Введение
Подземная топосъемка – один из видов работ, на который технический прогресс оказал за последнее десятилетие значительное воздействие. C внедрением безотражательных тахеометров упростился процесс управления и слежения за строительной техникой, вынос проекта в натуру, стал более точным и сбор данных. Но что касается использования этих тахеометров для проверки соответствия реальных размеров и формы тоннелей их проектным значениям, то они оказывались менее эффективными, нежели традиционные методы измерения, такие как механические системы для измерения профиля, которые давали большую точность
Рисунок 1.
Напротив, лазерные сканирующие 3D-системы должны совершить революцию в методах съёмки под землей, значительно изменив методы съёмки и улучшив качество данных, которые могут быть получены на любой стадии работ.
Технологии лазерного сканирования
За прошедшие пару десятилетий нам посчастливилось стать свидетелями бурного развития технологий высокоточных измерений. Появление GNSS-технологий, позволяющих буквально за считанные минуты получить точные координаты местоположения точек (режим RTK), а также безотражательных тахеометров, имеющих возможность работать без применения специальных отражателей, стало важным технологическим прорывом в области геодезических измерений. Однако применение спутниковых геодезических приемников и безотражательного тахеометра не позволяло с максимальной точностью описывать объект съемки и строить полноценную цифровую модель – координатные данные были точными, но слишком разреженными. На построение трехмерных цифровых моделей фасадов зданий или чертежей цехов требовались значительные временные ресурсы, работы получались трудоемкими и дорогостоящими. С появлением новой технологии – ЛАЗЕРНОГО СКАНИРОВАНИЯ – задача построения 3-D цифровых моделей значительно упростилась. Одновременно с появлением новой технологии появляется и множество вопросов: Что это за технология? Как она работает? Где применяется? Какой сканер выбрать? Далее мы попробуем дать ответы на наиболее часто возникающие вопросы.
Что такое лазерное сканирование?
Это метод, позволяющий создать цифровую модель всего окружающего пространства, представив его набором точек с пространственными координатами. Основное отличие от традиционных тахеометров – гораздо большая скорость - 5000 измерений в секунду – в среднем два-три полных рабочих дня измерений обычным тахеометром, и высокая плотность - до десятков точек на 1 кв. см. поверхности – измерений. Полученная после измерений модель объекта представляет собой гигантский набор точек (от сотен тысяч до нескольких миллионов), имеющих координаты с точностью несколько миллиметров.
Рисунок 2.
Процесс проведения работ
В геодезических работах, сопровождающих строительство тоннелей можно выделить две основные фазы: измерения и их обработка.
Первая фаза включает полевые работы. Но проводить измерения, используя традиционные методы возможно только тогда, когда строительные работы не создают помех. Это означает, что измерения могут проводиться только в "мертвое время" между различными строительными работами. Такие перерывы, к тому же зачастую очень короткие и их невозможно предугадать. Обычно съёмка выполняется на законченных площадях, однако, сложенные в тоннеле стройматериалы, трубы, строительная техника и другие препятствия ограничивают видимость и не позволяют произвести полноценные измерения.
Использование системы лазерного сканирования Callidus меняет саму концепцию проведения геодезических работ в подобных условиях. И основные факторы, позволяющие сделать это - скорость и количество собираемых данных.
Как это делается?
Сканер измеряет расстояние до объекта и два угла, что дает возможность вычислить координаты. Пучок лазера исходит из излучателя, расположенного в измерительной головке сканера, отражается от поверхности объекта и возвращается в приемник (также расположенный в измерительной головке). Пользователь задает шаг сканирования, и вращающаяся призма распределяет лазерный пучок по вертикали, а сервопривод, поворачивая блок измерительной головки, обеспечивает распределение пучка по горизонтали с этим шагом. Данные измерений автоматически записываются на внешний или внутренний носитель памяти.
После того, как произведены измерения, начинается процесс обработки. Изначально, сырые измерения представляют собой «облако» точек, которые необходимо представить в виде чертежей, схем в CAD формате. Весь процесс обработки состоит из нескольких основных этапов:
«Сшивка» сканов
Во время съемки объекта, для полного покрытия поверхности, требуется провести несколько сканов. Для создания единого скана производят процедуру объединения. Самым распространенным методом «сшивки» является метод совмещения сканов по опорным точкам, которые отображаются на смежных сканах.
Трансформация координат
Для точного представления будущего чертежа или схемы необходимо задание определенной единой системы координат. Начало системы координат каждого отдельного скана, производимого с определенной точки, находится в центре измерительной головки сканера. Для связи координат объекта, полученных из разных сканов, необходимо выбрать единую систему координат, определить в ней центр сканирования для каждого случая и трансформировать все полученные координаты в единую систему.
Создание поверхностей
На данном этапе необходимо представить “облака” точек математически описываемыми поверхностями. С помощью прикладного ПО можно либо создать TIN-поверхность – аппроксимировать поверхность триангуляционным методом, либо аппроксимировать поверхность с помощью простейших правильных математических поверхностей (плоскость, сфера, цилиндр и пр.). Созданные подобным образом поверхности, могут быть экспортированы в любые CAD и 3D-приложения. Если сканирование сопровождается цифровой видео- или фотосъемкой, то на этапе обработки можно совместить сканированное изображение объекта с его видео изображением, придав скану реальные цвета и текстуру.
Количество данных
Время сбора данных значительно сократилось – с нескольких часов до нескольких минут. Данные могут собираться непосредственно во время строительных работ, без перерыва, несмотря на некоторые внешние помехи во время съёмки. Важным преимуществом является то, что можно оценивать фактический объём вынутого грунта и строительных работ практически в режиме реального времени.
Рисунок 3. Использование полевого компьютера для проверки данных в режиме реального времени.
Мы собираем намного больше данных, включая измерения всех требуемых участков без каких-либо пробелов. Можно определить реальную геометрию и обычно не нужно возвращаться обратно в тоннель для получения дополнительной информации, если найдены какие-либо отклонения (хотя инженеры могут иногда запросить возврат в тоннель из-за других причин). Важно, что сканер предоставляет большее количество данных, по сравнению с традиционными технологиями.
Можно сравнить количество собранных точек. Традиционная съёмка профиля выполняется примерно через 5 метров и состоит приблизительно из 300 точек на 40 метровом отрезке. Данные сгруппированы в узкие полосы в каждом сечении. Панорамный сканер, например, Callidus измеряет почти 1 миллион точек на отрезке 40 м. Точки распределены таким образом, что образовывают сетку со стороной ячейки порядка 5 см. Они покрывают всю поверхность тоннеля без пропусков и измерения занимают гораздо меньше времени, нежели съёмка с помощью тахеометра.
Второй этап заключается в обработке данных. Преимущества лазерного сканирования по сравнению с традиционным методом на этом этапе более чем очевидны - это качество и точность полученных данных. В нашем примере, обработка данных заняла небольшое время. За один день мы смогли выполнить измерения, проверить объём вынутого грунта и геометрию, а затем, когда были найдены ошибки в земляных работах, вернуться и исправить их, пока машины были ещё на месте. Это даёт значительную материальную выгоду, основанную на экономии времени и стройматериалов.
Обработка данных, полученных традиционным методом, состоит из нескольких этапов: загрузка данных из тахеометра в компьютер, присвоение измеренных точек каждому профилю и рисование профиля (часто вручную) и сравнение с проектным сечением. В участках между сечениями выполнить сравнение вообще было невозможно!
С системой Callidus полевые данные передаются в специализированное ПО 3D Extractor для предварительной обработки. В нём мы можем получать профили тоннеля из множества точек на определенных расстояниях между выбранными точками, отвечающим определенным критериям, либо мы можем экспортировать часть или всё множество точек в более мощные программные продукты для инженерных расчётов, например, INROADS или TerraModel. Данные могут быть переданы в специализированные программы для получения трёхмерных моделей тоннеля.
Сканирование
Для создания сплошной съемки объекта с большой скоростью. Там где требуется сделать большой объем работ за малое время:
1. съемка зданий и строений;
2. съемка предприятий со сложной структурой (нефтегазоперерабатывающие комплексы, химические предприятия и т.д.);
3. съемка дорог и дорожных объектов (мостов, путепроводов, прилегающей зоны);
4. съемка открытых и закрытых горных разработок;
5. съемка ситуации и рельефа.
Рисунок 4.
Ниже приведены лишь несколько примеров применения данной технологии:
• Геодезия
Построение топографических планов путем обработки в офисе облаков точек лазерных отражений. Из массива данных выбираются точки, принадлежащие различным объектам, подлежащим отображению на топографическом плане – рельеф местности, здания и сооружения, объекты инженерной инфраструктуры и т.п.
• Дорожное строительство
Съемка дорожной инфраструктуры для оценки ее текущего состояния и создания проектов реконструкции.
• Горное дело
Съемка открытых разработок для оценки объемов выработки, оперативная съемка подземных выработок в различных целях, в том числе для оценки рисков возникновения чрезвычайных ситуаций.
• Архитектура
Фасадная съемка зданий и памятников архитектуры для целей паспортизации и подготовки проектов реконструкции.
• Эксплуатация инженерных объектов
Мониторинг состояния сложных инженерных сооружений (мосты, плотины, и т.п.), тарирование резервуаров для хранения жидкостей, детальная съемка инженерных объектов (электроподстанций, производственных предприятий и др.) для целей паспортизации или подготовки проектов реконструкции.
• Обследование мест происшествий
Детальная съемка
Детальная съемка мест происшествий с большим ущербом – аварий, крушений, дорожно-транспортных происшествий и т.п.
Рисунок 5. Внешний вид объекта съёмки
Стоимость полезных ископаемых рудосодержащих пород, да и самих земляных работ достаточно высока. Точно определить объемы пород традиционными методами не удается, величина погрешности в некоторых случаях достигает 10%. При таком методе измерения съёмка отвалов выполняется только по характерным контурным точкам, расчёт объёма производится по формулам геометрически правильных тел, угол отвала принимается за постоянный. Всё это, конечно, упрощает и ускоряет процесс измерения объёма, но и снижает точность до 10 - 15%. Есть и ещё один недостаток: при насыпке отвала необходимо соблюдать форму геометрического тела, следить за однородностью распределения породы, высотой насыпки и т.д.
В настоящее время для точного подсчёта объёмов горных пород используется новая геодезическая технология – наземное лазерное сканирование. Результат работы лазерного сканера - сеть измеренных точек, которой покрывается отвал или склад. Теперь мы имеем не несколько десятков измерений, по которым строим упрощённую геометрическую фигуру и рассчитываем её объём, а сотни тысяч точек с заданной регулярностью, например, в 10 см. Столь подробное описание поверхности фигуры неправильной формы позволяет достичь высокой точности (СКО < 1%) при расчёте объёмов. Подробнее принципы технологии лазерного сканирования описаны в статье "Что такое лазерное сканирование?". Лазерные сканеры имеют достаточно высокую (от сотен до нескольких тысяч точек в секунду) скорость измерений, что позволяет им конкурировать с традиционными геодезическими методами. Нельзя не упомянуть ещё об одном преимуществе безотражательного принципа измерения расстояний – удалённости от объекта съёмки. Нет необходимости забираться с отражателем на отвал или ходить по кромке карьера, рискуя здоровьем. Дальность действия сканера позволяет работать на удалении в десятки и сотни метров.
Итак, использование технологии сканирования позволяет: достичь гораздо более высокой точности сохранить либо повысить скорость измерений снизить уровень опасности при работе полевой бригады в значительной степени автоматизировать процесс измерения минимизировать влияние "человеческого фактора" получить конечную документацию в электронном виде
В августе 2005 г. специалистами компании "Навгеоком" был выполнен пилот-проект по измерению объёмов отвалов каменного угля. Цели проекта: выявить возможность использования лазерной сканирующей системы Trimble-Mensi GS200 для определения объёмов горных пород адаптировать методику проведения полевого и камерального этапа работ к нуждам металлургического завода измерить угольные склады, оценить точность измерений
Изначально опасение вызывала низкая отражающая способность (альбедо) каменного угля – всего несколько сотых. Было неизвестно, как поведёт себя сканер в условиях задымлённости и запылённости, характерных для предприятий тяжёлой промышленности, будет ли получено отражение, и на каком расстоянии.
Полевой этап работ проходил на территории металлургического завода, объектом съёмки являлись склады каменного угля (см. рис. 5). Одна из частей первого склада имела относительно правильную форму усечённой пирамиды. В оставшейся части склада проводились работы по выборке и погрузке породы в вагоны, поэтому определить форму этой части было весьма затруднительно. Второй склад скорее напоминал уменьшенную копию горного хребта с вершинами, ущельями и ложбинами, и своей формой ни под какую из известных геометрических фигур явно не подходил.
На объекте постоянно велись работы по погрузке породы в составы посредством козловых кранов на рельсовом ходу. Это натолкнуло на мысль использовать для съёмки высоту крана (26 м). Действительно, сверху обзор на склады значительно расширился, что позволило уменьшить число станций и сократить общее время съёмки. Сканы решено было сшивать по характерным точкам, для этого специально с повышенной плотностью сканировались отдельные углы зданий, элементы конструкций, видимые с каждой станции.
В итоге, отстояв за один день пять станций, три из которых – с крана, две – с поверхности земли, мы получили точечную модель обоих складов Опасения по поводу слабой отражающей способности угля оказались напрасными – сканер для этого вида съёмки достаточно уверенно принимал сигнал с расстояния 80 - 100 м при различных углах падения луча, но на расстояниях же более 110 - 120 м сказывалась слабая отражающая способность угля.
Для камеральной обработки отснятого материала использовалось ПО RealWorks Survey. Основные этапы обработки: сшивка сканов контроль качества сшивки визуальный осмотр и удаление мусора, шумов построение триангуляционной поверхности (TIN) расчёт объёма, занимаемого замкнутой поверхностью оценка точности
Рисунок 6. Триангуляционная модель поверхности угольного склада
Рисунок 7. Расчёт объёмов
Рисунок 8. TIN-модель одного из складов с частично наложенной для визуализации текстурой.
Все этапы обработки заняли несколько часов. Сшивка, как уже упоминалось, была произведена по характерным точкам – метод скорый, не требующий установки марок, создания обоснования, но, к сожалению, дающий не всегда приемлемый результат. В нашем случае в точках максимального отклонения сканов разлёт составил 7 см, в большинстве же случаев сканы увязались в пределах 2 см. Для прибора с миллиметровой точностью измерений расстояний (2.5 мм до 100 м) такой метод оказался не достаточно точным, поэтому при разработке методики измерения объёмов пород для металлургического завода специалистами компании был предложен вариант, при котором по периметру территории склада и за его пределами на неподвижных элементах конструкций размещаются марки-отражатели.
Достаточно один раз измерить их координаты, скажем, тахеометром, и впоследствии использовать это обоснование для геопривязки каждого скана. Таким образом, можно ещё больше повысить точность и скорость полевого этапа, т.к. отпадает необходимость сканирования характерных точек.
Удаление мусора может выполняться как вручную, так и при помощи специальных функций программы обработки, на выходе получаются очищенные "облака точек" для каждого склада.
Далее, используя возможности RealWorks, была построена нерегулярная триангуляционная сеть, которая и моделирует собой поверхность склада. Расчёт объёмов производится автоматически.
Специфика нужд завода заключается в периодическом измерении объёма склада, находящегося на одной территории. При этом практически постоянно ведутся работы по насыпке и погрузке породы в составы. Кроме выбранного для нужд завода метода сшивки сканов нами было предложено: использовать беспроводную передачу данных между сканером и управляющим ноутбуком, по возможности использовать козловые краны для увеличения обзора, учитывая тяжёлые условия работы, использовать контроллер Trimble Recon вместо ноутбука.
Итак, в результате всего комплекса работ: сделан положительный вывод о возможности использования сканирующей системы Trimble-Mensi GS200 для измерения объёмов каменного угля, а также других горных пород (вынутых, отвальных, пород вскрыши и пр.), полученный при выполнении пилот-проекта опыт использовался для адаптации методики к нуждам металлургического завода, были измерены два угольных склада объёмом до 100000 м3 с относительной погрешностью 2.4%, при этом с возможностью поднятия точности до 0.5% при использовании вышеуказанной методики геопривязки.
Работа системы
Callidus в Ave
Рисунок 9. Фотомозаика тоннеля (широкоугольная съемка).
Чтобы сравнить 3D-сканирование с традиционными методами, компания Santiago+Cintra произвела съёмку 120-метрового отрезка тоннеля Molins, который строится в Roda de Bara (Tarragona) и является частью скоростной железной дороги от Мадрида до французской границы. В приведенном примере мы находились в Lleida-Martorell, участок VIII-A. Подрядчик платформенных работ UTE SACYR-CAVOSA.
Полевые работы выполнялись с помощью системы Callidus, которая состоит из сенсорной головки, контроллера, штатива, призмы, установленной на корпусе сканера и призменного набора, состоящего из штатива, треггера, призмы. Призма используется для того, чтобы выполнить ориентирование сканера. Она определяется автоматически и ориентирует массив точек на призму. Обработка данных была произведена с помощью программы 3D Extractor, которая является частью системы Callidus и инженерного приложения INROADS компании Bentley System.
Рисунок 10. Облако точек в тоннеле Molins.
Для измерения отрезка длиной 120 м, мы сделали три скана на расстоянии примерно 40 м друг от друга. Для съёмки были выбраны установки, принятые по умолчанию (0.25° x 0.25°). Это дало нам облако точек со средней плотностью 1 точка на площадку 5 х 5 см. Кроме того, мы включили компенсатор для того, чтобы автоматически вводились поправки за наклон инструмента и использовали режим поиска призм. Фотографии объекта не делались.
Для того, что бы все измерения были представлены в единой системе координат проекта, нам нужны были координаты как сенсорной головки сканера, так и отражающей призмы. Мы получили эти данные тахеометром.
Процесс сканирования каждого из трёх объектов занимал около 17 минут, во время которых мы:
· перемещали и устанавливали сканер и призму на новом месте.
· измеряли их координаты с помощью тахеометра
· производили 3D сканирование
Для проведения всей полевой работы потребовался 1 час 5 минут.
Система Callidus использует в качестве энергетического источника постоянный ток 12 – 32 В или переменный ток 100 – 220 В. В нашем случае мы использовали обычную электрическую сеть с напряжением 220 В.
Обработка данных началась с трансформирования всех трех сканов в единую систему координат объекта. Модуль Local Into Global, входящий в ПО 3D Extractor позволяет это сделать, используя необходимые координаты сканера и призмы. Эта трансформация необходима для корректной передачи данных из 3D-Extractor в INROADS.
Первоочередной задачей являлось определение дефектных (по сравнению с проектными значениями) областей тоннеля. Предварительно мы создали 3D-модель с помощью программного обеспечения Microstation и INROADS, которую экспортировали в формате SAT в 3D Extractor.
Просматривая в 3D Extractor данные сканирования и проектную 3D-модель тоннеля, можно было провести анализ его поверхности. Мы могли сразу увидеть, были ли какие-либо невыработанные области поверхности тоннеля, сделанные с нарушением проектного задания. И мы их нашли! Потом мы выполнили необходимые вычисления, после которых выбрали и экспортировали координаты этих областей в текстовый файл. Эти координаты были импортированы в программу INROADS, в которой мы создали данные для выноса в натуру и передали строителям для исправления выемки грунта (рис. 5 и 6). Этот процесс почти не занял времени и все недоделанные области были исправлены без дальнейшей обработки.
Следующим шагом было создание цифровых моделей тоннеля, которые позволяют инженерным приложениям просчитывать объёмы и детально анализировать геометрию объекта. Благодаря специальным функциям программы INROADS, позволяющим обрабатывать модели дорог, мы предпочли выполнять эту работу в ней, а не в 3D Extractor (хотя он тоже обладает возможностями моделирования).
Рисунок 11.
Мы обнаружили следующий факт: возможности моделирования почти всех инженерных приложений, предлагаемых на рынке, спроектированы для топографии и поэтому не поддерживают работу со складчатыми, либо сложными, накладывающимися друг на друга поверхностями, таких как тоннели или пещеры. INROADS не исключение. Мы решили проблему, создав две группы точек. Одна состояла из множества наиболее удаленных по ширине точек до потолка тоннеля, а другая от такой же точки до дна тоннеля. Каждая группа составляет независимую поверхность.
Когда была построены TIN-модели поверхностей, мы смогли получить поперечные сечения на заданных расстояниях и просчитать поверхность целиком. Чтобы сравнить результаты с проектными данными, предоставленными подрядчиком, мы брали сечения с интервалом 5 метров
После сравнения результатов полученных двумя методами, разница в координатах была небольшой (приблизительно 3 %). Это не было для нас неожиданностью, поскольку номинальная точность обоих систем сравнима.
Рисунок 12.
Подрядчик использует специальное ПО, загруженное в роботизированный тахеометр с сервоприводом. Это даёт возможность выносить точки очень близко к проектному значению профиля (рис. 8).
Основные различия в использовании традиционного метода и лазерного сканирования, можно увидеть, сравнивая производительность и точность измерений.
Измерения с помощью тахеометра требуют больше времени. Это связано с тем, что прибор необходимо переставлять. К тому же, движение транспорта в тоннеле создает помехи и не позволяет полностью автоматизировать процесс. Мы получили сечения профиля тоннеля, но это заняло много времени (3 станции, общее время 2 часа)
Каждое сечение, измеренное тахеометром, должно быть отдельно обработано в CAD-приложении.
Измерения профилей были сделаны тахеометром через каждые 5 м, поэтому определить нарушения в выработке можно только в областях, близких к этим профилям задания, что существенно ограничивает возможности проверки всей поверхности тоннеля.
Во время этой тестовой съемки мы обнаружили множество локальных недоработанных поверхностей, которые не могут быть определены профильной съёмкой, если только расстояние между профилями не превышает 2 м. Подрядчик мог вести съёмку по этой методике, используя традиционное оборудование, но это привело бы к значительному увеличению объёма работы как для операторов, так и для офисного персонала. Потребовался бы дополнительный ресурс, время, что значительно увеличивает стоимость работы.
С другой стороны, метод лазерного сканирования не требует дополнительной съемки, обеспечивая при этом 100% покрытие поверхности тоннеля и позволяет выявить все отклонения от проекта и прочие недоработки и недоделки. Весь процесс, начиная с измерений и заканчивая обработкой, занял меньше 2-х дней. Первые данные для визуального анализа геометрии тоннеля были готовы через час после измерений.
Заключение по Callidus
Главные преимущества системы Callidus по сравнению с традиционными методами - это точность, качество съёмки, производительность
Значительное сокращение времени, затрачиваемое на проведение измерений, даёт возможность инженерам более плотно интегрировать свою работу в общий строительный процесс и позволяет делать контрольные замеры в любое время, а не только в "мертвые часы".
Оперативность получения первых результатов измерений непосредственно в поле, даёт возможность исправлять недоделанные области тоннеля или области сделанные с нарушением проекта, пока машины, предназначенные для проведения земляных работ, находятся вблизи участка работ. Это даёт значительную экономию в материалах, времени, людских и материальных ресурсах.
100% покрытие тоннеля методом лазерного сканирования, позволяет сделать более точный и глубокий экономический анализ проекта. Мы точно можем узнать фактический объём выполненных земляных работ (количество бетона, использованного для отделки стен тоннеля или заполнения вынутого грунта). С такими данными можно тщательнее анализировать альтернативные экономические и инженерные решения, которые могут быть использованы для просчёта будущих стадий проекта.
Вывод:
• Во-первых, в технологии полностью реализован принцип дистанционного зондирования, позволяющий собирать информацию об исследуемом объекте, находясь на расстоянии от него. При этом получаемые данные приходят в виде координат точек поверхности, что расширяет возможности дальнейшей компьютерной обработки результатов. Эта особенность позволяет значительно снизить трудозатраты, повысить эффективность и сделать работу по проведению измерений более безопасной.
• Во-вторых, по полноте и детальности получаемой информации лазерное сканирование превышает все другие методы. Плотность определяемых точек может исчисляться миллиметрами, что дает возможность адекватно отображать объекты самой сложной «нематематической» формы и практически неограниченно расширяет сферу применения технологии.
• В-третьих, лазерное сканирование отличается непревзойденной скоростью работы. Информация об объекте в виде «облака точек» собирается за считанные минуты. Таким образом, технология имеет уникальную возможность оперативного мониторинга.
Список литературы:
1. СНиП 3.01.03-84. Геодезические работы в строительстве. – взамен СНиП III-2-75, М., 1985 г.
2. Справочник по геодезическим работам с строительно-монтажном производстве/ С.П. Войтенк [и др.] – М.: Недра, 1990 г.
3. Жуков, Б.Н. Руководство по геодезическому контролю сооружений и оборудования промышленных предприятий при их эксплуатации. – Новосибирск: СГГА, 2004 г