На сайте "Vnedra.ru" опубликована статья Демшиной Н. "Лазер и беспилотники на службе инженерной защиты от геологических опасностей". Полностью с материалом можно ознакомиться по ссылке.

Крупный оползень на отвале пустой породы на месторождении Сибантрацита в Новосибирской области в июле 2020 года затопил сельхозугодия, повредил железную дорогу, завалил несколько карьерных экскаваторов. И это не единственный результат «работы» опасных геологических процессов в горной отрасли, зафиксированный в последние годы.

Многих ЧП можно было бы избежать, считают специалисты НИИОСП им. Н. М. Герсеванова АО «НИЦ «Строительство», если вовремя были бы применены адекватные меры инженерной защиты.

Карсты, лавины, оползни, затопления и селевые потоки представляют опасность, поскольку развиваются редко, стремительно и создают серьезную угрозу жизни людей. Для предотвращения таких ситуаций, согласно СП 116.13330.2017, необходимо принять соответствующие мероприятия инженерной защиты, чтобы выяснить, какими особенностями обладает территория и склонна ли она к подобным процессам. А это требует проведения геодезических изысканий.

Разрабатывать максимально эффективные мероприятия в короткие сроки позволяет использование современного геодезического оборудования. О том, каких результатов удается достичь благодаря лазерному сканированию и беспилотникам, в докладе на конференции «Строительные технологии, техника и материалы для горнодобывающей отрасли» 21 апреля 2021 года в Москве рассказали сотрудники лаборатории института Андрей Игоревич Харичкин и инженер Кирилл Сергеевич Рогов.

Традиционные методы геодезической съемки включают классические (тахеометрическая съемка) и спутниковые технологии. Методы надежные и проверены временем, однако обладают рядом существенных недостатков.

Так, после съёмки получается топографичесий план, который охватывает не всю рассматриваемую территорию в целом, а лишь отдельные характерные точки, густота которых на местности соответствует выбранному классу точности и масштабу съёмки. В результате важные особенности рельефа могут оказаться незафиксированными, а это имеет критическое значение при проектировании мероприятий инженерной защиты. И в будущем может привести к развитию опасного геологического явления.

Второй минус результатов классических методов — сложности в интерпретации полученной информации, поскольку изображение получается плоским. Еще один недостаток выполнения тахеометрической съемки или съемки с применением спутниковых приемников — необходимость прохождения больших расстояний пешком. По этой причине выполнение изысканий на обширных территориях (в несколько гектаров) занимает много времени, а актуальность информации может утратиться еще до того, как изыскания завершатся.

Этих недостатков лишены новые технологии — лазерное сканирование и беспилотные летательные аппараты, об опыте применения которых рассказывали на конференции в Москве сотрудники НИИОСП им. Н. М. Герсеванова.


Ремонт и реконструкция станции канатной дороги на оползневом участке в районе подпорной стены СТ-3 и укрепление откосов оползнеопасных склонов вдоль горнолыжных трасс, горнолыжный туристский центр ПАО «Газпром», г. Сочи, 2018 год


Подпорная стена СТ-3


Скан и поверхность с горизонталями оползневого склона возле стены СТ-3

Основное преимущество лазерного сканирования — возможность создания трёхмерной точечной модели объекта. Результат достигается при помощи лазерных сканеров, работающих по принципу измерения расстояния до объекта и фиксации направлений на эти отрезки. С одной установки сканера можно формировать целое облако точек заданной области пространства. Массив полученных данных обрабатывается на компьютере — создаются модели поверхности, карты высот, вычленяются горизонтали. Все это служит основанием для разработки планов, разрезов и чертежей.

В 2018 году лазерное сканирование было применено при подготовке к реконструкции и ремонту станции канатной дороги на оползневом участке в районе подпорной стены СТ-3 и укреплению откосов оползнеопасных склонов вдоль горнолыжных трасс. Работы проводились в горнолыжном туристском центре ПАО «Газпром» в Сочи.

Полученные объемные цифровые модели содержат геометрические характеристики ситуации в пределах рассматриваемого участка строительства. На основании данных съемки реализован проект по усилению откосов склонов вдоль горнолыжных трасс и возле подпорный стены, а также разработан проект усиления и ремонта подпорной стены СТ-3.

В том же году выполнено лазерное сканирование пещер Камкинской каменоломни «Кисели», расположенной в пятне застройки здания в деревне Камкино в Московской области. Объемная цифровая модель с геометрическими характеристиками подземной и надземной ситуаций в пределах рассматриваемого участка строительства позволила реализовать проект по усилению фундаментов и грунтов основания.


Лазерное сканирование пещер Камкинской каменоломни «Кисели», расположенной в пятне застройки здания, Московская область, Домодедовский р-н, д. Камкино, 2018 год

Аэрофотосъемка с использованием БПЛА помогает избежать многих сложностей, характерных для классических методов съемки. Материал, получаемый в результате работы беспилотных аппаратов, отличается большей степенью детализации и наглядности. Это дает возможность анализа ситуации в целом и ее отдельных участков.


Облако точек по данным лазерного сканирования в Камкинской каменоломне

Поскольку выбирать характерные точки на местности при съемке БПЛА не требуется, вести проектирование противооползневых или противоселевых мероприятий и назначать другие проектные решения можно значительно проще и быстрее.

При аналогичной традиционным методам точности аэрофотосъемка с беспилотников позволяет получать исчерпывающие данные значительно быстрее, комфортнее и безопаснее. Благодаря этому можно оперативнее анализировать текущую ситуацию на территории изысканий и разрабатывать решения в плане инженерной защиты.

Достоинства аэрофотосъемки с беспилотных летательных объектов также включают:

• расширение возможностей фотограмметрии с дополнительным выполнением масштабной топографической съемки и съемки труднодоступных мест (горной местности, крупных котлованов, высотных зданий);

• возможность ведения съемки в автоматическом режиме из расчетных точек по заранее определенным маршрутам, с ориентацией съемочной системы в пространственных координатах, вычисляемых по сигналам спутниковых навигационных систем.

При аэрофотосъемке с БПЛА применяется цифровая камера, обладающая высокой разрешающей способностью. Это позволяет получать стереоизображение, присваивать снимкам точные координаты центров, а также в большинстве случаев исключить маркировку наземных опознаков. Полученная информация проходит обработку в специальной компьютерной программе: фотографии масштабируются, в них вносятся необходимые поправки. В результате формируется масштабный план поверхности.

Комплект оборудования состоит из нескольких компонентов. Первый — БПЛА, служащий носителем техники для аэрофотосъемки и передачи приема спутниковых сигналов. Второй — спутниковый приемник, который используется, чтобы определять положения контрольных точек или опознаков. Он может также применяться как базовая станция, если в окрýге нет доступных постоянно действующих. Третий — цифровая фотокамера. Четвертый — смартфоны и ПК для выполнения подготовительных работ и камеральной обработки полевых материалов. БПЛА также могут оснащаться мультиспектральными, тепловизионными камерами, лидарами и другими устройствами.

Аэрофотосъемка выполняется по отработанному алгоритму. Сначала изучается территория или объект, подбирается соответствующее оборудование. Оно готовится к работе и проверяется (поверяется, калибруется и настраивается).

Далее разрабатываются полетные задания: определяются границы и высота, скорость движения БПЛА, перекрытия снимков и так далее. Проверяется наличие исходных наземных или спутниковых геодезических сетей, определяются решения по подключению и привязке к ним аппаратов.

Опознавательные знаки или контрольные точки маркируются, координируются. Приемник БПЛА подключается к постоянно действующей станции или к специально установленной в пунктах, координаты которых известны. Фотокамера калибруется, проверяются полетные характеристики.

Выполняется аэрофотосъемка. Затем данные с БПЛА переносятся на компьютер, обрабатываются с присвоением точных координат и высот центрам снимков. Проводится фотограмметрическая обработка.

Создаются геопривязанный ортофотоплан, облако точек, 3D-модель, карта высот местности горизонталями. Если используется дополнительное оборудование, готовятся тепловизионные, мультиспектральные снимки и другая информация.

Осенью 2019 года сотрудники лаборатории № 17 НИИОСП им. Н. М. Герсеванова провели с использованием аэрофотосъемки оценку селевой опасности территории города Северо-Курильска на острове Парамушир. На основе этой работы специалистами института были разработаны меры противоселевой защиты.


Подготовка БПЛА к выполнению задачи в рамках противоселевых мероприятий, г. Северо-Курильск, о. Парамушир, 2019 год


Разряженное облако точек, полученное после обработки стереопар (противоселевые мероприятия, г. Северо-Курильск, о. Парамушир, 2019 год)

Ставилась задача собрать актуальные данные о состоянии селеопасных зон вдоль рек Матросская и Кузьминка, а также составить карту селевой опасности города Северо-Курильска. Полученный материал предназначался для проведения научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по проектированию и оценке объемов необходимых мероприятий инженерной защиты.

В процессе работы сотрудники института выполнили аэрофотосъемку с БЛПА участка протяженностью около 1,5 км. На основании данных съемки сформированы ортофотоплан, 3D-модель и карта высот (с горизонталями) русла реки Кузьминка и откосов вдоль его оси. Далее создана карта селевой опасности Северо-Курильска и предложены варианты инженерной защиты территории.

В 2019–2020 годах специалисты лаборатории выполняли геотехнический мониторинг и научно-техническое сопровождение возведения искусственной насыпи ADRENALINE BEAT в Москве. Проведено визуальное наблюдение за ходом строительства. Выполнялся периодический геодезический контроль геометрических параметров тела насыпи и проводился геодезический контроль деформаций массива грунта. Полученные сведения проанализированы, составлено заключение о ходе строительства.

Это позволило оценить состояние насыпи относительно проектных решений, а также проанализировать и проконтролировать ситуацию с объемом отсыпки и деформациями грунтового массива.

Площадь аэрофотосъемки составила 50 гектаров. Подготовлены ортофотоплан, 3D-модель и карта высот (с горизонталями) для каждого цикла измерений. Анализ материалов выполнялся как самостоятельно (в текущем цикле), так и в сравнении с предыдущими циклами. Это дало возможность проследить различные склоновые и эрозионные процессы, изменение геометрических характеристик насыпи по ходу строительных работ. Удалось также выявить некоторые ошибки в производстве работ по отсыпке. Далее был разработан эскизный проект, где предлагались решения проблем, возникших во время возведения насыпи.


Геотехнический мониторинг и научно-техническое сопровождение возведения искусственной насыпи ADRENALINE BEAT, г. Москва, 2019-2020 годы


Работа с материалами после обработки результатов аэрофотосъёмки (ADRENALINE BEAT)

В 2020-м сотрудники НИИОСП им. Н. М. Герсеванова принимали участие в научно-техническом сопровождении (НТС) строительства новых горнолыжных трасс и станций канатной дороги горнолыжного комплекса «Эльбрус» в Кабардино-Балкарии на горе Эльбрус.



Инженерно-геологические изыскания в составе научно-технического сопровождения при строительстве горнолыжных трасс и верхних трасс канатной дороги, Кабардино-Балкарская Республика, гора Эльбрус, 2020 год

Аэрофотосъемка была призвана отразить фактическую ситуацию на месте запроектированных трасс и дополнить архивные инженерно-геологические материалы новыми данными. Это было необходимо для разработки мероприятий инженерной защиты, поскольку, по данным проектных материалов, большая часть склонов находилась в неустойчивом состоянии и требовала укрепления.



Фотография с БПЛА (Эльбрус)

Площадь аэрофотосъемки территории будущих горнолыжных трасс составила 224 га. В результате сформированы ортофотоплан, 3D-модель и карта высот (с горизонталями) местности. Они использовались для разработки топографических планов масштаба 1:2 000 опасных геологических процессов и инженерно-геокриологического районирования, а также облегчили анализ новых и архивных материалов.

В ходе работ заново переопределены выходы скальных грунтов на поверхность в зонах с крутизной уклона свыше 40°. В предыдущей съемке, выполненной классическим методом для масштаба 1:2 000, эти участки были отмечены как нескальный песчаный и глыбовый грунт. Аэрофотосъемка с БПЛА дала возможность сократить объемы защитных мероприятий, снизить затраты на строительство трасс.

По мнению специалистов НИИОСП им. Н. М. Герсеванова, актуальность новых изыскательских технологий для горнодобывающих предприятий состоит в возможности ускорить процесс получения объемной информации об объекте или территории. При этом по точности результата такие методики не уступают традиционным, а уровень безопасности для человека при выполнении лазерного сканирования и аэрофотосъемки с БЛПА значительно выше.

Это позволяет в кратчайшие сроки проектировать мероприятия инженерной защиты объекта или оптимизировать уже готовые решения.