该项目的完成。同时，他们报告利用摄影测量法成功建立了Poli- bino中37米格子Shukhov塔的模型（结果尚未公布）。因此，基于无人机的光栅测量技术对160米长的Shabolovka格构塔的建模的可行性和潜在精度仍然是一个悬而未决的问题。

   考虑到上述考虑，我们决定使用激光扫描来测量塔架的几何形状。

   1. 激光扫描

   该塔被高度不超过30米的建筑物包围（图1）。 唯一的高楼（75米）位于离塔楼150米的地方。 因此，将扫描仪定位在任何相邻建筑物的顶部不会改进对塔外表面的扫描范围。 达到最接近的范围

   图2.激光扫描在100米的水平。

   当扫描仪位于塔楼附近的地面上时。但是，在这种情况下，塔顶会以陡峭的角度进行扫描。

   同时，塔楼有一个格子结构，里面是空的。因此，可以在塔内不同层面的服务平台上组织扫描位置。

   据报道，将扫描仪放置在与塔架相距100-200米的位置，可以

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