close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Semenzov Metodika proved2013

код для вставкиСкачать
Министерство образования и науки
Российской Федерации
Санкт-Петербургский государственный
архитектурно-строительный университет
МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ОБСЛЕДОВАНИЙ
И МОНИТОРИНГА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ
ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
ПЕРЕДОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Учебное пособие
Под редакцией С. В. Семенцова, М. М. Орехова
Санкт-Петербург
2013
1
УДК 528.721221.6: 5288.042
Рецензенты: д-р техн. наук, профессор В. И. Глейзер (ЗАО «Геодезические
приборы»); д-р архит., профессор, чл.-корр. РААСН Ю. И. Курбатов (СПбГАСУ)
Коллектив авторов: С. В. Семенцов, М. М. Орехов, В. И. Волков,
А. Б. Шмидт, Е. Р. Возняк, А. В. Подпорин, Н. П. Заборщикова, С. Е. Кирютина, Е. В. Скогорева
Методика проведения обследований и мониторинга технического состояния зданий и сооружений с использованием передовых технологий
[Текст] : учеб. пособие / С. В. Семенцов [и др.] ; СПбГАСУ, 2013. – 76 с.
ISBN 978-5-9227-0428-1
Предназначено для инженерно-технических работников, занимающихся
обследованием и мониторингом технического состояния зданий и сооружений
с использованием передовых технологий.
Содержит рекомендации по техническому и технологическому сопровождению этих технологий; регламентирует требования к точности и детальности
средств измерения, а также к выходным форматам пространственных моделей
объектов для обеспечения совместимости с существующими информационными системами, а также системами автоматизированного проектирования.
Может быть использовано в учебном процессе для студентов по направлениям подготовки 270800 «Строительство» и 270100 «Архитектура».
Табл. 2. Ил. 2. Библиогр.: 11 назв.
Рекомендовано Редакционно-издательским советом СПбГАСУ в качестве
учебного пособия.
Разработано коллективом авторов СПбГАСУ
по заданию Комитета по строительству
Санкт-Петербурга
ISBN 978-5-9227-0428-1
© Под ред. С. В. Семенцова, М. М. Орехова
© Санкт-Петербургский государственный
архитектурно-строительный университет, 2013
2
1. ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время проведение обследований, мониторинга технического состояния, контроля хода строительства зданий и сооружений
выполняется различными методами и с применением большого набора инструментов, приборов и оборудования. Наиболее передовые методы – лазерное сканирование, фото- и георадарная съемки, применяемые
самостоятельно или совместно с традиционными методами, по результатам которых создаются обмерные чертежи, трехмерные модели с текстурами фасадов и другие необходимые документы.
Методика позволяет связать работы по созданию цифровой объемной модели зданий и сооружений, полученных методом лазерного сканирования, с материалами, необходимыми при обследовании зданий
и сооружений, а также с действующими нормами и стандартами.
Методика восполняет недостающие в действующих СНиПах
и ГОСТах нормативные требования к указанным видам работ, содержит
рекомендации по их техническому и технологическому сопровождению
и регламентирует требования к выходным форматам пространственных
моделей объектов для обеспечения совместимости с информационными системами и системами автоматизированного проектирования.
Рекомендации, содержащиеся в методике, направлены на сохранение возможностей как традиционных методов использования результатов выполненных работ, так и на использование перспективных автоматизированных методов анализа и обработки данных, применяемых
в информационно-аналитических системах, в том числе для сравнения
полученных результатов с эталонными (проектными) значениями.
Трехмерное лазерное сканирование быстро становится неотъемлемой частью обмерных работ при подготовке проектов реставрации зданий и сооружений – объектов культурного наследия. Применение передовых технологий в строительном деле востребовано на всех этапах
строительства: при обследовании зданий и сооружений; кварталов урбанистической застройки; при проектно-изыскательских работах на
стадии проектирования; контроле над объектами на всех этапах строительства (от нулевого цикла и котлована с фундаментами вплоть до завершенного объекта); при формировании исполнительной документации и сдаче готовых объектов в эксплуатацию.
3
Использование современных технологий трехмерного проектирования и лазерного сканирования позволяет во многом сократить сроки по
предпроектному исследованию состояния объектов; полученные впоследствии трехмерные модели можно использовать при проведении реконструкции и дальнейшей эксплуатации объектов.
2. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ
Настоящая методика может применяться:
для проектных изысканий;
при обследовании технического состояния зданий и сооружений,
в том числе с целью оценки фактических значений контролируемых параметров грунтов основания, строительных конструкций, инженерного
обеспечения (оборудования, трубопроводов, электрических сетей и др.),
характеризующих работоспособность объекта обследования и определяющих возможность его дальнейшей эксплуатации, реконструкции
или необходимость восстановления, усиления, ремонта, теплотехнических и акустических свойств конструкций, систем инженерного обеспечения объекта, за исключением технологического оборудования;
для инвентаризации (ПИБ и ГИОП), реконструкции и реставрации
зданий и сооружений;
контроля строительства;
топографической съемки подземных объектов инженерных сетей;
при мониторинге технического состояния зданий и сооружений;
составлении заключения по итогам проведенного обследования
(мониторинга) зданий и сооружений;
изготовлении исполнительной документации.
3. НОРМАТИВНЫЕ И МЕТОДИЧЕСКИЕ ДОКУМЕНТЫ
1. Градостроительный кодекс Российской Федерации («Российская
газета», № 290, 30.12.2004).
2. Земельный кодекс Российской Федерации («Собрание законодательства РФ» 29.10.2001, № 44, ст. 4147).
3. Жилищный кодекс Российской Федерации («Собрание законодательства РФ», 03.01.2005, № 1 (часть 1), ст. 14).
4. Федеральный закон от 22.07.2008 № 123-Ф3 «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности», раздел II («Собрание законодательства РФ», 28.07.2008, № 30 (ч. 1), ст. 3579).
4
5. Постановление Госстроя России от 29.10.2002 № 150 «Об утверждении Инструкции о порядке разработки, согласования, экспертизы
и утверждения градостроительной документации» СНиП 11-04–2003.
6. Приказ Минэкономразвития от 03 октября 2012 № 646-дсп
«О внесении изменений в приказ Минэкономразвития России от
17 марта от 2008 г. № 01 «Об утверждении перечня сведений, подлежащих засекречиванию, Министерства экономического развития
и торговли Российской Федерации»».
7. ГОСТ Р 21.1101–2009 «Система проектной документации для
строительства. Основные требования к проектной и рабочей документации».
8. СП 54.13330.2011 «СНиП 31-01–2003 «Здания жилые многоквартирные».
9. СНиП 31-06–2009 «Общественные здания и сооружения».
10. СНиП 11-02–96 «Инженерные изыскания для строительства.
Основные положения».
11. СП 13-102–2003 «Правила обследования несущих строительных
конструкций зданий и сооружений».
12. ВСН 53-86(р) «Правила оценки физического износа жилых зданий».
13. ВСН 57-88 (р) «Положение по техническому обследованию жилых зданий».
14. Инженерно-геодезические изыскания для строительства. СП 11104–97. – М., 1997. – 77 с.
15. Инженерные изыскания для строительства. Основные положения. СНиП 11-02–96. – М., 1997. – 48 с.
16. ГОСТ Р 53778–2010 «Здания и Сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния».
17. Инструкция по топографической съемке в масштабах 1:5000,
1:2000,1:1000, 1:500 (ГНИНП-02-033–79). – М., Недра, 1982. – 156 с.
18. Основные положения о государственной геодезической сети
Российской Федерации, ГКИНП (ГНТА) – 01-006–03, Москва, 2004.
19. Условные знаки для топографических планов 1:5000, 1:2000,
1:1000, 1:500. – М., Недра, 1989. – 284с.
20. Правила по технике безопасности на топографо-геодезических
работах, ПТБ-88, М., Недра, 1991.
21. Своды правил по проектированию и строительству.
22. Своды правил системы противопожарной защиты.
5
23. Межгосударственные и национальные стандарты в области строительства.
24. Действующие Положения о государственных органах управления и надзора, участвующих в осуществлении строительства, регламенты их деятельности.
25. Территориальные строительные нормы «Градостроительство.
Реконструкции и застройка нецентральных районов Санкт-Петербурга»
(ТСН 30-305–2002).
26. СНиП 2.07.01–89* «Градостроительство. Планировка и застройка
городских и сельских поселений» (СП 42.13330.2011 Градостроительство.
Планировка и застройка городских и сельских поселений).
27. СП 11-105–97 Часть V. Инженерно-геологические изыскания
для строительства. Правила производства работ в районах с особыми
природно-техногенными условиями. – ПНИИС, Москва, 2003.
28. Методические рекомендации по применению георадаров
РОСАВТОДОР, Москва, 2003.
29. Постановление Госстроя России от 29.10.2002 № 150 «Об утверждении Инструкции о порядке разработки, согласования, экспертизы
и утверждения градостроительной документации» СНиП от 29.10.2002
№ 11-04–2003.
30. ГОСТ Р 21.1101-2009 «Система проектной документации для
строительства. Основные требования к проектной и рабочей документации».
31. Федеральный закон от 21 июля 1997 г. № 116-ФЗ «О промышленной безопасности опасных производственных объектов».
32. СП 13-102–2003 «Правила обследования несущих строительных
конструкций зданий и сооружений».
33. ГОСТ 21.501–93. СПДС. Правила выполнения архитектурностроительных рабочих чертежей.
34. СНиП 3.01.03–84. Геодезические работы в строительстве.
35. ГОСТ 23616–79. Система обеспечения точности геометрических
параметров в строительстве. Контроль точности.
36. ГОСТ 23615–79. Система обеспечения точности геометрических
параметров в строительстве. Статистический анализ точности.
37. ГОСТ 21778–81. Система обеспечения точности геометрических
параметров в строительстве. Основные положения.
38. ГОСТ 21779–82. Система обеспечения точности геометрических
параметров в строительстве. Технологические допуски.
6
39. ГОСТ 26433.0–85. Система обеспечения точности геометрических параметров в строительстве. Общие положения.
40. ГОСТ 26607–85. Система обеспечения точности геометрических
параметров в строительстве. Функциональные допуски.
41. ГОСТ 26433.2–94. Система обеспечения точности геометрических параметров в строительстве. Правила выполнения измерений параметров зданий и сооружений.
42. ГОСТ 21.501–93. Правила выполнения архитектурно-строительных рабочих чертежей.
4. ТЕРМИНЫ И СОКРАЩЕНИЯ
БС – базовая станция/станции.
БСВ-77 – Балтийская система высот 1977 г.
ВГС – высокоточная геодезическая сеть.
ВЛС – воздушное лазерное сканирование.
ВТУ ГШ – Военно-топографическое управление Генерального
штаба.
ГГС – государственная геодезическая сеть.
ГНС – государственная нивелирная сеть.
ГУГК СССР – Главное управление геодезии и картографии СССР.
ГШ ВС РФ – Генеральный штаб Вооруженных сил Российской
Федерации.
КТ – контрольная точка.
ТТ – трансформационная точка.
МГ – магистральный газопровод.
ПО – программное обеспечение.
РУ – редакционные указания.
СГГС – спутниковые городские геодезические сети.
СК – система координат.
ТЗ – техническое задание.
ТЛО – точки лазерных отражений.
ФАГС – фундаментальная астрономо-геодезическая сеть.
ЦАФС – цифровая аэрофотосъемка.
ЦММ – цифровая модель местности.
ЦМР – цифровая модель рельефа.
ЦОФП – цифровой ортофотоплан.
GPS/Глонасс – глобальная система позиционирования.
7
PDOP – коэффициент потери точности совокупного определения местоположения.
PPP – Precise Point Positioning – метод позиционирования на основе
точных часов и эфемерид.
TGO – программное обеспечение фирмы TRIMBLE (USA) – TRIMBLE
Geomatics Office.
TIN – нерегулярная цифровая модель рельефа.
WGS-84 – всемирная система геодезических параметров Земли 1984 г.
5. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
1. Все виды работ необходимо выполнять с точностью, обеспечивающей соответствие геометрических параметров проектной документации, требованиям строительных норм, правил и государственных стандартов.
2. Всё применяемое оборудование (в том числе геодезические приборы) должно быть сертифицировано и калибровано.
3. Порядок и объем контроля над выполняемыми работами устанавливаются соответствующими проектами организации и проектами
производства работ.
6. ГЕОДЕЗИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАБОТ
1. Для геодезического обеспечения наземного и мобильного лазерного сканирования, георадарной и фотографической съемки выполняется
комплекс геодезических работ по созданию съемочной геодезической
сети, который включает:
− подготовительные работы;
− обследование пунктов геодезических сетей;
− геодезические работы по созданию базовых станций и трансформационных точек;
− спутниковые наблюдения при геодезическом обеспечении наземного и мобильного лазерного сканирования, цифровой фотосъемки;
− обработку данных по определению координат и высот базовых
станций и контрольных точек.
2. Подготовительные работы подразумевают:
− определение геодезической изученности района проведения работ;
− подготовка рабочих проектов расположения и привязки базовых
станций (БС) и контрольных точек (КТ);
8
− оформление и направление в Управление Росреестра заявки на регистрацию геодезических работ, получение выписок из каталогов координат и высот пунктов ГГС;
− получение Свидетельства о регистрации топографо-геодезических
работ;
− получение выписки из каталогов координат и высот пунктов ГГС
и ГНС на территорию работ.
3. Обследование пунктов ГГС и ГНС выполняется в соответствии
с требованиями инструкций.
В качестве исходных материалов и данных используются:
− схемы геодезической изученности района работ;
− выписки из каталогов координат и высот геодезических пунктов;
− топографические карты масштаба 1:100 000 и 1:200 000 разных годов издания.
В ходе обследования необходимо:
− отыскать пункт на местности;
− произвести осмотр и определить состояние наружных знаков
и центров.
При осмотре определяется пригодность сохранившегося наружного
знака для наблюдений.
Результаты обследования пунктов ГГС и ГНС оформляются карточками обследования и сводной ведомостью.
4. Геодезические работы по созданию базовых станций (БС) и контрольных точек (КТ) заключаются в следующем.
Для сопровождения работ по МЛС выполняется создание геодезических базовых станций на основе существующей государственной геодезической сети. При составлении проекта используются пункты ГГС
классов 1–4. Создание базовых станций производится на основе существующей Государственной геодезической сети ГГС.
Для пунктов ГГС, включенных в сеть, устанавливают условия:
− расстояние от пункта до района работ – не более 3 км;
− закрытость горизонта на пунктах ГГС – не более 10˚; при этом
предусматривается возможность демонтажа наружного знака пункта
с последующим его восстановлением после окончания работ;
− обеспечивается стабильность положения центра в течение всех сезонов года и удовлетворительный подъезд к пунктам автотранспортом.
При невозможности соблюдения этих условий используют часть
вновь заложенных пунктов опорной геодезической сети расположенной на территории объекта.
9
Проект создания сети корректируется по факту проведенных на
местности рекогносцировок. Возможна замена пунктов в сети в случае, если запланированный пункт разрушен или не пригоден к использованию.
Для обеспечения заданной точности материалов сканирования выполняют спутниковые измерения по программе спутниковой геодезической сети 1-го разряда с использованием фазового дифференциального
метода спутниковой геодезии, с вычислением векторов базовых линий
между станциями постоянного мониторинга, станциями каркасной сети
и передачей координат от них на станции опорной сети.
При выполнении работ рекомендуется использовать двухчастотную
технологию измерений для исключения влияния ионосферы на точность и качество обработки векторов базовых линий.
Для сбора данных на определяемых станциях каркасной и опорной
сети используются двухчастотные ГЛОНАСС/GPS-приемники геодезического класса c инструментальной точностью в «Статике» не ниже
± 5 мм + 0,5 мм/км.
После обработки ГЛОНАСС/GPS базовых линий выполняется уравнивание сети.
Перед началом производства работ выполняют предварительное
планирование измерений в программе Mission Planner – модуле обрабатывающей программы GrafNet.
Измерения выполняют в режиме «статика», интервал записи 5 с,
маска 10˚, время наблюдений на смежных пунктах 1 ч при расстоянии
между пунктами 10 км + 10 мин на каждый последующий километр
(требование нормативной документации фирмы Topcon Positioning
Systems).
Уравнивание сети производится в системе координат WGS-84. При
этом за исходные берутся истинные координаты одного из пунктов,
включенного в сеть ITRF. Вычисляют семь параметров пересчета из
WGS-84 в систему координат проекта.
Создание геодезической сети опознавательных знаков выполняется с использованием спутниковой аппаратуры с точностью 2 разряда
(в плане) и технического нивелирования (по высоте).
В качестве исходных пунктов для создания геодезической сети опознавательных знаков используются только пункты государственной геодезической и государственной нивелирной сети, принятые для производства работ по лазерному сканированию.
10
Точность планово-высотных координат исходных пунктов, применяемых для создания геоосновы для съемочных работ, определяется из
практических спутниковых измерений по технологии относительных
статических наблюдений; исходные пункты с неудовлетворительной
точностью плановых координат исключаются из обработки.
Контрольные точки (марки) располагаются в пределах зоны сканирования на стабильных, хорошо просматривающихся при сканировании объектах. Предусматривается использование не менее двух контрольных точек на 1 га местности для оценки точности измерений по
XYZ. Контрольные точки закрепляются на местности временно.
Точность определения координат съемочного обоснования должна
удовлетворять требованиям СП 11-104-97 п.5.25.
При производстве GPS/GLONASS-измерений применяют статический способ, обеспечивающий наивысшую точность измерений. Центрирование и нивелирование антенны выполняется оптическим центриром; точность составляет 1 мм. Антенну ориентируют на Север по
ориентирным стрелкам (меткам).
Высоты антенн измеряются рулеткой и специальным устройством
дважды: до и после наблюдений. Измерения выполняются в соответствии с «Руководством пользователя» и записываются в журнале установленного образца.
В процессе наблюдений работа приемников проверяется каждые
15 мин. Проверяются электропитание, наличие сбоев в приеме спутниковых сигналов, количество наблюдаемых спутников, значения DOP.
При ухудшении этих показателей увеличивают время наблюдений.
Результаты проверки записываются в полевом журнале.
Процессирование выполняется с использованием точных эфемерид.
В результате предварительной обработки получают величины измеренных векторов сети.
Уравнивание векторных спутниковых измерений выполняется с помощью ПО GrafNet фирмы WayPoint Group.
Окончательное уравнивание опорной спутниковой сети данного объекта выполняется с использованием фиксированных координат и высот
исходных пунктов в системе координат проекта.
Для обеспечения работ по МЛС необходимо определить контрольные точки на расстоянии 10–30 м вдоль полосы сканирования.
11
7. ПЕРЕДОВЫЕ МЕТОДЫ ВЫПОЛНЕНИЯ СЪЕМКИ
7.1. Лазерное сканирование
7.1.1. Общие положения
При традиционных методах получения метрической информации об
архитектурных объектах применяются натурные обмеры или методы
наземной фотограмметрии. Однако при больших объемах снимаемой
территории и сложных архитектурных фасадах применение электронного тахеометра себя не оправдывает. Полная автоматизация при сборе
пространственных данных об объектах средствами лазерной локации
позволяет увеличить производительность работ и сократить время их
выполнения. Современные технологии предусматривают создание высокодетальных трехмерных моделей зданий и сооружений на основании данных мобильного и наземного лазерного сканирования.
При лазерном сканировании используются два основных метода измерения наклонной дальности: импульсный и фазовый. Реализация импульсного метода измерения наклонной дальности предполагает определение времени распространения лазерного импульса от сканера до
объекта и обратно. Принцип определения наклонной дальности при использовании фазового метода состоит в определении количества целых
длин волн между сканером и объектом, а также разности фаз излученной и принятой волны модулирующего колебания.
При использовании приборов, работающих по тому или иному методу, необходимо учитывать их достоинства и недостатки.
Достоинства импульсного метода включают в себя высокую устойчивость измерений и возможность регистрации множественного отражения, недостатки – ограничение по точности, разрешающей способности и производительности.
К достоинствам фазового метода можно отнести максимально возможную точность измерения и производительность, к недостаткам –
ограниченную дальность действия, возможность получения неоднозначности при определении целого количества длин волн и невозможность регистрации множественного отражения.
7.1.2. Технология мобильного лазерного сканирования (МЛС)
Технология мобильного лазерного сканирования позволяет производить съемку объекта с высокой плотностью сканирования (шаг сканерной сетки до 2 см) в сжатые сроки.
12
Обычно система мобильного лазерного сканирования состоит из двух
основных блоков: измерительного и навигационного. Измерительный
блок, аналогично системе НЛС, производит сканирование объектов,
а система позиционирования осуществляет «привязку» траектории движения сканера.
7.1.2.1. Принципы мобильного лазерного сканирования
Перемещающийся в пространстве на каком-либо наземном носителе (автомобиль, вездеход и иные транспортные средства) лазерный
сканер осуществляет постоянное импульсное измерение дальности
и времени прохождения сигнала. По времени прохождения сигнала
определяется дальность, а с помощью внутренней системы отсчетов –
угол, под которым был выпущен лазерный импульс, а также количество отражений, которое было принято (их может быть не одно, а несколько) с последующим распознанием по типам отраженных сигналов от типов объектов. Указанные сведения комбинируются с информацией о координатах и трех углах разворота носителя. Эта информация
поступает как с датчиков GPS, так и от инерциальной навигационной
системы. Обработка данных с указанных двух приборов обычно ведется в режиме постобработки, т. е. после окончания работ, с использованием внешних дополнительных данных, поступающих с базовых станций. Для предварительной оценки покрытости территории возможно
использование GPS-решения без базовых станций – так называемый
метод PPP, однако для достижения максимальных точностей использование данного метода не рекомендовано.
7.1.2.2. Рекомендации по выполнению МЛС
Рекомендуется использовать оборудование и условия съемки, обеспечивающие следующие предельные значения параметров МЛС, полученные опытным путем (табл. 1).
Таблица 1
Предельные значения параметров МЛС
Параметр
Значение
Скорость носителя, км/ч
Не более 30–40
Частота лазерных измерений, КГц
Не менее 400
Расчетная плотность точек лазерных отражений Не менее 500
на 1 м2
13
Для исключения «мертвых зон» желательно выполнять проезд
в двух направлениях, либо использовать данные, полученные со сканеров «заднего вида», или использовать оба варианта и выполнять сканирование в сухую погоду при отсутствии жидких или твердых осадков
в заданном ТУ на сканер диапазоне температур.
Постобработка данных полевой съемки МЛС включает расчет файла
траекторий и пространственную привязку данных фотофиксации.
Расчет проводится для оценки точности и создания файла траекторий
(измеренных дальностей), чтобы получить окончательное решение –
дальности и геопозиционирования.
Снимки, полученные в процессе сканирования, обычно сохраняются
в формате JPEG. Файл геопривязки центров проекции снимков сохраняется в формате ASCII.
Обработка данных мобильного лазерного сканирования должна обеспечить уравнивание и классификацию точек лазерных отражений.
При уравнивании используются точки лазерных отражений, имеющиеся в избыточном количестве после двух или более проходов системы в прямом и обратном направлении. Избыточные данные между проходами обеспечивают минимизацию ошибок GPS и IMU.
Классификация точек осуществляется полуавтоматически, однако
в сложных ситуациях выполняется «ручная» корректура. Перед классификацией точек земли выполняется автоматический поиск и классификация ошибочных точек. Контроль и корректура после автоматической
классификации точек выполняются с использованием цифровой модели рельефа.
После контроля классификации точки земли экспортируются в текстовый формат с заданным шагом (*.xyz).
Все классифицированные ТЛО сохраняются и передаются заказчику в формате LAS.
7.1.2.3. Рекомендации по выполнению работ с использованием
Riegl VMX250
Одна из наиболее совершенных систем, предлагаемых сегодня на
рынке, – лазерная сканирующая система RIEGL VMX-250, оснащенная
двумя сканерами шпиндельного типа, каждый из которых не имеет развертки в вертикальной плоскости и обладает только разверткой в горизонтальной плоскости. В ходе вращения головки сканера происходит
непрерывное сканирование точек, образующих кольцо, но за счет дви14
жения носителя это кольцо разворачивается фактически в спираль точек, располагающейся вдоль носителя.
Для устранения эффекта затенения (за столбами, различными углами зданий, а также движения машин или людей) применяется система
из двух наклоненных сканеров, позволяющих свести площадь затененных участков к минимуму. Два этих сканера находятся в очень жесткой связи, установлены на незначительной дистанции друг от друга.
Взаимная точность калибровки точек лазерных отражений, попадающих на одни и те же объекты, но регистрирующихся разными сканерами, составляет не более 2 мм на дистанциях до 10 м.
Точность инерциальной системы позволяет производить измерения на расстоянии до 200 м (максимум 500) с точностями до 5 см и без
учета точности GPS-решений, которые также составляют, как правило,
5 см, в условиях хорошего GPS-прогноза. В конечном счете это дает
точность 7,5 см, что полностью соответствует масштабу картографирования М 1:500 1:1000 с сечением рельефа до 25 см.
Сканирующая система Riegl VMX-250 также оснащена четырьмя цифровыми калиброванными камерами, установленными на одной
платформе со сканером. Камеры производят съемку в автоматическом
режиме, с заданной частотой (до 20 кадров в секунду). Использование
фотокамер позволяет раскрашивать точки лазерных отражений в истинные цвета, что существенно облегчает дешифрирование объектов по
точкам, а также может быть использовано для текстурирования трехмерных моделей.
7.1.2.4. Монтаж оборудования на наземные носители на примере
системы RIEGL VMX-250
Установка лазерной сканирующей системы производится с учетом
носителей, его габаритов и транспортных характеристик. Так, в случае
использования автомобиля NISSAN PATHFINDER на его крышу устанавливается специальный сертифицированный кронштейн, на котором
располагаются головки носителя и камера, выполняющая одновременную фотосъемку.
Головки носителя представлены системой RIEGL VMX-250, состоящей из двух сканеров VQ-250, каждый из которых способен выполнять
до 300 000 измерений в секунду (всего 600 000 точек в секунду, 2.16
млрд точек в час). Внутри кожуха, объединяющего головки, находится
инерциальная навигационная система, двухчастотный GPS-приемник
15
и четыре фотокамеры, выполняющие съемку в кадровом режиме с высокой частотой (порядка 1 Гц), что позволяет впоследствии раскрасить
облако точек в естественные цвета без выполнения дополнительных
работ.
Синхронизация работ ведется исключительно по времени. Генератор
времени позволяет выполнять работы с точностью до нескольких наносекунд, что дает возможность практически не учитывать в расчетах погрешность по времени между различными системами.
Для дальнейшего выполнения работ по установке головки на крышу
машины к управляющему модулю, расположенному внутри машины,
требуется подсоединить специальным единым дата-кабелем всю съемочную часть, которая, в свою очередь, управляется оператором, сидящим справа от водителя, при помощи ноутбука.
Как правило, при неизменности носителя расположение всех компонентов системы представляет собой некую постоянную величину.
Датчик движения, установленный на колесо машины, предназначен для
устранения погрешностей и шумов GPS-определений в тех точках, где
сканер в действительности стоит. Это избавляет от накапливания ошибки и повышает точность измерений.
Расстояние между датчиком движения и GPS-антенной измеряется
один раз (в случае, если носитель не меняется) с точностью до 5 см.
Калибровка комплекса производится в заводских условиях в рамках
планового регламентного технического осмотра. Все компоненты системы находятся в неразборном кожухе, защищенном от пыли и влаги
и заполненном инертным газом.
7.1.2.5. Сезонные и погодные ограничения на проведение работ
Мобильный лазерный сканер имеет Первую категорию опасности
и работает в ближнем инфракрасном диапазоне спектра. Даже мельчайшая пленка воды серьезно ослабляет сигнал до такой степени, что он не
регистрируется, так что в мокрую погоду плотность сканирования точек может резко упасть вплоть до полного пропадания результатов.
При наличии снега и иных твердых форм осадков, появляющихся
в воздухе, возможно сильное зашумление облака точек, что вызовет
сложности в последующей обработке этих данных. Рекомендуется выполнение работ в сухую, не ниже –10 °С, погоду, при полном отсутствии
осадков. На качество результатов оказывают влияние туман, сильная облачность и другие подобные явления.
16
7.1.2.6. Обработка данных на примере системы RIEGL VMX-250
Перед обработкой сырые данные со сканера и данных инерциальной
системы переносятся в компьютер. В первую очередь обрабатываются
данные траекторных измерений. Они разделяются на данные инерциальной и GPS-системы, а затем обрабатываются с помощью специального программного обеспечения, позволяющего получить дискретное
решение для положения носителя с частотой 2 Гц и точностью до 5 см
(GRAFNAF или POSGNSS). Данное решение комбинируется с инерциальными данными и программным комплексом POSPAC и преобразуется в единую траекторию.
Траектория представляет собой базу данных, в каждой строке которой записаны метка времени, координаты x, y, z, положение центра
инерциальной системы и три угла ее разворота. Данные измерения производятся с высокой частотой и позволяют с высокой степенью точности позиционировать точки лазерных отражений.
После получения траекторного решения в пакете RiPROCESS производится сначала комбинирование и геопозиционирование лазерных
точек посредством совмещения траекторных и сканерных измерений.
Вслед за этим производится их классификация.
В этом же пакете могут быть позиционированы фотографии, и с их
помощью каждой точке может быть присвоен цвет, полученный с фотографии. В этом случае при экспорте данных каждой точке добавляются
три дополнительных параметра это яркость RGB.
Для обеспечения плотности съемки в 200 линий в секунду (на одну
головку), гарантирующую расстояние между точками сканирования
в 9–10 мм вдоль оси движения и 20 мм поперек оси движения (на дистанции 10 м при однократном проходе), рекомендуется выполнять съемку на скорости 5–7 км/ч (180–200 см/с).
Съемка выполняется при объезде максимально возможной территории ведения работ, включая объезд сканируемой территории снаружи ее
периметра. Съемка тупиковых проездов выполняется при движении до
конца проезда с последующим движением обратно.
Работы выполняются с учетом прогноза качества приема сигналов GPS-ГЛОНАСС (для маски 20°) в оптимальные периоды времени.
Допускается ведение работ в ночное время.
Предполагаемые точности получаемых результатов:
− для определения траектории (по данным пост-обработки совместного кинематического решения с использованием ИНС) – 40 мм;
17
− для определения дальности (измерения только лазера в его собственной системе координат) – 5 мм;
− совокупная точность решений (с учетом пространственных и угловых траекторных решений и точности лазера) – 60 мм в плане и по
высоте.
часть сканера (головка). Отклонение лазерного луча в вертикальном направлении осуществляется шаговым электромотором с закрепленным
на нем зеркалом.
7.1.3. Технология наземного лазерного сканирования (НЛС).
Создание трехмерных моделей зданий и внутренних помещений высокой точности и подробности (моделирование мелких архитектурных
деталей менее 5 см) возможно на основании данных наземного лазерного сканирования.
Технология наземного лазерного сканирования применяется для получения геометрических параметров объекта и основана на измерении
пространственных координат точек на его поверхности. Используя фазовый или импульсный лазерный дальномер и угломерное устройство,
прибор измеряет расстояние до объекта и направление лазерного луча,
а встроенное программное обеспечение пересчитывает измеренные величины в трехмерные координаты.
В зависимости от модели и режима работы сканер выполняет от нескольких тысяч до более миллиона измерений в секунду. Вращающееся
зеркало или призма производят отклонение сканирующего луча в вертикальной плоскости, тем самым осуществляя вертикальную развертку
сканера. Вращение сканера вокруг своей оси с заданной скоростью осуществляет горизонтальную развертку сканера. Результат работы – так
называемое облако точек. Плотность такого облака зависит от расстояния до объекта и времени сканирования, и может достигать десятков
тысяч точек на квадратный метр поверхности.
7.1.3.1. Принцип действия наземных лазерных сканеров
Система для наземного лазерного сканирования состоит из наземного лазерного сканера (НЛС) и полевого компьютера со специализированным программным обеспечением. НЛС состоит из лазерного дальномера и блока развертки лазерного луча. Схема работы системы представлена на рис. 1.
В качестве блока развертки выступают сервопривод и многоугольное зеркало или призма. Сервопривод отклоняет луч на заданную величину в горизонтальной плоскости, при этом вращается вся верхняя
18
Рис. 1. Схема работы наземной сканирующей системы:
1 – лазерный дальномер; 2 – лазерный
луч; 3 – сканирующее зеркало (вращающаяся зеркальная призма); 4 – сканирующая головка сканера; 5 – кабель
передачи данных на PC; 6 – PC с программным обеспечением; 7 – носитель
информации
Угловая точность шаговых электромоторов, управляющих вращением сканера и зеркала, наряду с точностью лазерного безотражательного
дальномера, является важной составляющей точности получаемых координат точек.
После определения направления распространения лазерного луча
и расстояния до точек объекта формируется растровое изображение –
скан.
На скане значения пикселей представляют собой элементы вектора со следующими компонентами – измеренное расстояние, интенсивность отраженного сигнала и RGB-составляющей, которая характеризует реальный цвет точки.
Положение (строка и столбец) каждого пикселя полученного растра отражает значения измеренных вертикального и горизонтального
углов. В большинстве случаев для получения реального цвета используют цифровую камеру. С ее помощью можно выполнить фотосъемку
окружения прибора. Получив панорамную фотографию объекта, мож19
но взять из нее только то, что требуется, избежав сканирования лишних
фрагментов и, следовательно, потерь рабочего времени.
Другой формой представления результатов съемки будет являться
массив точек лазерных отражений от объектов, находящихся в поле зрения сканера. Определив дальномером расстояние и зная угол отклонения
лазерного луча в горизонтальной и вертикальной плоскостях, можно получить пространственные координаты каждой точки, а также интенсивность и реальный цвет. Они будут находиться в системе координат сканера. Пространственные координаты точек объекта в системе координат
НЛС вычисляются по следующим формулам:
X = R cos φ sin θ 

Y = R sin φ sin θ  ,

Z = R cos θ

где R – измеренная дальность от точки стояния сканера до объекта;
φ – горизонтальный угол измеренного направления лазерного луча R;
θ – вертикальный угол направления, отсчитываемый от оси Z до вектора R (зенитное расстояние направления лазерного луча).
Эти формулы обобщены для перехода от полярной системы координат к пространственной декартовой (рис. 2). Для каждого сканера они
имеют индивидуальный вид, где учитываются несовпадения источника
излучения и приемника, эксцентриситет горизонтальной и вертикальной осей вращения прибора и другие величины, относящиеся к калибровке сканера.
Z
R
X
-Y
-X
Y
Рис. 2. Система координат НЛС, где точка О – сканирующая головка сканера
20
7.1.3.2. Анализ современных средств и методов наземного
лазерного сканирования
Лазерное сканирование – технология, позволяющая создать цифровую трехмерную модель объекта, представив его набором точек с пространственными координатами. Технология основана на использовании
лазерных сканеров, измеряющих координаты точек поверхности объекта с высокой скоростью – порядка нескольких десятков тысяч точек
в секунду. Полученный набор точек называется «облаком точек» и впоследствии может быть представлен в виде трехмерной модели объекта,
плоского чертежа, набора сечений, поверхности и т. д.
В настоящее время разработкой приборов для трехмерного лазерного
сканирования занимается множество фирм, таких как Riegl (Австрия),
Trimble (США), Leica Geosystems (Швейцария) Optech (Канада) и др.
Лазерные сканеры различаются по основным техническим характеристикам, которые перечислены ниже.
− Обзорность, или рабочее поле зрения (малообзорные, среднеобзорные, полного обзора). Чем больше рабочее окно поля зрения, тем больше возможностей для съемки. Например, при использовании сканера
с окном 40×40° можно получить сканы фасада 100 м в ширину и 20 м
в высоту. Второй сканер с захватом 360 на 270° охватит бóльшую поверхность, однако его тоже нужно будет переставлять, так как при
бóльших углах наклона лазерный луч отражается от большей поверхности, чем если бы сканер находился перпендикулярно к объекту съемки. Чем больше лазерное пятно, тем бóльшую поверхность оно покрывает и тем больший импульс (по времени) возвращается в сканер; соответственно, тем меньше будет точность измерений.
− Дальность измерений зависит от мощности лазера и чувствительности приемного устройства. Дальность измерений подразделяется на
сканеры близкого действия (до 50 м); среднего (от 50 до 300 м); дальнего (свыше 300 м).
− Скорость измерений зависит от дальности, коэффициента отражения объекта, разрешения (плотности) измерений.
− Точность отдельного измерения, т. е. получение пространственных координат точки объекта. По точности сканеры делятся на низкоточные (с ошибкой получения координат более 10 мм), средней точности (с ошибкой от 3 до 10 мм) и высокоточные (с ошибкой менее 3 мм).
− Плотность измерений – чем меньше расстояние между ближайшими измерениями, тем, соответственно, более детальную картину
можно увидеть на результате сканирования.
21
− Размер лазерного пятна – проекция лазерного луча на плоскость;
диаметр пятна соответствует толщине лазерного луча. Чем больше лазерное пятно, тем меньше деталей можно снять (по аналогии сравнения
двух цифровых фотокамер, где одна с большим количеством мегапикселей, а другая с малым).
− Используемые средства получения информации о реальном цвете
объекта. Сканеры могут включать встроенную цифровую камеру, или
видеокамеру, или датчик, принимающий информацию о цвете отраженного импульса.
Каждый импульс возвращает не только расстояние, но и информацию
о цвете объекта, которая выражается в коэффициенте отражающей способности поверхности. Все точки скана окрашиваются в соответствии
с фотографией, сделанной с той же точки сканирования, чтобы избежать
псевдоцветов или оттенков серого, возникающих при извлечении информации сканирования. При этом необходимо правильно совместить цветовую информацию с точками на скане. Для наилучшего совмещения необходимо, чтобы фотокамера находилась в той же точке, что и измерительная система сканера.
Существует множество других характеристик: возможности настройки для сканирования, электропитание, размеры и общий вес оборудования и т. д.
7.1.3.3. Технологическая схема производства работ
по наземному лазерному сканированию
Предварительные и полевые работы:
− составление технического проекта на наземное лазерное сканирование;
− рекогносцировка и создание абрисов;
− составление рабочего проекта ПВО и наземного сканирования;
− создание ПВО;
− наземное лазерное сканирование.
Камеральная обработка:
− связка облаков наземного лазерного сканирования;
− перевод данных в глобальную систему координат;
− экспорт сканов в формат ПО, используемого для обработки данных наземного лазерного сканирования;
− построение трехмерной векторной модели объекта путем вписывания в массив точек геометрических примитивов и поверхностей или
построение объектов в виде полилиний.
22
1. Составление технического проекта. На этапе составления технического проекта регламентируются требуемая точность построения
трехмерной модели объекта, содержание и их детализация, необходимое оборудование, стоимость проведения работ.
2. Рекогносцировка местности. В зависимости от условий местности выбирается рациональный способ создания и сгущения съемочного обоснования. Намечаются точки расположения сканера, места размещения специальных марок, уточняются сроки проведения работ и т. п.
Количество и расположение сканпозиций проектируется исходя из
обеспечения необходимой точности создания продукции по сканам,
производительности и экономичности работ. Необходимо выбрать наиболее подходящие точки сканпозиций, чтобы с каждой точки хорошо
просматривался объект и чтобы этих точек было минимум. Расстояние
до объекта обычно не должно превышать 300 м; лучше всего выбирать
точки, находящиеся на расстоянии от 50 до 150 м. Также выбор сканпозиций должен обеспечивать отображение на одном скане максимальной
площади снимаемой территории. По завершении рекогносцировки составляются абрисы на снимаемую территорию.
3. Подготовка планово-высотного обоснования сканерной съемки.
Определение координат точек планово-высотного обоснования включает:
− составление проекта ПВО;
− закрепление точек ПВО;
− полевые измерения;
− камеральную обработку (уравнивание результатов полевых измерений и составление каталога координат точек ПВО);
− оценку точности ПВО.
4. Наземное лазерное сканирование. Порядок работы на сканпозиции:
− установка сканера на запроектированной точке на штатив;
− расстановка специальных марок для ориентирования сканов относительно внешней системы координат (объемные – для взаимного ориентирования сканов);
− сканирование местности и объектов вокруг точки стояния сканера
(если сканер снабжен цифровой камерой, то выполняется также цифровая съемка);
− сканирование специальных марок в максимальном разрешении,
позволяющем с предельно возможной точностью для данной модели
сканера определять их координаты в системе координат скана;
23
− измерение координат марок в глобальной системе координат на
основании ранее составленного ПВО;
− перемещение сканера на следующую точку сканирования с повторением всех предыдущих действий.
В настоящее время технология связки отдельных сканов между собой позволяет закреплять на местности минимальное количество марок, которые используются только для того, чтобы перевести все уже
увязанные между собой сканпозиции в глобальную систему координат.
5. Камеральные работы включают в себя следующие этапы.
− Увязка облаков точек наземного лазерного сканирования выполняется средствами специализированного программного обеспечения.
Точность такой увязки составляет до 5 мм.
− Перевод данных в глобальную систему координат осуществляется
с использованием марок, отсканированных с высокой плотностью, координаты которых должны быть измерены в глобальной системе координат. Для перевода всего проекта из местной системы, в которой сканы увязывались между собой, в глобальную, необходимо наличие как
минимум четырех марок, снятых с нескольких сканпозиций Однако чем
большее количество марок отсканировано, тем выше будет точность
привязки.
− Экспорт точек лазерных отражений из внутреннего формата сканера, которым производилась съемка, в один из общеизвестных форматов
(las, bin, ascii) для дальнейшей работы с облаками точек в любом специализированном программном обеспечении. При необходимости возможно экспортировать точки в натуральных цветах, которые получают
с камеры, работающей совместно с наземным лазерным сканером.
− Построение трехмерных векторных моделей объектов осуществляется в рамках специализированного программного обеспечения (например, AutoCAD, MicroStation, Autodesk 3dsMax,TerraScan, Cyclon,
RapidForm, Trimble Real Works Survey, Z+F Laser Control, Kubit Point
Cloud, Reconstractor, PolyWorks/Modeller) путем вписывания в облако
точек геометрических примитивов либо последовательной отрисовки
всех элементов и создания общего сложного 3D-объекта.
7.1.3.4. Рекомендации по выполнению НЛС
Полевые работы по лазерному сканированию внешних фасадов
и внутренних помещений с получением отдельных сканов, или сцен,
выполняются для последующего построения фасадных планов, гори24
зонтальных и вертикальных сечений здания, необходимых для разработки основных проектных решений.
Сканирование отдельных архитектурных элементов (лепнины, барельефов, фигур и т. п.), внутренних интерьеров выполняется в целях обоснования проекта реставрационных работ.
Сканирование деталей здания, представляющих историческую ценность и насыщенных мелкими (менее 5 см) лепными деталями, производится с точностью ±2–3 мм. Шаг сетки сканирования составляет
6–8 мм (условный класс 1).
Сканирование деталей здания, представляющих историческую ценность и представленных крупными гладкими поверхностями (в том
числе повторяющиеся формы) без лепных деталей, производится с точностью ±5–6 мм, шаг сетки сканирования 10–12 мм (условный класс 2).
На заведомо повторяющихся элементах шаг сканирования может быть
увеличен с сохранением возможности оценки габаритов объектов с точностью 1–1,5 см.
Сканирование деталей здания, не представляющих историческую ценность и представленных крупными гладкими поверхностями (в том числе
повторяющиеся формы) без лепных деталей, производится с точностью
±8–12 мм, шаг сетки сканирования 20–120 мм (условный класс 3). На заведомо повторяющихся элементах шаг сканирования может быть увеличен с сохранением возможности оценки габаритов объектов с точностью
1–1,5 см.
Лазерное сканирование внутренних помещений, в том числе лестничных пролетов, представляющих историческую ценность, осуществляется только на верхней площадке с захватом всего видимого объема; на прочих лестничных пролетах осуществляется отрисовка контуров стен методом тахеометрической съемки (плановая и высотная точность – 1–1,5 см).
Сканирование кованых элементов, фонарей, сеток на окнах, резьбы
по дереву и прочих мелких элементов декорирования помещений, представляющих историческую ценность, выполняется с точностью ±2–3 мм
(шаг сетки сканирования 6–8 мм (условный класс 1)) либо с точностью
± 5–6 мм (шаг сетки сканирования 10–12 мм (условный класс 2))
в рамках сканирования основных объемов. При необходимости по специальным требованиям выполняется отдельное сканирование указанных элементов. Непосредственно съемочные работы производятся
в условных системах координат. Условная система координат закрепля25
ется на местности с использованием временных реперных знаков (дюбели в стенах либо на асфальте) или постоянных марок государственных сетей, заложенных ранее (при обнаружении). Съемки внутренних и внешних частей зданий производятся в единой местной системе
координат.
С целью исключения «мертвых зон», возникающих от элементов фасада, расстояние между скан-позициями обычно не должно превышать
12 м (в среднем).
Итоговые результаты работ переводятся в необходимые системы координат в результате камеральной обработки.
7.2. Применение фотограмметрического метода
Современные технологии позволяют автоматически создавать высококачественные 3D-модели объектов на основе цифровых фотографий.
Восстановление текстурированной 3D-модели объекта на основе
цифровых фотографий производится в несколько этапов:
− определение положений и параметров внешнего и внутреннего
ориентирования камер;
− определение элементов внутреннего и внешнего ориентирования
камер, дисторсии объектива и т. п.;
− вычисление разреженного облака общих точек в 3D-пространстве;
− восстановление геометрии объекта;
− построение трехмерной полигональной модели, описывающей
форму объекта;
− текстурирование объекта;
− построение ортофотоплана (опционально).
7.2.1. Технологическая схема работ на примере использования
программного продукта Agisoft PhotoScan
Одним из программных продуктов, позволяющих автоматически
создавать высококачественные 3D-модели объектов на основе цифровых фотографий, является Agisoft PhotoScan.
Обработка изображений с помощью PhotoScan подразумевает следующие основные шаги:
− загрузку фотографий в PhotoScan;
− обзор загруженных изображений и удаление ненужных кадров;
− совмещение фотографий;
26
− построение трехмерной модели;
− редактирование трехмерной модели;
− экспорт результатов.
7.2.1.1. Загрузка фотографий
Перед запуском любой операции необходимо выяснить, какие фотографии будут использоваться в качестве исходных для трехмерной реконструкции. Фотографии не загружаются в PhotoScan до тех пор, пока
не потребуются для процесса обработки. Таким образом, выбирая опцию «Загрузить изображения», следует отмечать только те фотографии,
которые будут использованы для дальнейшей обработки.
7.2.1.2. Проверка загруженных фотографий
Загруженные фотографии отображаются в рабочем окне программы
вместе с флагами статуса.
Возможные статусы фотографий:
− NC («Нет калибровки»);
− «Не найдены EXIF-данные, по которым можно оценить фокусное
расстояние снимка». В этом случае PhotoScan предполагает, что соответствующая фотография была сделана объективом с фокусным расстоянием 50 мм (в эквиваленте 35 мм пленки). Если же реальное фокусное
расстояние значительно отличается от 50 мм, необходимо провести калибровку камеры вручную. Подробная инструкция о ручной калибровке камеры приведена в разделе «Калибровка камеры»;
− NA («Не выровнена»). Параметры внешнего ориентирования еще
не были получены для данной фотографии. Загруженные в PhotoScan
фотографии останутся несовмещенными до тех пор, пока не будет выполнен следующих шаг – выравнивание фотографий.
7.2.1.3. Выравнивание фотографий
После того как фотографии были загружены в PhotoScan, их необходимо выровнять. На этой стадии PhotoScan определяет положение камеры для каждого кадра и строит модель облака точек.
Параметры выравнивания:
− Точность. Высокая точность позволяет получить наиболее достоверное положение камеры. Низкая точность может быть использована
для грубого расчета положения камеры в кратчайшее время.
27
− Предварительный выбор пар изображений. Процесс выравнивания больших наборов фотографий может занимать значительное время,
бóльшая часть которого тратится на поиск соответствий между найденными на разных фотографиях особенностями. Предварительный выбор
пар может ускорить процесс путем выбора поднабора пар изображений,
для которых необходимо найти соответствия. В режиме «общий» преселекция пар осуществляется посредством предварительного отбора
с низкой точностью поиска соответствий. В режиме «Координаты камер» преселекция пар осуществляется на основе координат камер (при
наличии данных).
− Использовать маску для фильтрации соответствий. При использовании этой опции все особенности, найденные на участке изображения под маской, не учитываются. Дополнительная информация об использовании масок находится в разделе «Использование масок».
7.2.1.4. Построение геометрии модели
Реконструкция трехмерной модели требует больших объемов вычислений и может занимать длительное время в зависимости от количества загруженных фотографий и их разрешения. Рекомендуется начинать с построения модели в низком качестве, чтобы оценить применимость выбранного метода реконструкции для данного случая. После
этого можно пересчитать результаты с использованием более высоких
настроек качества. Рекомендуется сохранить проект перед запуском
процедуры построения геометрии.
Методы реконструкции. Agisoft PhotoScan поддерживает несколько методов восстановления 3D-модели и предоставляет ряд настроек,
позволяющих выполнить оптимальную реконструкцию для конкретного набора фотографий.
Тип объекта. Произвольный. Произвольный тип объекта может
быть использован для моделирования объектов любого класса. Этот
тип следует выбирать для реконструкции замкнутых поверхностей, таких как статуи, здания и т. д. Соответствующие методы реконструкции
не подразумевают никаких ограничений на тип моделируемого объекта, что достигается за счет использования большего количества ресурсов памяти.
Карта высот. Методы, определяемые типом объекта «Карта высот»,
оптимизированы для моделирования плоских поверхностей, таких как
ландшафт или барельефы. Этот тип объекта следует выбирать при об28
работке результатов аэрофотосъемки, поскольку соответствующие методы требуют меньшего количества ресурсов памяти и, следовательно,
позволяют обрабатывать большее число изображений.
Тип геометрии. Резкий. Результат реконструкции при выборе этого типа геометрии более точен. Соответствующие методы не ведут к построению «добавочной» части модели, что происходит, например, при
заполнении «дыр». В этом случае на следующем шаге обработки, как
правило, требуется заполнение «дыр» в ручном режиме.
Гладкий. Выбор «гладкого» типа геометрии ведет к построению
сплошной модели практически без «дыр». С помощью соответствующих методов могут быть построены довольно большие «добавочные»
участки модели, однако позднее их можно удалить, воспользовавшись
средствами удаления полигонов. Выбор «гладкого» типа геометрии рекомендован при построении ортофотопланов.
Параметры реконструкции. Качество устанавливает требуемое
качество реконструкции. Сложные настройки могут использоваться для
получения более детальной и точной геометрии, но и требуют длительного времени на обработку. Выбор значения «Облако точек» для параметра «Качество результата» (доступно только при выбранном Гладком
типе геометрии) ведет к быстрому построению грубой модели, основанной исключительно на разреженном облаке точек.
Количество полигонов. Устанавливает максимальное число полигонов в итоговой модели. Значение «0» подразумевает отказ от прореживания (сокращения числа полигонов в модели).
Уровень фильтрации. Устанавливает максимальное количество полигонов небольших связных компонент, которые будут удалены после
реконструкции поверхности (в процентах от общего числа полигонов).
Значение «0» отменяет фильтрацию связных компонент.
Уровень заполнения (только для метода «Карта высот»). Определяет
максимальный размер разрывов, которые будут заполнены после реконструкции поверхности (в процентах от общей площади поверхности).
Значение «0» отменяет автоматическое заполнение разрывов.
7.2.1.5. Экспорт результатов
PhotoScan поддерживает возможность экспорта результатов в различные представления. В зависимости от требований пользователя могут быть сгенерированы разреженные облака точек, 3D-модели, ортофото и цифровые модели рельефа.
29
Облако точек может быть экспортировано сразу по завершении выравнивания фотографий. Все остальные возможности экспорта становятся доступны после реконструкции геометрии модели.
Экспорт облака точек. Экспортирует модель облака точек и/или
рассчитанное положение камер в одном из следующих форматов:
− PhotoScan (основан на XML);
− Wavefront OBJ;
− Stanford PLY;
− Omega Phi Kappa (текстовый формат);
− CHAN;
− Boujou TXT;
− Bundler OUT.
Экспорт модели. Предполагает экспорт 3D-модели в один из следущих форматов:
− Wavefront OBJ;
− 3DS;
− VRML;
− Stanford PLY;
− COLADA;
− Autodesk DXF;
− U3D.
Экспорт ортофото обычно используется для формирования изображений высокого разрешения на основе исходных данных и восстановленной геометрии. Чаще всего такая необходимость возникает при обработке результатов аэрофотосъемки. Это представление может быть
полезно, если требуется получить наиболее детальный вид объекта.
Ортофото обычно сопровождается цифровой картой высот.
Чтобы экспортировать ортофото с корректной ориентацией, необходимо сначала задать систему координат для модели. Поскольку для создания ортофотоплана PhotoScan использует исходные изображения, построение текстурного атласа не требуется.
Экспорт ортофото поддерживает форматы:
− JPEG;
− PNG;
− TIFF;
− GeoTIFF;
− Мозаика в формате Google Earth KML.
30
Экспорт карты высот. Цифровая карта высот часто используется
при работе с результатами аэрофотосъемки и представляет собой модель в виде равномерной матрицы высот. Карта высот может быть использована совместно с ортофото для получения трехмерной модели
области.
Для экспорта карты высот необходима правильно заданная система
координат. Экспорт цифровой карты высот поддерживает форматы:
− GeoTIFF;
− Arc/Info ASCII Grid (ASC);
− Band interlieved (BIL);
− XYZ.
7.3. Применение георадарного сканирования
7.3.1. Общие положения
Георадиолокация применяется в связи с насыщенностью городской
территории застроенными площадками, подземными коммуникациями и электрокабелями, наличием вибрационных и акустических помех
антропогенного характера, что делает затруднительным использование
прочих геофизических методов при проведении работ.
Георадарное зондирование, не требующее свободного пространства
для развертывания необходимой аппаратуры, может эффективно применяться в условиях тесной городской застройки с интенсивным движением транспорта, а также при наличии помех в зоне воздействия объектов сильного радио- и электромагнитного излучения, затрудняющих использование других геофизических методов.
Георадарное обследование используется на застроенных территориях для выделения различных по плотности и прочности зон под фундаментами зданий и сооружений и вне их пределов, геотехнического контроля усиления оснований зданий и сооружений в ходе проведения этих
работ, оценки пространственной изменчивости свойств грунтов.
Совокупность полученных данных при совмещении в единой пространственной модели с данными, полученными в ходе других видов
исследований, дает возможность проведения комплексной оценки объекта по заданным параметрам.
Для реализации комплексной задачи описания зданий, сооружений
и подземных объектов внешних инженерных сетей, грунтов основания,
фундаментов, геологических аномалий может быть использован метод
31
радиоволнового зондирования с помощью георадара переносного импульсного радиолокатора, позволяющего осуществлять разделение сред
с различной диэлектрической проницаемостью по отраженному сигналу.
Георадар – устройство, предназначенное для получения трансформированного разреза исследуемой среды, которое состоит из одной или
нескольких антенн, излучающих и принимающих электромагнитные
сигналы генератора, приемника и компьютера.
7.3.2. Область применения георадаров
Область применения георадаров зависит от особенностей проведения работ и определяется целями и задачами обследований.
Георадары применяются:
− для выявления подземных полостей и пустот, трещин, зон разуплотнения, действующих и не используемых внешних инженерных коммуникаций и коллекторов различного назначения, старых погребенных сооружений (фундаментов, хранилищ, бомбоубежищ, засыпанных подвалов, галерей);
− определения глубин заложения фундаментов, свай, противофильтрационных завес, дренажных систем, выявления в них трещин
и повреждений;
− зондирования грунтового массива под фундаментами существующих зданий и сооружений;
− выявления и оконтуривания участков утечек воды из подземных
коммуникаций на застроенной территории или в непосредственной
близости от нее;
− при мониторинговых наблюдениях за состоянием грунтового массива или фундамента, изменением влажности грунта, глубиной залегания грунтовых вод, изменением пространственного положения элементов несущих конструкций в процессе эксплуатации и т. п.
Для комплексного обследования подземных объектов внешних инженерных сетей, грунтов основания, фундаментов, геологических аномалий требуются георадары с различными типами антенн, работающих
на разных частотах.
Частотные характеристики антенн приведены в паспорте на георадар. При этом обязательно указывается центральная частота, на которой работает антенна в воздухе. В зависимости от центральных частот
приборов определяются назначение, разрешающая способность и глубина зондирования среды.
32
Работы по проведению комплексного обследования выполняются
с применением контактных антенн, непосредственно соприкасающихся
с поверхностью земли или дорожным покрытием, с центральной тактовой частотой от 90 МГц до 2500 МГц. Георадары с такими антеннами
используются на глубине от 0,1 до 15 м.
Необходимые объемы работ (сеть, количество точек наблюдения), тип и мощность применяемых антенн устанавливаются в программе работ исходя из требуемой детальности изучения инженерногеологических условий на соответствующем этапе (стадии) изысканий
и проектирования, с учетом изученности территории и ее особенностей.
Для выполнения обследования целесообразно иметь передвижной измерительный комплекс, оснащенный грунтовыми антеннами
с различной центральной тактовой частотой, а также средствами
фото- и видеофиксации, позиционирования и измерения пройденного пути. Для локализации планового положения внешних инженерных сетей и коммуникаций целесообразно использование трассоискателей, применение которых необходимо вести вместе с георадарным
обследованием.
Перед выполнением работ в полевых условиях оборудование, предназначенное для измерений, должно быть проверено в лаборатории.
Необходимо ознакомиться со всей имеющейся геологической документацией. До начала проведения работ рекомендуется ознакомиться с объектом посредством рекогносцировки.
Если известны грунтово-гидрогеологические разрезы, особенности
строения погребенных конструкций или расположение внешних инженерных сетей на привязанных точках местности, в этих местах целесообразно до выполнения работ получить радарограммы.
Если есть вскрытые геологические разрезы с включением данной
точки, то следует предварительно получить радарограммы на этих
участках. Эти радарограммы позволят скорректировать установку начальных параметров георадара и избежать в дальнейшем ошибок при
интерпретации данных.
Применение георадара имеет ограничения в зависимости от условий проведения работ и природно-климатических факторов. Эти ограничения должны указываться в руководстве по эксплуатации прибора:
− георадары допускается эксплуатировать при температуре окружающего воздуха от + 40 до – 40 °С . При использовании георадаров с контактными антеннами нежелательно проводить измерения в дождливую
33
погоду, так как в случае нарушения герметизации антенных блоков возможен выход из строя электронного оборудования;
− не рекомендуется протягивать антенные блоки по лужам. Допускается работа с бесконтактными антеннами во время дождя, однако
следует учитывать, что мощность отраженного от поверхности покрытия сигнала будет значительно выше, а глубина сканирования меньше;
− не допускается контакт прибора с засоленными грунтами и соленой водой.
Технология выполнения работ определяется следующими ключевыми факторами:
− целями и задачами обследований;
− конструкцией георадара;
− количеством применяемых для обследования антенн;
− интенсивностью дорожного движения и наличием внешних помех,
которые могут оказывать влияние на качество полученного материала;
− состоянием поверхности обследуемого сооружения, шириной проезжей части и т. п.
При проведении работ по обнаружению и определению планового
положения внешних инженерных коммуникаций георадарные обследования на участке работ проводятся как в продольном, так и в поперечном направлениях, с построением сети профилей, позволяющей получить наиболее информативный геологический разрез. Рекомендуемая
плотность сети наблюдений – не менее 3000 точек на 1 гектар исследуемой площади. При перемещении георадара обследования проводятся
преимущественно одной антенной или двумя, отличающимися по частоте, которые применяются попеременно.
Измерения на участках, имеющих плохое состояние покрытия или
проходящих по неоднородным участкам, также проводятся не только
в продольном, но и в поперечном направлениях. Расстояние между измерениями в поперечном направлении определяется поставленной задачей
и состоянием покрытия.
В зависимости от модели применяемого георадара в качестве исходной информации перед началом работ учитываются следующие
параметры:
− шаг между реализациями, или шаг датчика пути;
− число точек отсчета, приходящихся на каждую реализацию;
− развертка по глубине и количество усредняемых реализаций (количество накапливаемых отсчетов);
34
− величина сдвига реализации и коэффициент усиления, а также
диэлектрическая проницаемость среды, которую выбирают в соответствии с исходными данными.
Шаг между реализациями назначается в зависимости от поставленной задачи, быстродействия аппаратуры, длины записываемого профиля, типа и скорости перемещения георадара, а также требуемой глубины измерений.
При короткой длине профиля (до 50 м) и малой скорости перемещения
шаг между реализациями следует назначать минимальным (0,1–0,2 м).
Для малой глубины сканирования (до 5 м) шаг между реализациями
также должен быть небольшим и составлять 0,05–0,20 м. При большой
глубине (более 10 м) шаг между реализациями может быть увеличен до
0,5–2,5 м. Количество усредняемых реализаций (накапливаемых отсчетов) зависит от требуемой детальности изучения конструкции, а также
шага между реализациями. При малом шаге между реализациями обычно задают 4–8 накапливаемых отсчетов, при большом шаге – от 8 до 16.
Развертка по глубине задается согласно инструкции по эксплуатации
георадара. Не стоит забывать, что меньшее время развертки позволяет
повысить качество сканирования; большее время развертки увеличивает глубину зондирования.
До начала движения необходимо отрегулировать вертикальное смещение сигнала, оценить сигнал по амплитуде, форме (очертанию) и затуханию по глубине. Затем следует найти сигнал прямого прохождения
и определить поверхность исследуемой среды. Далее с помощью опции сдвига нужно приблизить сигнал прямого прохождения к верхнему
краю рабочего окна компьютера.
При малой амплитуде сигнала или затухании на малой глубине (при
работе на глинистых и суглинистых влажных грунтах) следует предусмотреть его усиление.
В зависимости от конструкции георадара, программного обеспечения к нему и специфики решаемой задачи при выполнении обследований различают несколько режимов работы: запись реализаций «по
времени» («непрерывно»); запись «по сигналам с датчика пути» (или
«по смещению»); работа «по шагам».
− Режим «по времени», или «непрерывно», предусматривает сканирование среды в автоматическом режиме. По достижении набора заданного количества реализаций или заполнения отведенного объема памяти их прием заканчивается. Время непрерывной записи в таком режиме
35
определяется особенностями применяемого георадара. При этом георадар должен перемещаться по поверхности равномерно, а работы выполняются без измерительного колеса или датчика пути.
− Режим «по сигналам с датчика пути», или «по смещению», предусматривает зондирование среды в автоматическом режиме в процессе
перемещения антенного блока по поверхности. Расстояние между реализациями отсчитывается автоматически с помощью дополнительного
датчика пути или измерительного колеса. При этом каждому импульсу
датчика пути соответствует одна реализация. По достижении допустимого количества реализаций прием сигналов прекращается.
− Режим «по шагам» используется при выполнении обследований
в заранее отмеченных точках поверхности (как правило, местах разрушений, при наличии поперечных трещин и т. д.). Передвижение осуществляется «от точки к точке», в каждой из которых производится
остановка прибора и измерение.
В зависимости от выбранного режима работы и с учетом особенностей программного обеспечения георадара осуществляют запись
информации в файл. При этом необходимо контролировать процесс записи на экране компьютера или блоке визуализации.
При сканировании на экране компьютера по ходу перемещения георадара отображается радарограмма, на которой фиксируются линии
синфазности в виде черно-белых или цветных полос, а также возникающие при записи шумы и помехи. На радарограмме указываются расстояние, проходимое георадаром, глубина зондирования, время прохождения сигнала и специальные метки.
С помощью специальных меток осуществляется дополнительная
«привязка» радарограммы к ситуации (дорожные знаки, места выхода
внешних инженерных коммуникаций на поверхность и т. д.). При обследовании строительных конструкций целесообразно отмечать особенности, характеризующие их состояние (поперечные и продольные трещины, просадки покрытия, сетка трещин, выбоины и т. д.).
Метками следует также отмечать и другие объекты, если они оказывают влияние на показания георадара. По завершении сканирования
по выбранному профилю осуществляется сохранение радарограммы
в памяти компьютера, если при просмотре результаты съемки не требуют повторного сканирования.
При определении состояния грунтов основания или геологических аномалий на исследуемом объекте должно проводиться кон36
трольное бурение. Бурение выполняется с целью определить диэлектрическую проницаемость материалов или грунтового массива, что позволяет выполнить тарировку шкалы глубин на записанных радарограммах и тем самым уменьшить погрешность измерений при интерпретации полученных радарограмм.
Контрольное бурение может выполняться до сканирования, в процессе сканирования или после него. Если сведения о конструкциях неизвестны, то контрольное бурение можно выполнить до сканирования.
Для этого необходимо записать радарограмму на коротком участке, выделить на ней однородный участок, отметить его на местности и выполнить контрольное бурение. По результатам бурения вносятся коррективы в установку начальных параметров георадара.
При проведении контрольного бурения в процессе сканирования или
после него буровые скважины выполняются преимущественно в тех местах, которые вызывают затруднения при интерпретации.
Частота контрольного бурения определяется грунтово-гидрогеологическими условиями и может быть установлена в зависимости от требований заказчика к погрешности определения параметров внутреннего строения конструкций.
8. ТРЕБОВАНИЯ К ТОЧНОСТИ И ДЕТАЛЬНОСТИ
СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ
8.1. Требования к точности тахеометров
Точность тахеометров, используемых для создания геодезического
обоснования, должна соответствовать следующим требованиям:
− средняя квадратическая погрешность измерения углов – не более 3;
− средняя квадратическая погрешность измерения расстояний в безотражательном режиме – не более 3;
− максимальная дальность измерений в безотражательном режиме
(при альбедо 20 %) – не менее 200 м.
8.2. Требования к точности и детальности средств измерения,
применяемых при наземном лазерном сканировании
Инструментальная точность наземных сканеров должна обеспечивать:
37
− сканирование деталей здания, представляющих историческую
ценность и насыщенных мелкими (менее 5 см) лепными деталями,
с точностью ±2–3 мм, шаг сетки сканирования 6–8 мм;
− сканирование деталей здания, представляющих историческую
ценность и представленных крупными гладкими поверхностями (в том
числе повторяющиеся формы) без лепных деталей, с точностью ±5–6 мм,
шаг сетки сканирования 10–12 мм (условный класс 2);
− сканирование деталей здания, не представляющих историческую
ценность и представленных крупными гладкими поверхностями (в том
числе повторяющиеся формы) без лепных деталей, с точностью ±8–12 мм,
шаг сетки сканирования 20–120 мм);
− сканирование кованых элементов, фонарей, сеток на окнах, резьбы
по дереву и прочих мелких элементов декорирования помещений, представляющих историческую ценность, с точностью ±5–6 мм, шаг сетки
сканирования 10–12 мм.
8.3. Требования к точности и детальности средств измерения,
применяемых при мобильном сканировании
Работы по мобильному лазерному сканированию должны выполняться
сканерами с частотой не ниже 300 000 измерений в секунду.
Взаимная точность калибровки точек лазерных отражений, попадающих на идентичные объекты, но регистрирующихся разными сканерами, должна составлять не более 2 мм на дистанциях до 10 м. Точность
инерциальной системы должна позволять производить измерения на
расстоянии до 200 м (максимум 500 м) с точностью до 5 см, без учета
точности GPS-решений, которые составляют, как правило, 5 см в условиях хорошего GPS-прогноза, что дает точность 7,5 см.
Необходимо обеспечить следующие точностные характеристики:
− определение траектории (по данным постобработки совместного
кинематического решения с использованием ИНС) – 40 мм;
− определение дальности (измерения только лазера в его собственной системе координат) – 5 мм;
− совокупная точность решений (с учетом пространственных и угловых траекторных решений и точности лазера) – 70 мм в плане и по
высоте.
38
8.4. Требования к точности и детальности средств измерения,
применяемых при георадиолокационом сканировании
При проведении работ с использованием метода георадиолокации,
точность и детальность измерений зависит от мощности центральной
тактовой частоты антенны георадара и характеризуется разрешающей
способностью и глубиной зондирования среды. Максимальная глубина зондирования и разрешающая способность различных типов антенных блоков указана в табл. 2. Выбор типа георадара зависит от вида
и назначения проводимых работ.
Таблица 2
Максимальная глубина сканирования и разрешающая способность
антенных блоков
Техническая
характеристика
Максимальная глубина
зондирования, м
Разрешающая способность, м
Центральная частота, МГц
90–250
400–500
700–900
3–15
2,0–5
1,0–3
0,25–0,35 0,12–0,15 0,05–0,07
1000–1500 1500–2000
0,5–1,5
0,2–0,7
0,01–0,05
0,005–0,01
9. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЛЯ ПОЛЕВОЙ
И КАМЕРАЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ ЛАЗЕРНОГО
И ГЕОРАДАРНОГО СКАНИРОВАНИЯ
9.1. Программное обеспечение для обработки данных МЛС
В качестве примера рассматривается программное обеспечение, используемое при съемке и обработке данных МЛС, полученных съемочной системой RIEGL VMX-250. Речь идет о RiACQUIRE – программном
комплексе для проведения съемки МЛС.
Программное обеспечение RiACQUIRE предназначено для выполнения самых разнообразных задач с использованием мобильных и воздушных систем лазерного сканирования RIEGL. Система мобильного
или воздушного сканирования включает как минимум один лазерный
сканер, систему измерения положения и ориентации, а также рабочую
станцию оператора. В состав многих систем, помимо этого, входят под39
системы фотокамер, дополнительные лазерные сканеры, запоминающие устройства большой емкости и механические блоки.
Задачи, выполняемые программным обеспечением RiACQUIRE, относятся к этапам интеграции системы, проверки и тестирования последней, а также сбора данных в процессе измерений.
Для изменения параметров сканирования достаточно выбрать предварительно заданный набор параметров. Ввиду сложных условий работы внутри транспортного средства на графическом пользовательском
интерфейсе предусмотрены большие кнопки управления, нажать которые не составит труда даже в сложных условиях.
Для обеспечения надлежащего качества программное обеспечение
RiACQUIRE позволяет собирать данные сканирования, полученные от
лазерного сканера, и данные, передаваемые системой INS/GNSS в режиме реального времени. Программное обеспечение RiACQUIRE визуализирует информацию о фактических измерениях, выполненных с помощью системы INS/GNSS, что позволяет легко проверить достоверность полученных результатов.
Непрерывная регистрация состояний системы, ориентации и положения системы INS/GNSS и любые взаимодействия с оператором через
программное обеспечение RiACQUIRE составляют подробную историю, которая сохраняется для выполнения последующего анализа и документирования.
RiPROCESS – программный комплекс для обработки данных МЛС.
Программное обеспечение RiPROCESS предназначено для обработки, анализа и визуализации данных, полученных воздушными и мобильными системами лазерного сканирования. Для экспорта данных
в геодезические системы используется средства GeoSys Manager.
RiPROCESS обеспечивает возможность управлять любыми данными, собранными и обработанными в рамках одного проекта измерений.
Объединены проектные данные, информация о сканирующей системе
(сведения о монтаже и параметры калибровки, исходные данные лазерного сканирования – оцифрованные эхосигналы от лазерных сканеров
RIEGL LMS-Q560 и LMS-Q680(i)), данные положения и ориентации от
системы INS/GNSS, файлы с промежуточными данными, файлы с деревом поиска для быстрого доступа к данным и геопривязанные данные облака точек с дополнительными параметрами каждой измеренной
координаты.
40
Обработка данных может заключаться в анализе полной формы сигнала и слиянии геопривязанных данных лазерного сканирования с данными траектории, полученными на основании данных системы INS/
GNSS. Такие операции выполняются соответственно с помощью программного обеспечения RiANALYZE и RiWORLD. Программное обеспечение RiPROCESS предназначено для генерирования массива
данных на нескольких рабочих станциях. Для этого используются указанные выше программы, которые могут быть установлены на различных рабочих станциях и доступны через RiSERVER.
Программное обеспечение RiPROCESS распределяет вычислительную нагрузку между доступными серверными средствами обработки
данных в виде отдельных задач, за счет чего увеличивается пропускная
способность канала передачи данных.
Для анализа и качества данных выполняют визуализацию результатов
лазерного сканирования в двух- и трехмерном формате. Отображается,
например, плотность данных, высота в цветовой кодировке, разность
по высоте в рамках растровых ячеек и т. д. В трехмерном формате быстро отображаются даже большие массивы данных. Для определения
качества согласования данных сканирования выполняют визуальную
проверку или статистический анализ.
Для повышения качества данных в программном обеспечении
RiPROCESS предусмотрена встроенная опция коррекции данных сканирования на основании данных плоских объектов: например, крыш
зданий. Такие данные автоматически распознаются среди данных сканирования и отображаются в двух- или трехмерном формате для выполнения проверки. Параметры, оптимизированные в рамках коррекции
данных сканирования, включают информацию о калибровке системы,
а также до шести смещений (угловых и поступательных) по каждому
измеренному значению. Для усовершенствования абсолютной геопривязки каждого набора данных также используются контрольные точки
или плоские объекты, измеряемые с помощью наземных сканеров.
Программное обеспечение RiPROCESS позволяет экспортировать
данные в широко используемом формате LAS (помимо прочих форматов) для выполнения таких общих задач, как классификация, триангуляция и децимация, с использованием программного обеспечения сторонних производителей. Мощное средство GeoSys Manager предназначено
для экспорта геопривязанного облака точек в декартову геоцентрическую
наземную, географическую и локальную системы координат.
41
9.2. Программное обеспечение для обработки данных НЛС
В качестве примера рассматривается программное обеспечение
RiSCAN PRO, применяемое при съемке и обработке данных НЛС.
RiSCAN PRO является проектно-ориентированным продуктом: т. е.
весь объем данных, полученных в рамках одного проекта по проведению измерений, организуется и хранится в соответствии с проектной
структурой RiSCAN PRO. Эти данные включают в себя сами результаты сканирования, координаты опорных точек и точек привязки, а также
все трансформационные матрицы, необходимые для трансформирования данных большого числа сканов в единую заданную систему координат. Если сканер оснащен дополнительной цифровой камерой высокого разрешения, снимки, сделанные этой камерой, также обрабатываются программой RiSCAN PRO.
RiSCAN PRO позволяет сократить временя получения данных в поле,
при этом предлагая средства визуальной проверки полноты данных прямо в поле в трехмерном виде. Автоматизированные сканы опорных точек
(например, отражающих объектов) позволяют пользователю легко размещать данные сканирования в заранее определенной системе координат
с высоким разрешением. Помимо сбора данных, RiSCAN PRO предлагает возможности для постобработки данных. В базовый комплект ПО
входят такие функции, как построение ячеек по облакам точек, представляющим данные сканирования; наделение каждого лазерного измерения информацией о цвете; создание неискаженных, а также объединенных изображений с высоким разрешением для текстурирования ячеек; прореживание облаков точек; построение объекта по облакам точек
и многое другое.
При разработке программы RiSCAN PRO с ее проектной структурой
и возможностью создания проектных файлов особое внимание уделялось возможности корректной передачи данных в многочисленные программные продукты для постобработки.
Пользователь может определить систему координат проекта, которая
внедрена в глобальную систему координат. Переход из глобальной системы координат в систему координат проекта чаще всего означает простое преобразование данных, а также (в некоторых случаях, в зависимости от определения глобальной системы координат) обмен координатами для получения правосторонних систем координат с координатными
значениями простой точности в целях получения объектов из облаков точек и их просмотра в трехмерном изображении.
42
RiSCAN PRO предлагает трансформационную матрицу, а посредством ее – и проектную систему координат на основе глобальных координат опорных точек.
Максимальная точность внедрения достигается за счет отражающих
марок с известными координатами и получением не менее четырех точных сканирований каждой марки. Благодаря возможностям RiSCAN
PRO положение сканов может регистрироваться прямо в полевых условиях, что позволяет оператору проверять статус получения данных
и степень охвата данными путем построения компактных объектов из
облаков точек и просмотра их трехмерного изображения.
RiSCAN PRO предлагает различные средства визуализации данных
сканирования и изображений. Данные сканирования отображаются по
запросу в режиме on-line при получении двухмерных или трехмерных
данных. В режиме off-line визуализация сканов возможна в двухмерном или трехмерном представлении с различными дополнительными
функциями цветового кодирования, включая такие параметры, как интенсивность лазерного сенсора, цветовая кодировка по дальности или
высоте, цвет дополнительного канала истинного цвета. Функция трехмерной визуализации позволяет отображать как отдельные сканы, так
и группы сканов в общей координатной системе. В обоих случаях обеспечивается визуализация марок (точек привязки и опорных точек).
В трехмерном режиме собственное положение сканера и его ориентация отражаются трехмерной моделью сенсора. Марки также можно
отображать на зарегистрированных и калиброванных снимках, сделанных дополнительной цифровой камерой высокого разрешения и программным модулем камеры.
RiSCAN PRO позволяет автоматически выделять марки на основе
данных сканов о светоотражающих объектах, а также по данным изображений и ортофотоснимкам.
Исходные данные скана можно рассматривать как организованное облако точек с дополнительными признаками (например, по интенсивности отражений). Благодаря высокой скорости получения данных трехмерными лазерными сканерами количество получаемых точек
очень велико. RiSCAN PRO предлагает фильтр для уменьшения количества точек повторных сканов и усреднения их количества по каждой
компоненте трехмерного изображения. Такие усредненные облака точек весьма полезны при проверке полноты получаемых данных в полевых условиях. Данные облака точек можно окрашивать в соответствии
43
с зарегистрированным цифровым изображением высокого разрешения.
Облака точек можно разделять на облака меньших размеров для моделирования и экспорта данных.
Создание ячеек поверхности позволяет перейти от данных облаков
точек к триангулированным поверхностям. Качество данных можно повысить с помощью алгоритмов «очистки» данных. Дальнейшее сглаживание и прореживание данных позволяет снизить уровень помех
и уменьшить объемы данных, сохраняя при этом заранее определенный
уровень точности данных.
Данные ячеек также содержат сведения об интенсивности отражения и цвете объектов и – дополнительно – координаты текстуры, что позволяет переводить изображения с высоким разрешением на триангулированную поверхность.
RiSCAN PRO предоставляет геометрические данные, т. е. прямоугольные или полярные координаты в различных координатных системах, включая систему координат проекта и систему глобальных координат. Кроме того, можно получить дополнительную информацию об интенсивности и цвете.
9.3. Программное обеспечение для обработки данных
георадарной съемки
Для обработки и последующей интерпретации полученных георадарных данных применяется специальное программное обеспечение.
С его помощью проходит накопление полученных данных, их математическая обработка, интерпретация в зависимости от заданных условий и последующий экспорт в известные форматы, предназначенные
для дальнейшего использования.
Задача интерпретации должна формулироваться заказчиком и согласовываться с исполнителем работ в виде точного и конкретного задания. Задание должно содержать сведения о требуемой глубине и детальности изучения разреза с указанием вертикального и горизонтального
масштабов результативного разреза, а также точности его топографических привязок.
Необходимо сформулировать, какие характеристики состояния материалов и грунтов следует отразить на разрезе, построенном по данным ГРЛЗ.
44
При обнаружении и определении планового положения внешних
инженерных коммуникаций указывается только положение объекта.
Определение типа, вида и назначения внешних инженерных коммуникаций не входит в задачи георадарного обследования. Исключение составляют действующие электрические сети, плановое положение которых хорошо прослеживается на радарограммах.
Атрибутивные характеристики внешних инженерных сетей указываются по результатам камеральной обработки полученной информации на основе документации, предоставленной заказчиком, либо по архивным данным.
С помощью программного обеспечения проводится процесс обработки данных. Последний представляет собой выполнение набора процедур, применяемых для повышения качества полевых материалов
и выделения на георадарограммах полезных волн от основных рефлекторов (отражающих границ), к которым относятся границы слоев конструкции или земляного полотна, инженерные сети, а также локальные
неоднородности.
Результатом обработки является георадарограмма, на которой с максимально возможной отчетливостью отражается структура инженерногеологического разреза.
Программное обеспечение включает:
− удаление реализаций или выявление интервалов реализаций с бракованной записью;
− выбор нулевой линии отчета по глубине (определение поверхности исследуемой среды);
− привязку георадарограмм к картографической подоснове и их масштабирование;
− коррекцию (регулировку) амплитуд волн;
− фильтрацию аппаратурных электрических шумов систематического и случайного характера;
− пересчет геофизического разреза из временного в глубинный;
− послойную обработку геофизического разреза;
− экспорт данных для последующей обработки.
45
10. ТРЕБОВАНИЯ К МОДЕЛЯМ ОБЪЕКТОВ, ФОРМИРУЕМЫМ
ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ЛАЗЕРНОГО И ГЕОРАДАРНОГО
СКАНИРОВАНИЯ
10.1. Формирование цифровых моделей
лицевых фасадов зданий
Обобщенные объемные модели зданий и сооружений (с передачей
особенностей конфигурации зданий, сооружений, формы крыш) формируются по имеющимся материалам лазерного сканирования. Все
сформированные объекты должны быть согласованы с рельефом местности.
Цифровые модели фасадов зданий моделируются и текстурируются с использованием фотоснимков обзорного фотографирования, данных МЛС и НЛС. Визуализация моделей при обращении к ним из среды
ГИС должна обеспечиваться соответствующими программными средствами.
При необходимости фоновые здания могут моделироваться простыми геометрическими фигурами по результатам МЛС без текстур, высота которых хранится в виде постоянной величины, что позволяет отображать модель в 2,5D-виде непосредственно в среде ГИС.
Если здание или сооружение состоит из нескольких объектов (части
здания с разными адресами, разной высоты, с колоннами и т. п.) необходимо предусматривать механизм их группировки в комплексный объект путем его метрического или семантического описания. Кроме того,
для обеспечения координатного описания дефектов здания (отклонение
от горизонтали/вертикали элементов здания, площадь (скола), длина
и ширина (трещины) и т. п.), структурная модель здания (сооружения)
должна позволять включать эти элементы-дефекты в состав комплексного объекта. Атрибутивный состав модели здания и его частей должен обеспечивать как минимум поиск по адресу и по наличию дефектов
в заданном диапазоне (в соответствии с согласованной номенклатурой).
Структурная модель здания должна предусматривать расширение состава комплексного объекта, его атрибутивного описания и атрибутивного описания составляющих его элементов.
Внутренняя точность текстуры и ее координатная привязка к плоскости соответствующего фасада должна соответствовать точности топокарты масштаба 1:500.
46
10.2. Формирование моделей внутренних помещений зданий
Модели внутренних помещений создаются совместным применением НЛС и цифровой фотосъемки с «раскраской» облака точек по цифровым снимкам. На предварительном этапе производится определение
опорных маркеров для приведения отдельных сканов и цифровых снимков в единую систему координат.
Визуализация моделей внутренних помещений при обращении к ним
из среды ГИС должна обеспечиваться соответствующими программными средствами.
10.3. Рекомендации по обработке данных и формированию
моделей зданий (сооружений) и инженерных сетей
10.3.1. Рекомендации по обработке данных
лазерного сканирования
Обработка данных лазерного сканирования для создания 3D-моделей
подразделяется на три этапа:
1) изучение исходных данных: классификатор, библиотека объектов, требование к моделированию, электронный шаблон, фотоматериал и т. д.;
2) создание трехмерной модели объектов;
3) совмещение частей и объектов модели между собой.
Для этого должно быть проведено:
− изучение имеющейся документации для определения объектов,
подлежащих моделированию, выяснению степени детализации и единообразному представлению в среде используемых программных продуктов (например, AutoDesk) с последующей конвертацией в формат
используемой ГИС (например, ArcGIS) или без формирования в среде
САПР;
− формирование наборов, наименований, содержания и оформление
слоев программных продуктов (например, AutoDesk Autocad и ArcGIS)
в соответствии с утвержденным заказчиком классификатором;
Трехмерная модель объектов представляется в электронном виде
в форматах ГИС (например, ESRI (ArcGIS v 10, shape-файл с атрибутами) и САПР (например, AutoDesk Autocad).
Модель в формате используемой ГИС (например, ESRI ArcGis) создается в виде набора тематических слоев и геобаз данных. Состав,
47
наименование и оформление слоев – в соответствии с утвержденным
Заказчиком классификатором.
Если используется наиболее распространенная на рынке ГИС ESRI
ArcGis, 3D-модели в формате ESRI могут отображаться геометрическими типами SHAPE ESRI POINT, POLYLINE, POLYGON, POINTZ,
POLYLINEZ, POLYGONZ, Multipatch.
Цифровая модель рельефа 3D-модели в формате ESRI отображается
объектом GRID ESRI или TIN.
Высота основания всех наземных объектов определяется цифровой
моделью рельефа. Объекты, имеющие относительную высоту, хранят ее
в виде атрибутивной характеристики.
Точность и содержание модели в формате САПР (например, AutoDesk Autocad) должны соответствовать требованиям СНиП 11-02–96
«Инженерные изыскания для строительства. Основные положения»,
предъявляемым к топографическим планам М 1:500, сечение рельефа
горизонталями через 0,25 м.
Цифровая модель рельефа 3D-модели представляется в виде триангуляционной сетки (TIN) или в виде горизонталей с сечением рельефа
0,25 м. В обоих случаях формат представления должен обеспечивать
конвертацию данных в принятую ГИС (например, ArcGIS) без потери
информации.
Полевому контролю готовой продукции подлежат точки лазерных
отражений, полученные в результате мобильного и наземного лазерного сканирования и 3D-модели.
Для проведения контроля качества должны быть использованы контрольные точки, определенные во время съемки в статическом режиме
спутниковых наблюдений. Координирование объектов при съемке контрольных участков производится с использованием GPS-приемников,
а также инструкций по развитию съемочного обоснования и съемке ситуации и рельефа с применением глобальных навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС и GPS ГКИНП 02-262-02.
Полученные контрольные пикеты должны быть наложены на готовую продукцию, после чего вычисляют ошибки:
− в плане и высоте для точек лазерных отражений;
− плане и высоте для 3D-моделей;
− по высоте для цифровой модели рельефа.
Результаты контроля должны быть представлены в акте контроля готовых материалов.
48
10.3.2. Рекомендации по совмещению моделей зданий
и иных объектов
Обработанные данные объединяются в единую модель, которая может представлять собой:
− 3D-модель, сформированную по материалам лазерного сканирования;
− каркасную 3D-модель зданий, сооружений (фасадов и им соответствующих крыш) и коммуникаций, полученную по данным наземного
и мобильного лазерного сканирования;
− 3D-модель внутренних помещений зданий, полученную на основе
геодезических измерений и наземного лазерного сканирования;
− 3D- и/или 2D-модели инженерных сетей в границах рассматриваемых территорий.
При этом в единой пространственной модели сохраняется точность
исходных моделей зданий, сооружений и инженерных сетей.
10.3.3. Рекомендации по параметрам георадарного сканирования,
выполняемого с целью формирования моделей
При проведении обследования территории методом георадиолокации работы выполняются по сетке ортогональных профилей, позволяющей определить наличие протяженных или локальных объектов внешних инженерных сетей, аномальных участков и т. д. Расстояние между
профилями составляет не менее 5 м.
При проведении работ обеспечивается точность, соответствующая
точности топокарт масштаба 1:500 (1:1000).
Погрешность определения глубины заложения инженерных коммуникаций не должна превышать 10 % от фактической глубины заложения
активных и 20 % – для пассивных объектов.
Тип, назначение и количество объектов (кабелей) в магистральных
коллекторах кабельных электрических и слаботочных сетей определяется визуально и на основании исполнительной документации, полученной от заказчика.
49
11. ПЕРЕЧЕНЬ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
И ПАРАМЕТРОВ ПОДЗЕМНЫХ ОБЪЕКТОВ КОММУНАЛЬНОГО
ХОЗЯЙСТВА (ВНЕШНИХ ИНЖЕНЕРНЫХ СЕТЕЙ),
ПОДЛЕЖАЩИХ СЪЕМКЕ
Использование метода георадиолокации позволяет определять наличие и проводить локализацию объектов внешних инженерных сетей, к которым относятся линейные и узловые объекты, за исключением объектов глубокого заложения:
− водопроводные (водоснабжение) сети, включая ось трубопровода,
углы поворота, вводы в дома;
− канализационные сети бытовых и ливневых стоков, включая ось
коммуникации, бесколодезные повороты коммуникации;
− подземные кабельные (силовые и слаботочные) сети;
− сети теплоснабжения;
− газовые сети, а также их элементы;
− коллекторы, колодцы, муфты, смотровые люки.
При поведении георадарной съемки определяются глубина заложения, ось и углы поворотов трубопроводов, места ввода в дома.
Использование метода георадиолокации позволяет определить наличие (и проводить локализацию) объектов внешних инженерных сетей,
к которым относятся линейные и узловые объекты, за исключением объектов глубокого заложения (водопроводные, канализационные сети, сети
теплоснабжения, газовые, подземные кабельные силовые и слаботочные
сети, коллекторы глубиной до 6 м). Назначение инженерных коммуникаций определяется по документации, полученной от заказчика.
При георадарной съемке подземных коммуникаций определяются:
− горизонтальное расположение коммуникаций с привязкой (указанием расстояний) между собой и к наземным объектам;
− вертикальное расположение коммуникаций с указанием отметки
поверхности земли, отметки оси трубы;
− диаметры трубопроводов или вертикальные и горизонтальные размеры коллекторов и каналов;
− материал трубопроводов, коллекторов, каналов;
− оборудование, установленное на инженерных сетях (колодезное
и бесколодезное – задвижки, вантузы, гидранты, и т. п.);
− наземные объекты, здания, сооружения, включая проезды, линии
электропередач, ограждения, деревья, кустарники;
50
− подземные объекты, колодцы, камеры, паркинги, фундаменты
зданий;
− послойный состав грунта под трубопроводами и над ними, с обязательным указанием наличия или отсутствия пустот.
Дополнительно для каждого вида коммуникаций определяются:
− для водопроводных сетей – углы поворота, упоры, вводы водопровода, колодцы, колодцы, колодезное и бесколодезное оборудование (задвижки, вантузы, гидранты и т. п.);
− канализационных сетей – отметки дна колодцев, подземные сооружения (насосные станции, узлы учета), выпуски в водоем;
− сетей теплоснабжения – размеры и оборудование тепловых камер,
слой теплоизоляции, температура поверхности трубы и окружающего
грунта;
− газовых сетей – газораспределительные и газорегуляторные пункты, предохранительные клапаны и др.;
− кабельных сетей (при отсутствии каналов) – зона отчуждения.
Точность месторасположения (высотного и горизонтального) напорных инженерных коммуникаций для городских участков с насыщенными коммуникациями составляет 0,2 м, для участков со слабым насыщением – 0,5 м. При определении высотного расположения самотечных
коммуникаций (по дополнительному заданию заказчика) точность высотного расположения трубопровода – 0,02 м.
При обнаружении локальных грунтовых вод необходимо выполнить расширенный послойный состав грунта с указанием водоупора от
участка инженерных коммуникаций до источника воды или участка ее
рассредоточения.
На отдельных участках по согласованию с заказчиком определяется
эллипсность трубопроводов (отклонение горизонтального и вертикального размеров трубы).
Выполненная георадарная съемка должна быть совместима с ведомственными программами (треста ГРИИ, Водоканала, Газпрома,
Теплосети, Электросети и т. п.) для передачи и получения информации.
51
12. СОСТАВ, СОДЕРЖАНИЕ И ОФОРМЛЕНИЕ
ДОКУМЕНТАЦИИ, ПОЛУЧЕННОЙ НА ОСНОВЕ
МОДЕЛЕЙ ОБЪЕКТОВ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ СЪЕМКИ
И ОБРАБОТКИ ДАННЫХ ЛАЗЕРНОГО
И ГЕОРАДАРНОГО СКАНИРОВАНИЯ
12.1. Документы, формируемые по результатам
георадарного сканирования
После выполнения интерпретации радарограмм материалы обследования сдаются заказчику. В зависимости от требований заказчика материалы могут быть представлены в виде геологического разреза с выделением подошвы и кровли слоев, положения внешних инженерных коммуникаций, выявленных дефектов (пустот, разуплотненных или переувлажненных грунтов, путей фильтрации грунтовых вод и т. д.) с указанием длины разреза, глубины расположения слоев, отмеченных меток
в процессе сканирования, времени или скорости прохождения сигнала
с георадарной подложкой, по которой были определены границы слоев.
Отчетные материалы формируются в соответствии с требованиями
заказчика. Локальные участки, требующие детального геологического
анализа, могут быть приведены в произвольных масштабах, которые
наиболее четко отражают выявленные дефекты.
Данные, полученные в результате исследований, предоставляются
в формате AutoCAD и в табличной форме (Exel).
Внешние подземные коммуникации показываются в виде упрощенных моделей труб, кабелей и т. д. и поясняются набором идентификаторов, позволяющих определить их тип, вид и назначение.
Данные фото- и видеофиксации, полученные в ходе работ, используются для идентификации объектов.
Графическая форма должна содержать:
– горизонтальное расположение инженерных коммуникаций с указанием диаметра (размеров каналов), материала труб;
– оборудование, установленное на инженерных сетях, – колодцы,
углы поворота, упоры, задвижки, гидраты и т. п.;
– участки грунтовых вод (в случае их расположения выше трубопроводов);
– расположение наземных объектов (здания, сооружения, проезды,
линии электропередач, ограждения, деревья, кустарники, реки, каналы);
52
– цветовое разграничение назначения коммуникаций;
– расположение подземных объектов, в том числе оборудование инженерных коммуникаций;
– отметки поверхности земли и тип покрытий.
Табличная форма должна содержать как обязательную, так и дополнительную информацию. Обязательная информация должна включать в себя:
− дату обследования;
− место расположения объекта измерения;
− отметки поверхности земли;
− высотные отметки инженерных коммуникаций;
− назначение коммуникаций;
− характеристику основания под трубы и материал засыпки труб
(толщину, материал, степень однородности);
− отметку уровня грунтовых вод;
− наименование материала труб, оборудования, колодцев.
Дополнительная информация, полученная от собственника инженерных коммуникаций, может указывать:
– на год прокладки (замены, капитального ремонта) инженерных
коммуникаций;
– эллипсность трубопроводов;
– результаты внутреннего визуального обследования;
– частоту ремонтов участка сети;
– результаты обследования коммуникаций.
12.2. Документы, формируемые по результатам
лазерного сканирования
Использование метода лазерного сканирования позволяет с высокой
точностью определить такие геометрические характеристики зданий
и сооружений, как:
– габариты здания – его высоту, ширину, длину;
– высоту конька, уклоны и конфигурацию кровли (в том числе габариты и расположение дымовых труб и слуховых окон), а также расположение кровельных материалов на кровле;
– высоты отметок оконных и дверных проемов, а также отметок балконов;
– высоты цоколя и других элементов фасадов;
53
– планово-высотное расположение элементов, конструкций и частей
зданий;
– расстояния, углы, диаметры, радиусы кривизны стен и других конструктивных элементов.
В результате анализа созданных моделей объектов по итогам съемки и обработки данных лазерного сканирования в общем случае могут
быть получены следующие документы:
1) фасадные чертежи масштабов М 1:200–М 1:10;
2) поэтажные планы от М 1:200 до М 1:10;
3) развертки стен помещений от М 1:200 до М 1:10;
4) растровые планы отклонений от усредненной вертикальной плоскости стены с разрешением 1–10 см и точностью 0,2–2 см;
5) планы фасадов с отметками отклонения от усредненной вертикальной плоскости стены (планы могут быть совмещены с фасадными
чертежами или оформляться отдельно);
6) продольные и поперечные разрезы с указанием отклонений от
вертикали в угловых и абсолютных величинах;
7) план дефектов, трещин, сколов и отклонений от горизонтали элементов фасадов. Планы могут быть совмещены с фасадными чертежами или оформляться отдельно;
8) ведомости дефектов, сколов и отклонений с указанием параметров (глубина, толщина, площадь, протяженность и т. д.), оформленные
в табличном виде.
Планы и чертежи оформляются согласно требованиям нормативной документации, предъявляемым к изыскательской, проектной и конструкторской документации в цифровом (AutoCAD) и бумажном виде.
Размеры и высотные отметки конструкций проставляются на обмерных чертежах в соответствии с правилами оформления архитектурностроительных рабочих чертежей (ГОСТ 21.501–93. Правила выполнения
архитектурно-строительных рабочих чертежей).
54
Рекомендуемая литература
1. Бруевич П. Н. Фотограмметрия: учебник для вузов / П. Н. Бруевич. – М.:
Недра, 1990. – 285 с.
2. Лазерная локация земли и леса [Электронный ресурс]. – Режим доступа:
http://laserlocation.ru/index.htm
3. Лазерное сканирование и геоинформационные технологии [Электронный
ресурс: сайт компании НИПИСтройТЭК]. – Режим доступа: http://nipistroytek.ru/
lazernoe-skanirovanie-i-geoinformatsionnye-tekhnologii/
4. Методика высокоточной бесконтактной исполнительной съемки навесных фасадных систем с воздушными зазорами при возведении высотных зданий МДС 11-20.2009 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http: //txt.g-ost.
ru/56/56653
5. Мобискан – автолаборатория лазерного сканирования для работы в режиме STOP&GO [Электронный ресурс: сайт компании Trimetari Consulting]. –
Режим доступа: http://trimetari.com/ru/projects/52
6. Наземное лазерное сканирование / В. А. Середович, А. В. Комиссаров,
Д. В. Комиссаров, Т. А. Широкова. – Новосибирск: СГГА, 2009. – 261 с.
7. Области применения наземного лазерного сканирования [Электронный
ресурс: сайт компании «Геополигон»]. – Режим доступа: http: //www. geopolygon.
ru/ catalog/groundlaser/application
8. Обмерные работы на здании Государственного центрального музея современной истории России (ГЦМСИР) и других объектах исторического наследия
Москвы с применением технологии 3D-лазерного сканирования [Электронный
ресурс: сайт компании НГКИ]. – Режим доступа: http://www.ngce.ru/publikacii.
html
9. Основы импульсной лазерной локации: учеб. пособие для вузов / В. И. Козинцев, М. Л. Белов, В. М. Орлов [и др.] Под ред. В. Н. Рождествина. – М.: Изд-во
МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2006. – 512 с.
10. Применение технологии лазерного сканирования при обследовании дорожно-мостовых объектов [Электронный ресурс: сайт ООО «Севзапмостпроект». –
Режим доступа: http://www.szmp.ru/statya-1.html
11. Шануров Г. А. Геотроника. Наземные и спутниковые радиоэлектронные
средства и методы выполнения геодезических работ: учеб. пособие / Г. А. Шануров, С. Р. Мельников. – М.: МИИГАиК, 2001. – 136 с.
55
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение 1
Примеры расчета точности определения координат и детальности
в моделях зданий и сооружений
1. Расчет детальности модели. Под детальностью понимается минимальный размер элемента, который может быть отображен на модели.
Детальность модели, построенной по результатам лазерного сканирования,
определяется большей величиной из следующих двух:
– удвоенная плотность сканирования;
– «шум» сканирования.
Под «шумом» сканирования понимается толщина облака точек лазерных
отражений от идеально гладкой стены.
2.2. Расчет внешней точности модели. Внешняя точность модели, построенной по результатам лазерного сканирования, определяется большей величиной из следующих двух:
– точность исходной опорной геодезической сети;
– точность геодезических измерений при координировании привязочных марок лазерного сканирования.
Указанные точности определяются неувязками при обработке геодезических измерений.
В абсолютном большинстве случаев точность исходной опорной геодезической сети хуже точности геодезических измерений.
Пример № 1
Плотность точек лазерных отражений = 1 см; «шум» = 0,2 см.
Детальность модели = плотность × 2 = 2 см. Так как полученная величина
больше «шума» модели, то итоговая детальность модели в данном случае определяется плотностью и равна 2 см.
Пример № 2
Плотность точек лазерных отражений = 0,6 см; «шум» = 1,5 см.
Детальность модели = плотность × 2 = 1,2 см. Так как полученная величина
меньше «шума» модели, то итоговая детальность модели в данном случае определяется плотностью и равна 1,5 см.
2. Расчет точности модели. Точность модели разделяется на внутреннюю
и внешнюю (точность в системе координат проекта).
Внутренняя точность модели всегда выше внешней точности.
2.1. Расчет внутренней точности модели. Внутренняя точность модели,
построенной по результатам лазерного сканирования, определяется большей из
следующих двух величин:
– детальность модели;
– точность взаимоувязки облаков точек лазерных отражений различных
сканпозиций.
Пример № 1
Детальность модели = 1 см; СКО увязки облаков точек лазерных отражений = 0,5 см.
Внутренняя точность модели = 1 см.
Пример № 2
Детальность модели = 0,5 см; СКО увязки облаков точек лазерных отражений = 0,6 см.
Внутренняя точность модели = 0,6 см.
56
57
Приложение 2 (справочное)
Пример результатов камеральной обработки данных и формирования
моделей зданий, сооружений и внутренних помещений, получаемых
на основе применения лазерного сканирования
1. Моделирование фасадов зданий
Рис. 1П. Облако точек НЛС в натуральных цветах
(Александро-Невская лавра)
58
Рис. 2П. Облако точек НЛС в натуральных цветах (Заневская площадь)
59
Рис. 5П. Моделирование здания аэропорта
Рис. 3П. Моделирование фасада здания вокзала
Рис. 6П. Моделирование церкви
Рис. 4П. Мелкие архитектурные элементы в облаке точек НЛС
60
61
Рис. 7П. Фасадный план
Рис. 9П. 3D-модель Рижского вокзала
Рис. 8П. Поверхность отклонений фасада от вертикальной плоскости.
Хорошо виден участок деформации стены
62
Рис. 10П. 3D-модель Савеловского вокзала
63
2. Моделирование внутренних помещений
Рис. 11П. Совмещенное облако точек НЛС внутренних помещений
этажа здания
64
Рис. 12П. Моделирование внутренних помещений здания
65
Приложение 3 (справочное)
Пример формирования модели подземных объектов внешних инженерных
сетей коммунального хозяйства. Расчет для определения точности
залегания подземных объектов, грунтов основания,
фундаментов, геологических аномалий
Рис. 13П. 3D-модель внутреннего помещения
С учетом положений о проведении георадарной съемки и применения программного обеспечения, формирование модели подземных инженерных сетей,
локальных объектов или геологических аномалий состоит в обработке полученных данных и построении геолого-геофизического разреза с последующим
выделением требуемых объектов или аномальных зон.
Для точного определения глубины залегания выделенных границ и объектов необходимо знать электромагнитные свойства изучаемого разреза. Как
следствие, необходимо определить значение диэлектрической проницаемости
(ε) или скорости распространения волн (V, см/нс) во вмещающей среде. Оба параметра связаны между собой следующим соотношением:
V 
c ,

где с – скорость распространения электромагнитной волны в вакууме. По известной скорости можно рассчитать глубину залегания объекта:
V t ,
2
где Н – глубина залегания объекта; t – время пробега волны.
Для определения скорости, как основополагающей величины при пересчете временного разреза (полевые данные) в глубинный (геолого-геофизический
разрез), используются гиперболические годографы дифрагированных волн
и данные инженерно-геологического бурения, приведенные на инженерногеологических разрезах. Для выделения на георадарных профилях инженерных
коммуникаций и локальных объектов используются кинематические и динамические особенности волнового поля, полученные в результате экспериментального и математического моделирования.
На последующих рисунках показаны некоторые случаи обнаружения и локализации внешних инженерных коммуникаций и приуроченных к ним аномальных зон при послойной обработке радарограмм с выделением глубины
месторасположения границ объекта.
H
Рис. 14П. Совмещенная 3D-модель внутренних помещений здания
66
67
Рис. 17П. Построение 3D-вида
Рис. 15П. Радарограмма с выделением границ объекта
На рис. 15П на глубине 2,3 м идентифицируется труба. Вдоль коммуникации возможно возникновение процессов линейной суффозии с выносом мелкодисперсного материала (песка).
Рис. 18П. При построении объекта в 3D-виде дополнительно
выделяются зоны и границы объектов; плановое положение
рассчитывается автоматически
Экспорт в формат *.dwg выполняется программными средствами для решения последующих задач: расчета линейных и объемных характеристик, взаимоувязки с другими объектами.
Рис. 16П. Положение водопроводной трубы и развитие зоны суффозии
На рис. 16П на сетке георадарных профилей, проложенных на участке обследования, прослеживается положение водопроводной трубы и развитие зоны
суффозии. Дополнительно выявлена обводненная область. Глубина заложения
водопроводной трубы остается неизменной, составляя 2,3 м от поверхности.
Построение ортогональной сетки профилей на исследуемом участке и последующая обработка полученных радарограмм выполняются с применением
соответствующих программных средств в 3D-виде.
68
69
Приложение 4
Алгоритм расчета и критерии выбора точек съемки при наземном
лазерном сканировании зданий и сооружений, включая внутренние
помещения. Схемы съемки объектов в условиях
высокоурбанизированной застройки
Ниже представлен порядок сканирования.
1. Установить штатив. Штатив должен быть установлен максимально устойчиво, так как малейшее движение сканера может привести к сильным ошибкам и сканы, сделанные с одной сканпозиции, будут получены в разных системах координат. При установке штатива на грунт необходимо с усилием вдавить
ножки штатива в землю.
Установить сканер на штатив, подключить его к батарейкам (генератору)
и ноутбуку. Важно, чтобы провода были достаточной длины и не были натянуты: это тоже может привести к смещению сканера.
2. Перед началом сканирования надо внести в «Атрибуты сканпозиции» во
вкладке Scaling correction основные атмосферные показатели на момент сканирования: температуру, давление, влажность.
3. Сделать круговой Overview на 360 градусов.
4. Выполнить подробное сканирование. Для этого на Overview, удерживая
кнопку Alt, надо выбрать область сканирования, а потом задать расстояние до
объекта сканирования и необходимое разрешение.
Максимальное разрешение достигается при установке углового разрешения 0.004 deg, однако сканирование со столь высоким разрешением занимает
слишком много времени.
При нажатии кнопки Calculate в строке Est. Time появляется время, которое
будет затрачено на сканирование. Если такое значение времени кажется чрезмерным, можно произвести сканирование с меньшим разрешением или сократить размеры области сканирования.
В некоторых случаях можно уменьшить разрешение только по одной из
осей (вертикали или горизонтали).
Во время сканирования люди не должны находиться на пути луча. Так, при
сканировании области меньше чем 360 градусов следует отойти за сканер; если
же делается круговой скан, то надо присесть около сканера, чтобы находиться в конусе невидимости, угол которого составляет 40 градусов от поверхности земли.
5. Для перевода данных в заданную систему координат необходимо отсканировать несколько марок, координаты которых известны в заданной системе
координат.
Марки должны быть расположены в пределах сканпозиций равномерно и не
находиться в одной плоскости и на одной линии.
Марки обязательно должны быть видны со связываемых сканпозиций и не
перегораживаться другими объектами, в том числе машинами.
70
Рис. 19П. Таблица точности съемки при известной дальности и угле
сканирования
6. После завершения сканирования с одной сканпозиции надо выполнить
паркинг сканера. При этом сканер развернется в сторону нового положения.
7. Далее идет переход к следующей сканпозиции и выполнение пунктов 1–6.
Предельная дальность сканирования при разной отражательной способности объектов:
– отражательная способность 20 % (объекты темно-серого цвета): 300 м;
– отражательная способность 80 % (объекты светло-серого цвета): 800
и более метров.
Таблица 1П
Максимальное разрешение сканирования на различных дальностях
Дальность, м
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Разрешение, мм 6,98 13,96 20,94 27,92 34,91 41,89 48,87 55,85 62,83 69,81
Расположение сканпозиций должно быть равномерным. Совмещенное облако точек НЛС не должно иметь затенений (неотсканированных элементов
здания); сканпозиции должны располагаться так, чтобы элементы, невидимые
из одного положения, были отсканированы с других точек.
Расстояние между сканпозициями и до объекта съемки зависит от плотности точек, которую необходимо получить. При необходимости отсканировать
объект со всех сторон (в том числе сверху) следует устанавливать сканер также и на крыше здания.
71
Сведения об авторах
Семенцов Сергей Владимирович: д-р архит., профессор, заведующий кафедрой архитектурного и градостроительного наследия СПбГАСУ.
Орехов Михаил Михайлович: заведующий кафедрой геодезии СПбГАСУ.
Волков Виктор Иванович: д-р техн. наук, профессор кафедры геодезии
СПбГАСУ.
Шмидт Александр Борисович: канд. техн. наук, заведующий кафедрой
технологий проектирования зданий и сооружений СПбГАСУ.
Возняк Екатерина Рюриковна: канд. архит., доцент кафедры архитектурного и градостроительного наследия СПбГАСУ.
Подпорин Александр Владимирович: канд. техн. наук, доцент кафедры
водопользования и экологии СПбГАСУ.
Заборщикова Наталья Павловна: канд. техн. наук, доцент кафедры городского строительства СПбГАСУ.
Кирютина Светлана Евгеньевна: начальник управления научно-технических услуг СПбГАСУ.
Скогорева Екатерина Валерьевна: ассистент кафедры архитектурного
и градостроительного наследия СПбГАСУ.
Рис. 20П. Примеры расположения сканпозиций
72
73
Оглавление
1. Введение...............................................................................................................3
2. Область применения..........................................................................................4
3. Нормативные и методические документы....................................................4
4. Термины и сокращения.....................................................................................7
5. Общие положения...............................................................................................8
6. Геодезическое обеспечение работ.....................................................................8
7. Передовые методы выполнения съемки.......................................................12
7.1. Лазерное сканирование..............................................................................12
7.2. Применение фотограмметрического метода...........................................26
7.3. Применение георадарного сканирования................................................31
8. Требования к точности и детальности средств измерения.......................37
8.1. Требования к точности тахеометров........................................................37
8.2. Требования к точности и детальности средств измерения,
применяемых при наземном лазерном сканировании...................................37
8.3. Требования к точности и детальности средств измерения,
применяемых при мобильном сканировании.................................................38
8.4. Требования к точности и детальности средств измерения,
применяемых при георадиолокационом сканировании................................39
9. Программное обеспечение для полевой и камеральной
обработки данных лазерного и георадарного сканирования.......................39
9.1. Программное обеспечение для обработки данных МЛС.......................39
9.2. Программное обеспечение для обработки данных НЛС.......................42
9.3 Программное обеспечение для обработки данных
георадарной съемки..........................................................................................44
10. Требования к моделям объектов, формируемым
по результатам лазерного и георадарного сканирования.............................46
10.1. Формирование цифровых моделей лицевых фасадов зданий.............46
10.2. Формирование моделей внутренних помещений зданий....................47
10.3. Рекомендации по обработке данных и формированию
моделей зданий (сооружений) и инженерных сетей.....................................47
11. Перечень геометрических характеристик и параметров подземных
объектов коммунального хозяйства (внешних инженерных сетей),
подлежащих съемке..............................................................................................50
12. Состав, содержание и оформление документации, полученной
на основе моделей объектов по результатам съемки и обработки
данных лазерного и георадарного сканирования...........................................52
12.1. Документы, формируемые по результатам георадарного
сканирования.....................................................................................................52
12.2. Документы, формируемые по результатам лазерного
сканирования.....................................................................................................53
74
Рекомендуемая литература.................................................................................55
Приложения...........................................................................................................56
Приложение 1. Примеры расчета точности определения координат
и детальности в моделях зданий и сооружений.............................................56
Приложение 2 (справочное). Пример результатов камеральной
обработки данных и формирования моделей зданий, сооружений
и внутренних помещений, получаемых на основе применения
лазерного сканирования...................................................................................58
Приложение 3 (справочное). Пример формирования модели
подземных объектов внешних инженерных сетей коммунального
хозяйства. Расчет для определения точности залегания подземных
объектов, грунтов основания, фундаментов, геологических
аномалий............................................................................................................67
Приложение 4. Алгоритм расчета и критерии выбора точек съемки
при наземном лазерном сканировании зданий и сооружений, включая
внутренние помещения. Схемы съемки объектов в условиях
высокоурбанизированной застройки..............................................................70
Сведения об авторах.............................................................................................73
75
Учебное издание
Семенцов Сергей Владимирович
Орехов Михаил Михайлович
Волков Виктор Иванович
Шмидт Александр Борисович
Возняк Екатерина Рюриковна
Подпорин Александр Владимирович
Заборщикова Наталья Павловна
Кирютина Светлана Евгеньевна
Скогорева Екатерина Валерьевна
МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ОБСЛЕДОВАНИЙ И МОНИТОРИНГА
ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПЕРЕДОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Учебное пособие
Редактор Т. В. Ананченко
Корректор А. А. Стешко
Компьютерная верстка А. А. Стешко
Подписано к печати 13.04.13. Формат 60×84 1/16. Бумага офсетная.
Усл. печ. л. 4,4. Тираж 300 экз. Заказ 69. «С» 30.
Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет.
190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 4.
Отпечатано на ризографе. 190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 5.
76
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
1
Размер файла
2 030 Кб
Теги
semenzov, proved2013, metodika
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа