Лазерное сканирование на гидротехнических сооружениях

ava
Максим Хмелевский


«Акрополь-Гео»

Автор статьи делится личным опытом проведения работ по лазерному сканированию на гидротехнических сооружениях Беломорско-Балтийского канала.


Введение
О лазерном сканировании
Полевые работы на объекте
Камеральный этап
Выводы


Введение

Уважаемые читатели! Вы знаете, насколько велика наша Родина и как сильно различаются климатические условия в разных ее частях. Порой, зима так длинна, весна пролетает незамеченной, лето – нестабильно, а почва заболочена, что невольно задаешься вопросом: «когда и как проводить инженерно-геодезические изыскания?» А бывают ситуации, когда время работ ограничивают совсем другие условия.

Хочу рассказать Вам об опыте проведения работ по лазерному сканированию на Беломорско-Балтийском канале. Последний раз капитальный ремонт и реконструкция которого были проведены в 70-х годах прошлого столетия. Проблематичность изысканий на данном объекте заключается в необходимости очень точно соотнести несколько факторов:

  1. Температура окружающего воздуха должна быть выше 0°С (при работе со сканером необходимо соблюдать температурный режим, 95% лазерных сканеров не работают при отрицательной температуре).
  2. Работы необходимо начать когда снег уже сошел и обнажились бетонные устои голов шлюзов.
  3. Работы необходимо закончить до начала навигации (после этого шлюзы будут заполнены водой, начнут ходить баржи и производить съемку будет невозможно).

Именно в этих условиях наилучшим образом проявляются преимущества технологии лазерного сканирования. Это: высочайшая скорость работы прибора, энергонезависимость, только дистанционные измерения, то есть, нет необходимости в каком бы то ни было контакте с недоступными поверхностями и малая зависимость от освещенности объекта (можно проводить работы круглосуточно).

Итак, я расскажу о сканировании шлюзов ББК, но сначала давайте немного поговорим об упомянутой технологии лазерного сканирования. Пришло время, когда проектировщики нуждаются в большом количестве точной информации об объектах строительства или реконструкции сразу в цифровом виде и собранной методами, позволяющими максимально минимизировать ошибки, вызванные человеческим фактором. Технология лазерного сканирования полностью отвечает современным требованиям в части сбора информации о точной геометрии объектов.

О лазерном сканировании

Технология лазерного сканирования основана на измерении расстояния от лазерного дальномера до поверхности сканируемого объекта и двух углов (горизонтального и вертикального), определяющих направление вектора в системе координат прибора. Такой же набор измерений обеспечивают и цифровые тахеометры. Разница заключается в том, что при сравнимой точности тахеометров и лазерных сканеров, производительность сканера выше в тысячи и миллионы раз. Производительность тахеометра – от одного до пяти измерений в минуту. А производительность современных лазерных сканеров варьируется от десятков тысяч до миллиона измерений в секунду, в зависимости от необходимой плотности точек на поверхности объекта. Полученное «облако точек» впоследствии может быть представлено в виде поверхности или твердотельной трехмерной модели объекта.

Также по облаку можно создать набор сечений, плоские чертежи и т.д.

В отличие от традиционных геодезических измерений, лазерное сканирование позволяет получить цифровую модель всего объекта с очень высокой детальностью.

Использование камеры встроенной в сканер позволяет точно совместить цифровую модель и цветное изображение объекта, что дает существенные преимущества и удобства при постобработке.

Огромное количество избыточных измерений позволяет получить наиболее достоверные полевые данные, особенно о местах труднодоступных или неприступных для съемки традиционными технологиями (тахеометры, GPS).

За счет автоматизации процесса накопления отдельных измерений, технология лазерного сканирования позволяет существенно увеличить производительность полевой бригады (от 2 до 10 раз по сравнению со съемкой традиционными методами и инструментами, в зависимости от сложности объекта и требований по точности и детальности съемки). При наличии задания на мониторинг определенного объекта и проведение регулярных работ, а не однократно, исполнитель получает возможность не тратить время, а значит и деньги, на разработку методики проведения работ на объекте, что, в свою очередь, приводит к снижению стоимости работ и благотворно отражается на состоянии бюджета заказчика и его настроении.

Однако для того, чтобы извлечь все преимущества технологии лазерного сканирования, необходимо тщательно продумывать план работ и предъявлять повышенные требования к опыту и квалификации специалиста по лазерному сканированию, в отличие, например, от работ по геодезическому сопровождению строительства. Так, например, во время полевых работ сроки их исполнения, а соответственно и успех проекта в целом, в значительной степени зависит от правильного выбора позиции сканера, комбинирования способов регистрации и увязки сканов между собой, плотности сканов и многих других факторов.

Избыточный объем данных лазерного сканирования позволяет получить объективную информацию максимально свободную от индивидуальных особенностей и ошибок исполнителей в поле.

Точечная 3D модель объекта может состоять из миллиардов точек, что предъявляет очень высокие требования, как к производительности компьютеров, так и к возможности программного обеспечения обрабатывать такие объемы информации.

Так же как и на полевом этапе работ при камеральной обработке данных сканирования максимальная производительность работ может быть достигнута только за счет высокой квалификации специалистов обладающих способностью правильно идентифицировать, выделить и моделировать только необходимые объекты при огромном объеме исходной измерительной информации.

Технология съемки и структура данных лазерных сканеров (в отличие от традиционных средств измерения) изначально ориентированы на их максимально простую передачу в программы для проектирования и ГИС. Со своей стороны все основные производители программного обеспечения для проектирования объектов гражданского и промышленного строительства уже создали модули для работы с данными лазерного сканирования в своих пакетах. Такие взаимные усилия разработчиков сканеров и разработчиков программного обеспечения позволили существенно упростить импорт и работу с данными лазерного сканирования для проектировщиков.

Опыт подтвердил, что описанные выше особенности технологии лазерного сканирования позволяют эффективно использовать на всех этапах строительства и эксплуатации гидротехнических сооружений:

Полевые работы на объекте

В апреле и мае 2010 года мною вместе с напарником и совместно со специалистами «ЭЦБ ГТС «Гидротехэкспертиза» было произведено опытное лазерное 3D сканирование голов шлюзов с целью создания чертежей разрушения бетонных поверхностей устоев голов шлюзов.

Повторюсь, для проведения съемочных работ вода должна быть полностью откачана из камер и все поверхности камер шлюзов должны быть свободны от снега. Сканирование проходило очень быстро и права на ошибку не было, так как через 3 недели уже начиналась навигация.

Лазерное сканирование голов шлюзов производилось сканирующей системой Trimble GX и проходило в два этапа с 20 апреля по 14 мая 2010 года и в сумме заняло 14 рабочих дней.

За это время отсканировано 16 устоев голов шлюзов, инструментально снято 96 привязочных сфер. Каждая голова шлюза снималась в собственной системе координат и Балтийской системе высот. Такая технология давала достаточную точность для выполнения поставленных задач и для связывания сканов в единое облако. СКО уравнивания сканов не превысила 10 мм.

Одним из требований специалистов «ЭЦБ ГТС «Гидротехэкспертиза» было определение размеров каверн (вымытых полостей) на бетонной поверхности устоев шлюзов, а вместе с тем, подсчет объема цементного раствора, который потребуется для ремонта.

Результатом полевых работ явились облака точек, отображающие поверхность бетона устоев голов шлюза, в условной системе координат с заданной плотностью точек.

Камеральный этап

В камеральных условиях для каждого шлюза отдельные облака были сшиты в единое облако точек. Сшивка и чистка облаков точек производилось в программном пакете Trimble RWS. При сканировании использовалась цветная камера встроенная в сканер, что позволило раскрасить точки в реальные цвета и в дальнейшем, при обработке, с легкостью дешифрировать облако точек, определяя границы поверхности бетона, штукатурки, металлических элементов и т.п.

По требованию заказчика все работы по отрисовке велись в программном пакете Autodesk AutoCAD. По результатам сканирования были построены и сданы заказчику чертежи развернутых на плоскость поверхностей устоев голов шлюзов с нанесенными на них площадными контурами каверн и выбоин в бетоне с указанием их глубины.

В процессе работы использовались следующие методы контроля:

  • Входной контроль данных, поступающих в камеральную обработку.
  • Анализ согласованности с материалами ранее выполненных работ.
  • Контроль соблюдения технологического процесса.

В результате, полученные материалы соответствуют требованиям Технического задания и действующих нормативных документов.

По итогам работ на данном объекте могут быть сделаны следующие выводы:

  • Технология лазерного сканирования подтвердила свою эффективность при съемке гидротехнических сооружений в условиях существенно ограниченного времени и высоких требований к качеству предоставляемых материалов.
  • Подтверждена возможность определения не только размеров разрушений в плоскости, но и замеры объемов утрат.
  • Подтверждена возможность построения исполнительных чертежей элементов конструкции шлюзов без обращения к архивным материалам.

Выводы (мнение специалистов «ЭЦБ ГТС «Гидротехэкспертиза»)

Результаты опытных работ показали, что технология лазерного сканирования позволяет с высокой достоверностью и в кратчайшие сроки получать обмерные чертежи любого сооружения, развертки поверхностей сооружений с нанесенными на них повреждениями, оценить пространственные деформации сооружений, в том числе и металлоконструкций, выполнять топографическую съемку территории и многое другое.

Это подтверждает и решение заседания Координационного Совета по инновациям в сфере внутреннего водного транспорта (г. Волгоград, 12-13 ноября 2010 г., Протокол № 8), в котором записано: «Рекомендовать технологию лазерного сканирования к применению на объектах внутреннего водного транспорта».

В тоже время опыт использования технологии лазерного сканирования показал, что технология предъявляет повышенные требования к опыту и квалификации специалистов, ее использующих. Подобные работы должны выполняться только специализированными организациями, имеющими соответствующий опыт выполнения этих работ.

Необходимо также отметить, что успешное применение технологии лазерного сканирования предъявляет повышенные требования и к заказчику работ. Заказчик непременно должен иметь у себя сотрудников, хорошо знающих конструкции и сооружения, на которых применяется эта технология, способных как минимум, грамотно составить техническое задание, отметить специфические требования к производству работ, которые предъявляет решаемая задача.

В частности опыт работы на объектах Беломорско-Балтийского канала показал, что успешному выполнению работ по составлению дефектных ведомостей должно предшествовать предварительное тщательное визуальное обследование сооружения гидротехниками, классификация повреждений, определение оптимальной точности измерений, формата представления данных и пр. По результатам работы на объектах Беломорско-Балтийского канала намечена программа дальнейшего совершенствования методики составления дефектных ведомостей с применением технологии лазерного сканирования.

Еще большие требования технология предъявляет при решении более сложных задач, в частности при оценке деформации сооружений и построении систем мониторинга их состояния.

Несомненно, за технологией лазерного сканирования – большое будущее, однако только в том случае, если она находится в руках высококвалифицированных специалистов.

Максим Хмелевский – руководитель проекта, инженер 1-й категории

Виктор Есиновский – главный инженер ООО «ЭЦБ ГТС «Гидротехэкспертиза»