Лазерное сканирование крейсера «Аврора» и скульптуры «Родина-мать зовёт!»: цифровое сохранение советских символов

Авторы — Леонов А. В., Аникушкин М. Н.

Научно-техническое наследие — одно из бесспорных достижений советского периода нашей истории. Не случайно многие советские символы являются техническими объектами или комплексами, либо именами людей, образы которых воплощают собой технические достижения. ГОЭЛРО и БАМ, Шаболовка и Останкино, Королёв и Курчатов, sputnik, Gagarin, Kalashnikov… Как пел Ю.Визбор: «Зато мы делаем ракеты / И перекрыли Енисей / А также в области балета / Мы впереди планеты всей». Русский балет, однако, блистал еще в XIX в. Таким образом, задача сохранения советского наследия в значительной степени состоит в сохранении технических объектов и комплексов, прежде всего, имеющих символическое значение.

Специфика крупномасштабных объектов технического наследия

Крупномасштабные объекты технического наследия отличаются от других типов культурного наследия тем, что значительно сложнее поддаются музеефикации. Крупные здания и сооружения, металлические и железобетонные конструкции, механизмы и транспортные средства, находящиеся на открытом воздухе и выведенные из эксплуатации, как правило, лишены постоянного обслуживания, со временем стареют и разрушаются. В то же время, приспособление этих объектов под современное использование, что позволяет продлить их жизнь, как правило, включает внесение изменения в историческую конструкцию, демонтаж или замену оригинальных элементов, добавление новых деталей.

Исследователи проблемы сохранения индустриального наследия неоднократно отмечали, что использование крупномасштабных исторических технических объектов в новом качестве (и неизбежно необходимая при этом реконструкция) — зачастую единственный способ сохранить их, в том числе, и для выполнения музейных функций.

Например, крейсер «Аврора», обслуживанию которого в советское время уделялось значительное внимание, пережил неоднократные ремонты, демонтажи и замены артиллерийского вооружения, различных механизмов и внутренней обстановки. В ходе масштабного ремонта 1984–1987гг. было заменено около половины корпуса и надстроек (в т.ч. отрезана и заменена вся подводная часть корабля, сняты паровые котлы), при этом на новом корпусе вместо заклёпок применялась электросварка. Всё это дало повод говорить о превращении «Авроры» в новодел. С 2014г. крейсер года вновь находится в ремонте, который должен завершиться к лету 2016г.Восстанавливать его исторический облик не планируется, «поскольку для этого потребуется воссоздавать боевую рубку, строить два паровых спасательных катера, возводить батарейную палубу, ставить восемь 152-мм орудий, две паровые машины, три торпедных аппарата…»[1].

Шаболовская радиобашня, на протяжении десятков лет лишённая подобающего обслуживания, к настоящему времени находится в удручающем техническом состоянии. С другой стороны, лишь отсутствие обслуживания позволило «шуховской» несущей конструкции до сих пор сохраниться в своём оригинальном виде. Сравнимая по масштабу Эйфелева башня в Париже регулярно подвергается замене части металлических элементов; по некоторым оценкам, оригинальных металлических элементов в ней уже практически не осталось. Любой вариант реконструкции Шаболовской башни, необходимый для её спасения, неизбежно будет включать замену части проржавевших оригинальных элементов, что обязательно повлечёт за собой и изменения в геометрии башни. В то же время, отсутствие обслуживания приведет к её разрушению.

 

Таким образом, жизненный цикл крупномасштабного памятника техники, существующего достаточно долгое время, практически всегда включает постепенное изменение исторической конструкции, утерю оригинальных элементов и добавление новых. В связи с этим особую важность приобретает сохранение информации о состоянии конструкции на разных исторических этапах. Сохранение информации о памятнике техники — это не разовое действие, а постоянный процесс, которым необходимо заниматься точно так же, как и поддержанием его физической целостности и сохранности.

3D-технологии сохранения информации об объектах

К традиционным способам сохранения информации об объектах долгое время относились описания,обмеры, зарисовки; в начале XX в. к этому добавилось документальная фотография и киносъёмка. В начале XXI в. стали активно развиваться способы сохранения трёхмерной информации: лазерное сканирование и фотограмметрия, в том числе, с использованием «структурированного света». В отличие от двумерного чертежа или фотографии, эти методы позволяют сохранить геометрическую информацию об объекте в некоторой трёхмерной системе координат, связанной с объектом. Это принципиально отличает трёхмерные модели от двумерных изображений [2].

Для объектов небольшого масштаба, в частности, музейных экспонатов, расположенных в закрытых помещениях, могут применяться различные методы сохранения трёхмерной информации. Для крупномасштабных технических объектов, архитектурных сооружений, расположенных на открытом воздухе, единственным эффективным способом фиксации трёхмерной геометрии с высокой точностью и детализацией является лазерное сканирование с применением современных промышленных лазерных сканеров.

Преимущества лазерного сканирования, необходимость его применения для сохранения информации о памятниках техники очевидны всё большему кругу специалистов. Например, Смитсоновский институт в 2013г. объявил о масштабной программе сканирования экспонатов из своих коллекций, включая в том числе памятники техники — самолёт братьев Райт и другие историко-технические экспонаты [3].

Применение новых 3D-технологий для сохранения информации о памятниках техники стало приоритетной целью Центра виртуальной истории науки и техники ИИЕТ РАН с момента его создания в 2011г. В 2011–2013 гг. было выполнено лазерное сканирование и трёхмерное моделирование Шаболовской радиобашни [4]. Созданная цифровая 3D-модель может использоваться для контроля качества реставрации и реконструкции, либо для воссоздания башни в случае её утраты. Кроме того, на основе созданной 3D-модели разработано общедоступное интернет-приложение, которое позволяет виртуально «путешествовать» по модели башни и изучать её конструкцию, а также показывает основные этапы развития конструкции башни со временем.

В 2015 г. наработанный опыт был применён в двух новых проектах, в ходе которых было выполнено сохранение трёхмерной информации о крейсере «Аврора» и скульптуре «Родина-мать зовёт!» — крупных технических объектах, которые, как и Шаболовская башня, являются советскими символами, памятниками истории и культуры.

Лазерное сканирование крейсера «Аврора»

Как отмечалось выше, с 2014 г. на крейсере «Аврора» осуществляется ремонт, в ходе которого ведётся, в том числе,реконструкция музейной экспозиции. Эта экспозиция расположена в шести помещениях крейсера, имеющих сложную геометрию, в т.ч. криволинейные стены, в связи с чем для эффективного планирования новой экспозиции требовалась точная трёхмерная модель помещений. Для создания такой 3D-модели в 2015 г. по заказу Центрального военно-морского музея было выполнено лазерное сканирование и 3D-моделирование шести помещений крейсера, где расположена музейная экспозиция. Сканирование и геометрическое 3D-моделирование помещений осуществили специалисты ООО «Триметари Консалтинг». По инициативе авторов статьи, поддержанной директором ИИЕТ РАН Ю.М.Батуриным, ООО «Триметари Консалтинг» в 2015 г. по заказу ИИЕТ РАН было выполнено также сканирование крейсера целиком (точнее, его большей части, оказавшейся доступной для сканирования на тот момент). Таким образом, удалось сохранить детальную информацию о геометрии крейсера по состоянию на 2015 г.

Отметим, что крупномасштабное лазерное сканирование исторических военных кораблей и гражданских судов (кораблей-музеев) стало выполняться в мире лишь в последние годы. Например, в 2014г. был частично отсканирован американский линкор «Нью-Джерси» (USS New Jersey), который был спущен на воду в 1942г., принимал участие во второй мировой, вьетнамской и других войнах, а с 2001г.является кораблём-музеем [5]. Была отсканирована верхняя палуба, один из внутренних коридоров, одна из орудийных башен, часть корпуса снаружи. Как пишут авторы: «…это, по-видимому, первый крупномасштабный скан американского военного корабля»[5, с. 13].

В 2013 г. было выполнено лазерное сканирование знаменитого судна «Дискавери» (RSS Discovery) [6]. Это последний в истории британского судостроения деревянный трёхмачтовый барк, построенный в 1900–1901 гг. специально для Британской национальной антарктической экспедиции 1901–1904 гг. В настоящее время это судно принадлежит фонду Dundee Heritage Trust и является кораблём-музеем, его лазерное сканирование было выполнено компанией Digital Surveys по заказу фонда. Какие-либо технические параметры выполненного сканирования и полученных трёхмерных данных, к сожалению, в доступной литературе обнаружить не удалось.

Лазерное сканирование крейсера «Аврора» было выполнено 6–10 апреля 2015 г. бригадой из двух специалистов. Использовались лазерные сканеры Leica ScanStation P20 и FARO Focus3D Multisensor, было сделано соответственно 74 и 125 скан-станций (точек установки сканеров). Для создания сети планово-высотного геодезического обоснования использовался тахеометр Sokkia. Предварительная сшивка данных, полученных сканером Leica, позволила сформировать трёхмерную точечную модель объёмом 2,8 млрд точек, с точностью сшивки в несколько сантиметров. Относительно низкая точность сшивки обусловлена качкой корабля в процессе сканирования, а также его сложной геометрией.

В будущем, при возможности, планируется провести дополнительное сканирование крейсера (в том числе, неохваченных пока помещений), дополнить облако точек новыми данными и улучшить точность сшивки сканов.

Лазерное сканирование скульптуры «Родина-мать зовёт!»

85-метровая скульптура «Родина-мать зовёт!» на Мамаевом кургане —не только архитектурный монумент, но и памятник техники. Конструкция фундамента и несущего каркаса разработана Н. В. Никитиным, главным конструктором Останкинской телебашни, и основана на схожем с Останкинской башней принципе. Внутри полой скульптуры натянуты 99 металлических тросов, поддерживающих жёсткость каркаса.

По некоторым оценкам, с 1966 г.идёт постепенная деформация скульптуры, которая может в итоге вызвать её разрушение. В частности, в 2009 г.директор ФГУК «Государственный историко-мемориальный музей-заповедник «Сталинградская битва»» Александр Величкин сообщил на пресс-конференции, что с 1966 г. фиксируется постепенное смещение верхней части скульптуры, которое к 2008 г. составило в общей сложности 211 мм (притом, что в проекте автор монумента назвал критично допустимым отклонение скульптуры в 272 мм) [8].

Таким образом,безусловно актуальным является всестороннее сохранение информации о состоянии монумента, а также постоянный мониторинг геометрии железобетонной конструкции и анализ возникающих деформаций. Одним из способов такого мониторинга может быть периодическое лазерное сканирование скульптуры.

Сканирование скульптуры «Родина-мать зовёт!» было выполнено ООО«Триметари Консалтинг» в декабре 2015 г. по заказу ООО «ДЛ Групп» для задач планирования видео-мэппинга (3D Mapping шоу). По просьбе соавторов от имени ИИЕТ РАН, заказчик работ дал разрешение на использование полученных данных также в научных целях. Лазерное сканирование скульптуры «Родина-мать зовёт!» было выполнено 6–7 декабря 2015 г. бригадой из двух специалистов. Использовался лазерный сканер Leica ScanStation C10, было сделано 11 скан-станций (точек установки сканеров). Общая площадь съёмки составила 4 га. Для взаимного уравнивания (сшивки) использовались специальные марки-отражатели, средняя ошибка сшивки составила 5 мм. В результате сшивки данных была создана трёхмерная точечная модель объёмом 34 млн точек, из которых 14 млн точек приходится на саму скульптуру. Среднее расстояние между точками в трёхмерной точечной модели: на лице скульптуры порядка 12–17 см, на острие меча—порядка 20–25 см, в нижней части 1–3 см.

Отметим, что сканирование скульптуры «Родина-мать зовёт!» уже выполнялось ранее, в 2010г., ООО «Градиент» (Волгоград) с использованием лазерного сканера RIEGL LMS-Z420i. Перед сканированием была создана сеть отражающих опорных марок, которые закреплялись на конструктивных элементах памятника и на вехах вокруг него. Использовалось 5 точек стояния, сшивка сканов была выполнена с использованием программного обеспечения RISCAN PRO в условной системе координат. Полученная трёхмерная точечная модель имела среднюю плотность 4 точки на 10 кв. см. К сожалению, результаты 2010 г. оказались недоступны для анализа и сравнения с данными 2015 г. — по сообщению исполнителя работ, «утеряны». Этот пример ещё раз демонстрирует необходимость развития законодательной базы в области 3D-документирования. В частности, при проведении работ на объектах, которые являются памятниками науки, техники, архитектуры, объектами культурного наследия, необходимо обязать исполнителя работ передавать копию полученных первичных данных (облако точек лазерного сканирования, сведения о геодезической привязке, отчёт о выполненных работах) в соответствующий государственный архив (например, РГАНТД). Это гарантирует сохранение трёхмерной информации для будущих исследователей, даст возможность сопоставления 3D-данных, полученных в различное время.

Заключение

На первый взгляд, железобетонное здание прочнее картины, башенный кран —долговечнее рукописи. В реальности, картины и рукописи сохранить проще. Небольшие предметы, попавшие в музей, в особых условиях хранения, могут жить веками без существенной деградации. Крупные технические памятники —монументальные железобетонные конструкции, промышленные объекты, башни и мосты, самолёты и локомотивы —в отсутствие обслуживания ржавеют и разрушаются, а без присмотра —исчезают без следа, расходятся «на металлолом» за считанные годы.

Крупномасштабное, долговечное техническое сооружение в любом случае обречено на постоянные изменения своей конструкции. При жизни —это модернизации, ремонты, адаптация под новые задачи. После того, как крупный технический объект перестал выполнять свою прямую функцию, его невозможно «законсервировать», «сдать в музей» —изменения неизбежны и дальше. В худшем случае, это деградация и разрушение. В лучшем — постоянное приспособление под новые нужды, соответствующие изменения конструкции, замена деградирующих элементов. Потому для крупномасштабных памятников техники задача постоянного сохранения информации о них, фиксации этапов развития конструкции и окружающей среды как нельзя более актуальна.

Применение 3D-технологий, прежде всего лазерного сканирования, для сохранения трёхмерной информации о различных объектах является мировой тенденцией. В случае крупномасштабных памятников техники, сооружений и механизмов лазерное сканирование — это единственная эффективная технология сохранения метрически точной и высоко детализированной информации о геометрии объекта. Кроме того, созданная 3D-модель может также использоваться для создания интерактивных приложений, свободно доступных в сети Интернет, для организации «виртуальных путешествий», как это было показано выше в примере Шаболовской радиобашни. Возможно, применение лазерного сканирования для всемирно известных памятников советского периода, являющихся крупномасштабными техническими объектами, послужит не только способом сохранения информации о них, но и средством популяризации новых 3D-технологий, привлечения внимания к возможностям новых технологий со стороны эксплуатирующих организаций, музеев, архивов.

Литература

1. Волошин В.Крейсер «Аврора» отправят с места стоянки на ремонт // Известия, 7 февраля 2013. Режим доступа: http://izvestia.ru/news/544398
2. Леонов А. В., Батурин Ю. М. 3D документ —новый тип научно-технической документа-ции // Вестник архивиста. 2013. No 2. С.192–205.
3. Smithsonian X 3D. Режим доступа: https://3d.si.edu
4. Leonov, A. V. etal. Laser Scanning and 3D Modeling of the Shukhov Hyperboloid Tower in Moscow // Journal of Cultural Heritage. V. 16. Issue 4. P. 551–559.
5. Angus W.Stocking. Scanning the «Black Dragon»// LiDAR. 2014. V. 4. No. 8. P. 13–18.
6. Frank Urquhart.Antarctic ship RSS Discovery scanned by 3D laser // The Scotsman. Thursday 14, November 2013.
7. Mill H. R.The Siege of the South Pole. Alston Rivers, London, 1905
8. «Родина-мать» накренилась на 211 миллиметров // Взгляд. 6 мая 2009г.Режим доступа: http://vz.ru/news/2009/5/6/284249.html

 

Статья опубликована в Сборнике материалов годичной научной конференции Института истории естествознания и техники им. С.И. Вавилова РАН (2016). Публикуется с незначительными купюрами с разрешения авторов.