Инженерно-геодезические изыскания

Обзор современных методов в геодезии.

Методы производства инженерно-геодезических изысканий стремительно меняются последние 20 лет, а в последние 10 лет в особенности. Для среднестатистического геодезиста конца 90х годов совокупность современных геодезических приемов выглядела бы научной фантастикой. За развитием технологий не успевает не только нормативно-техническая база, но и преподавательский состав ведущих профильных ВУЗов.
Нередко заказчик обращается к нам за конкретным способом топографической съемки, а в процессе уточнения технического задания мы меняем методику. Важно понимать, что сегодня одним методом производство инженерно-геодезических изысканий ограничивается крайне редко.

Перечислю практикуемые виды съёмки:

• Оптические методы. Тахеометрическая съёмка;

Базовый, классический и наиболее консервативный способ геодезической съемки из практикуемых на данный момент. Осуществляется тахеометром посредством измерения расстояния от прибора до отражателя (пикета) с помощью встроенного в прибор лазерного дальномера и регистрации вертикального и горизонтального углов. Тахеометром осуществляется проложение теодолитных ходов, тригонометрическое нивелирование.
Геометрическое (более точное, чем тригонометрическое) нивелирование осуществляется нивелиром.
Необходим оператор тахеометра и помощник геодезиста - «реечник», как минимум 2 человека.
Подходит для закрытых территорий в том числе внутри зданий, требует прямой видимости между прибором и вехой с отражателем.
Данный пункт я описываю исходя из подавляюще распространенных методик производства работ на сегодняшний день, не упоминая редко используемые, например, тахеометрию с помощью теодолита.

• ГНСС съёмка, в том числе в режиме кинематики реального времени (GPS-RTK);

Спутниковая съёмка использует системы глобального спутникового позиционирования: GPS, ГЛОНАСС, Галилео, Бейдоу. В отличие от навигационных используются более точные частоты и систему базовая станция/ровер в различных комбинациях (RTK, статика, кинематика, stop&go, референцные станции, PPP, RTX и прочие).
Принцип действия базируется на определении расстояния от принимающего устройства (спутникового приемника, ровера) до спутника, ежесекундно испускающего (передающего) сигнал. Координаты местоположения спутника известны каждый момент испускания (передачи) сигнала. Ввиду того, что спутников много, то местоположение приемника определяется в точке пересечения сфер, образованных вокруг спутников с известными координатами. Точность положения приёмника уточняется базовой станцией, таким же приемником, стоящим стационарно и принимающим сигнал от тех же спутников, что и ровер – ввиду того, что базовая станция неподвижна, то в процессе уравнивания положения ровера уточняется векторами измерений, показывающими отличие от истинного положения базовой станции в каждый момент времени.
Способ незаменим для развития опорной геодезической сети и планово-съемочного обоснования при отсутствии в непосредственной близости опорной сети пунктов.
Съёмка (работа) Может быть осуществлена 1 человеком

Лазерное сканирование

• Наземное Лазерное Сканирование (НЛС);

Осуществляется стационарным лазерным сканером, обычно расположенным на штативе, посредством лазерного дальномера, измеряющего расстояния от прибора до снимаемого объекта и регистрацией вертикального и горизонтального углов. Процесс съемки происходит с большой скоростью (сотни тысяч измерений в секунду) и большой дальностью (до 6000 метров) на 360градусов в обеих плоскостях вокруг лазерного сканера. На выходе получается материал в виде трехмерного очень плотного облака точек, в зависимости от назначения съёмки до десятка измерений на 1 см2.

Обычно выделяется в отдельный от инженерных изысканий вид работ ввиду специфики задач. Результат лазерного сканирования – сверх детализированная 3D-модель поверхности снимаемого объекта. В подавляющем большинстве случаев объекты съёмки имеют антропогенное происхождение.

• Воздушное лазерное сканирование (ВЛС). Пилотируемая авиация;

Самый мощный инструмент инженерно-геодезических изысканий, покрывающий наибольшие площади при крупных масштабах съёмки.
Производительность ВЛС составляет до 1000 км2 в день. Полезно понимать, что производительность сильно зависит от масштаба, а, следовательно, высоты полёта, а, следовательно, ширины коридора, от погодных условий, полетных режимов в местности, времени года, продолжительности светового дня (для ВЛС без аэрофотосъёмки не важно время суток).
Лазерный сканер устанавливается на пилотируемый носитель, самолёт или вертолёт. Установка включает в себя не только сам лазерный сканер, но и цифровую фотокамеру, инерциальную и ГНСС системы. Координаты положения сканирующего устройства в полете в каждую единицу времени определяются при помощи ГНСС-оборудования, совмещённого с инерциальной навигационной системой, регистрирующей крен, тангаж, рысканье, ускорение/торможение, изменение высоты, боковое смещение. При этом инерциальная система дополняет GNSS измерения, фиксируя углы сенсоров с частотой более 100 раз за 1 секунду.
Оборудование для лазерного сканирования имеет довольно большие габариты и массу (см. фото), что делает невозможным ее установку на БПЛА. Вес блока управления и блока сенсоров превышает более 200кг.

Комплекс оборудования для ВЛС установленный на самолёте Ан-2

Блок управления ВЛС

Блок сенсоров ВЛС (в том числе цифровая АФС камера и тепловизионная камера)

Этапы производства ВЛС:

• Получение разрешения на полёты;
• Доставка борта ВС на место производства работ или договор с местной авиакомпанией;
• Установка оборудования на борт ВС;
• Создание (планирование) маршрутов, разработка траекторий полётов, плана полетов;
• Создание опорной геодезической сети (производится перед началом аэросъёмочных работ);
• Создание калибровочных полигонов и выполнение калибровочного полёта;
• Выполнение непосредственно полётов;
• Одновременно с полётом на нормативном расстоянии друг от друга (обычно 40-50 км) расставляются базовые ГНСС станции, работающие на всем протяжении и периоде полета; (они расставляются на закреплённых точках, ранее созданной и уравненной опорной геодезической сети);
• Оценка точности траектории и полноты сырых материалов ВЛС и АФС;
• При отсутствии сплошного покрытия/потери данных повторные полеты;
• Скачка данных ЛС и фотографий АФС;
• Рассекречивание материалов в соответствующих органах;
• Расчёт реальных траекторий полета и корректировка положения снимков в пространстве;
• Уравнивание данных лазерного сканирования;
• Создание классифицированного облака точек;
• Определение поверхности рельефа (построение рельефа);
• Комплекс фотограмметрических работ;
• Камеральное дешифрирование;
• Полевое дешифрирование;
• Полевая досъёмка элементов, не видимых для лазерного сканера;
• Создание ЦМР и ЦММ – цифровой модели местности и рельефа;
• Создание инженерно-топографических планов, формирование технических отчетов;

Как видно из этапов работ воздушное лазерное сканирование не обходится без дополнительных работ с привлечением ГНСС-съемок, тахеометрических съёмок.
Зачастую возникает потребность снять широкий коридор и большую площадь, выдать результат в весьма мелком масштабе (1:5000, 1:10000), но с возможность в дальнейшем увеличить масштаб инженерно-топографического плана. Такие объекты выполняются пилотируемой авиацией с использованием комплексов воздушного лазерного сканирования несмотря на мелкий масштаб, которым можно было бы выполнить фотограмметрически.
При выполнение Воздушного Лазерного Сканирования (ВЛС) происходит фиксация нескольких отражений от одного лазерного импульса, тем самым при классификации облака точек лазерных отражений возможно интерпретировать различные поверхности от которых был отражён лазерный луч. Так как при отражений от разных поверхностей лазерный луч имеет разную амплитуду (см рисунок).

Главным преимуществом ВЛС перед АФС является получение максимального точного рельефа даже на территории, покрытые растительностью, за счёт определения крайнего отражения лазерного луча от поверхности. Плотность измерений отражений от поверхности рельефа около 10 измерений на 1 м2. Благодаря этому строится очень подробный рельеф местности (ЦМР).

• Лазерное сканирование воздушное БПЛА;

Как и ВЛС с пилотируемой авиации, лазерное сканирование с БПЛА – комплекс, объединяющий сам лазерный сканер, аэрофотосъемочный комплекс, ГНСС.
От ВЛС на пилотируемой авиации описываемый метод отличается малыми габаритами сканера, малой высотой съёмки, крайне малым временем полёт коптера – около 17 минут.
Ввиду малых габаритов лазерного сканера, он обладает и малой мощностью, и меньшим радиусом действия.
Пока лазерный сканер устанавливается преимущественно на коптеры ввиду их большей грузоподъемности в сравнении с беспилотниками самолетного типа.
Итак, мы получаем более дешевый и мобильный, но менее производительный инструмент чем пилотируемое ВЛС, но более производительный инструмент по сравнению с наземными методами, тем не менее более дорогой.
Область применения – преимущественно технологические площадки, промышленные зоны, труднодоступные места, обрывистые склоны, залесённые склоны гор, заболоченные территории, снежный покров.
По размеру территории целесообразно использовать для технологических площадок от 10 га, для открытых мест от 1 до 15 км2
Ограничения такие же как у ВЛС – в основном, метео и климатические условия.

• Лазерное сканирование мобильное (Мобильное лазерное сканирование – МЛС);

Система мобильного лазерного сканирования обычно устанавливается на автомобиль при съемке автомобильных дорог или на локомотив/моторизированную дрезину при съемке железной дороги. Как и в случае с ВЛС комплекс состоит из лазерного сканера, инерциальную и ГНСС системы, датчика отсчёта пути.
 
На практике метод применяется преимущественно для инвентаризации и паспортизации инфраструктуры автомобильных и железных дорог, а также для ряда специфических задач:

• Съемки протяженных береговых линий (устанавливается на судно);
• Исследование состояния асфальтового покрытия, колейности (IRI) автомобильных магистралей, сбор точной информации, формирование трехмерной цифровой поверхности для роботизированного ремонта;
• Съемка карьеров;
• Диагностика взлетно-посадочных полос;
• Мониторинги, например, процесса строительства протяженного объекта, склоновых процессов;
• Съемки тоннелей

Только для нужд инженерно-геодезических изысканий применяется редко. Чистая топографическая съемка по данным лазерного сканирования получается, как правило с пробелами и нуждается в досъёмке другими методами, БПЛА (ВЛС или фотограмметрическое), тахеометрической или ГНСС съемке.

• Фотограмметрическая аэрофотосъёмка БЛА/БПЛА;

Один из наиболее доступных способов сильно увеличить площадь съемки, производительность.
Осуществляется путем сплошного фотографирования земной поверхности с беспилотного летательного аппарата и дальнейшей фотограмметрической обработки массива полученных снимков на основе стереоэффекта перекрывающихся снимков. После обработки массива снимков получается трехмерная поверхность местности и ортофотоплан. Трехмерная модель обеспечивает информацию о рельефе земной поверхности и высотах зданий, сооружений, растительности, а ортофотоплан о контурах зданий, дорог, коммуникаций, покрытий, растительности и т.д.
Привязка осуществляется двумя способами:

• Привязка координирование опорных точек с земли – для этого перед началом полета раскладываются равномерно на площади производства работ опознавательные знаки и координируются (измеряются) как правило GPS-приемниками;
• Наличие ГНСС приемника на борту БПЛА – тогда известны координаты центра каждого снимка. В таком случае необходима базовая ГНСС-станция в зоне полета. Для контроля так же измеряются несколько опорных точек.

Есть 2 вида беспилотных летательных аппаратов – вертолетного (коптерного) и самолетного типа. Вертолетный (Коптерный) тип, он же квадрокоптер, более дешевый/доступный инструмент, покрывающий значительно меньшие площади в единицу времени, в отличие от более дорогого и производительного БПЛА самолетного типа.
Масштабы крупнее 1:2000 при сложной местности нуждаются в уточнении наземными способами съемки.
Полезно использовать метод как вспомогательный при ГНСС и тахеометрических съемках.

• Фотограмметрическая аэрофотосъёмка пилотируемая;

Самый возрастной из перечисляемых методов, также, как и в случае с БПЛА осуществляется путем сплошного фотографирования земной поверхности с борта пилотируемого самолета и дальнейшей фотограмметрической обработки массива полученных снимков на основе стереоэффекта перекрывающихся снимков. После обработки массива снимков получается трехмерная поверхность и ортофотоплан местности. Трехмерная модель обеспечивает информацию о рельефе земной поверхности и высотах зданий, сооружений, растительности, а ортофотоплан о контурах зданий, дорог, коммуникаций, покрытий, растительности и т.д.
В отличие от БПЛА может покрывать значительно большие расстояния за 1 полет, может нести значительно более тяжелое оборудование, мощную оптику.
Например, современные АФС комплексы компании VexcelUltraCam - ULTRACAM OSPREY 4.1 позволяет получать снимки размером 1,1 Гигапикселя каждые 0,7 секунды. Она одновременно получает надирные изображения в режимах PAN, RGB и NIR и наклонные - в режиме RGB. Система сочетает в себе усовершенствованные объективы, CMOS матрицы нового поколения и лучшие в своем классе технологию и пользовательский интерфейс для обработки цифровых многоканальных аэрофотоснимков, безупречных с точки зрения чёткости деталей и динамического диапазона.

• Спутниковое зондирование.

Метод применим для масштабов 1:10 000 и мельче, для больших площадей, часто используется для различного вида мониторингов. Можно заказать съемку одной и той же территории разных лет для анализа динамики различных процессов. Также есть возможность сделать заявку на съемку интересующей территории в будущем на какой-либо период.

Как об отдельном виде получения материала стоит упомянуть о работе с архивными и изысканиями прошлых лет, чем часто пренебрегают. Нередко, запланировав обширные работы по инженерно-геодезическим изысканиям, после тщательного сбора и изучения архивов, полевая часть сводится лишь к проверке материала с карандашом, рулеткой и набору контрольных пикетов.

Специфические методы, например, инерциальные системы, которые пытаются интегрировать с GPS-оборудование. Они же естественным образом используются в летательных аппаратах.

Съёмка подземных коммуникаций – отдельное, но неотъемлемое направление инженерно-геодезических изысканий. Базовый способ – съемка колодцев, их вскрытие и «прозвон» коммуникаций трубокабелеискателем. Опционально к коммуникации при соблюдении техник безопасности подключают генератор частоты, такая же частота устанавливается на приемнике, показывающем точное плановое положение и глубину заложение искомой коммуникации. Генератор может подключаться как напрямую к коммуникации, так и с помощью индуктивной антенны.
После съемки в обязательном порядке коммуникации согласуются с эксплуатирующими организациями, сличение и нанесение по исполнительным чертежам, в ряде случаев с выездом представителя на место производства работ. В крупных городах и на действующих промышленных предприятиях, как правило, выдается сводный план сетей перед производством инженрено-геодезических изысканий.
В редких случаях коммуникацию невозможно найти никаким из вышеперечисленных способов –она может быть пластиковой или может быть слишком большая плотность коммуникаций. В таких случаях прибегают к шурфлению или георадарным съемкам.

Нередко заказчик обращается к нам за конкретным способом топографической съёмки, а в процессе уточнения технического задания мы меняем методику. Важно понимать, что сегодня одним методом производство инженерно-геодезических изысканий ограничивается крайне редко. Приведем пример ряда объектов:
Съемка СНТ для газификации. Ввиду затрудненного получения доступа на каждый из множества участков – целесообразно использовать аэрофотосъёмку с беспилотного летательного аппарата, привязку к системе координат целесообразно осуществлять ГНСС методами, съёмку проездов, улиц – тахеометрическим методом.
Инженерно-геодезические изыскания для нового строительства ВЛ 500 кВ, протяженность 500 км. Таежная зона, малонаселенная.
Основным методом выбрано воздушное лазерное сканирование, для подготовки к полетам расставляются базовые станции, привязанные заранее к пунктам государственной геодезической сети приемниками глобальных навигационных спутниковых систем, переходы проектируемо ВЛ через антропогенные преграды снимаются преимущественно тахеометром. При изменении трассы после основного полета ВЛС незначительные по площади участки мелких масштабов, не крупнее 1:2000 могут быть досняты методом аэрофотосъёмки БПЛА.
Реконструкция учебно-экспериментальной электростанции, создание опытно-технологических установок «Теплоцентраль» Московского энергетического института. ТЭЦ МЭИ.
Привязка к московской системе координат и высот осуществлена GNSS-приёмниками, съемка наружной части – тахеометром. Внутренняя часть здания отсканирована наземным лазерным сканером.
Видно, что практически всегда остаются тахеометрический и ГНСС методы, но основной объём съёмок осуществляется иными методами.

Основные этапы инжерено-геодезических изысканий

Инженерные изыскания - создание топопланов (пример).

Инженерные изыскания - создание инженерных планов (пример).