На примере двух проектов по сканированию участков мостов, выполненных сотрудниками ЗАО НПП «НАВГЕОКОМ» рассматриваются особенности применения лазерного сканирования для съемки инженерных сооружений при проведении изыскательских работ

М. Н. Аникушкин (НПП "НАВГЕОКОМ")

В ноябре 2006 г. специалисты отдела лазерного сканирования компании «НАВГЕОКОМ» выполнили работы по сканированию и трехмерному моделированию уникального инженерного объекта мостового перехода через р. Туру (г. Туринск, Свердловская обл.).

Рис. 1. Строящийся мост через р. Туру

По оценке специалистов, к моменту ввода в эксплуатацию в 2008 г. это будет самый протяженный мост в азиатской части России (рис. 1). Его длина составит 1964,6 м. Кроме того, вокруг моста будут возведены транспортные развязки протяженностью 6 км, которые свяжут направления на Тавду, Ирбит, Туринск, Туринскую Слободу и Благовещенское. Будущий мост должен поражать не только размерами, но и красотой. При его обустройстве планируется использовать современные строительные материалы. Широкое дорожное полотно и шесть высотных осветительных вышек придадут сооружению впечатляющий вид.

Перед специалистами компании «НАВГЕОКОМ» были поставлены задачи получить набор измерений (координаты нижних точек швов главных балок и точек опирания главных балок) и построить модель моста в формате AutoCAD.

Для съемки использовался наземный лазерный сканер Trimble GX (Trimble Navigation, США). В результате полевого этапа работ, длившегося 6 ч, с четырех станций было отсканировано восемь пролетов моста (340 м) и полоса прилегающей территории шириной 140 м. Общий объем массива данных составил 2,7 млн точек. Координирование точек стояния сканера и марок ориентации осуществлялось безотражательным электронным тахеометром с пунктов мостовой триангуляционной сети. Наличие у сканера встроенного двухосевого компенсатора позволило использовать для геодезической привязки метод известной станции. Таким образом, для геопривязки четырех сканов понадобились две марки ориентирования, что в значительной степени сократило время на полевые работы.

В ходе камеральной обработки результатов лазерного сканирования объекта были получены:
трехмерные цифровые модели моста и прилегающей территории полосы шириной 70 м по обе стороны от оси моста (рис. 2);

Рис. 2 Модель моста и поверхность земли

массив координат точек трехмерной модели (точность измерений 10 мм); схема размещения точек на модели приведена на рис. 3.

Рис. 3. Схема размещения контрольных точек на модели моста

Технология съемки и обработки данных лазерного сканирования подразумевает использование специализированного программного обеспечения. В рассматриваемом проекте применялись программы PointScape 3.1 и 3Dipsos (обе производства Trimble Navigation, США).

С помощью PointScape выполнен сбор измерительной информации и осуществлена геопривязка сканов методом известной станции. При этом использовались координаты точек стояния сканера и марок ориентирования, полученные электронным тахеометром в ходе полевых работ.

Функционал 3Dipsos позволяет «разбивать» облака точек проекта на смысловые части для удобства дешифрирования и моделирования, а также проводить разряжение точечной модели для визуализации результатов в других приложениях, в частности AutoCAD. Средствами 3Dipsos выполнено 3D-моделирование объекта. Модель пролетных конструкций моста и промежуточных опор получена методом встраивания примитивов в соответствующие облака точек. Поскольку главные балки мостового перехода представляют собой достаточно сложные элементы, части которых связаны сварными и болтовыми соединениями, каждый элемент моделировался из нескольких геометрических примитивов. Фактором, осложнившим дешифрирование главных элементов конструкции, стало наличие многочисленных вспомогательных конструктивных элементов. По полученной модели проведены измерения координат характерных точек: нижних точек швов главных балок и точек их опирания. Измерения можно проводить и по точечной модели, минуя процесс моделирования, однако в этом случае точность определения координат будет заведомо хуже, поскольку встраивание геометрических примитивов, привнося незначительные ошибки, в то же время позволяет осреднить значения.

Модель прилегающей территории представлена в виде TIN (нерегулярной триангуляционной сети).

Затраты на камеральный этап составили пять человеко-дней.

В качестве еще одного примера применения технологии лазерного сканирования при проведении изыскательских работ рассмотрим пилот-проект по сканированию участка моста через р. Тускарь (Курск), выполненный сотрудниками НПП «НАВГЕОКОМ».

Сварной железобетонный транспортный мост связывает центр города с одним из трех округов Курска. В связи с ветхостью старого моста городскими властями было принято решение о строительстве на этом месте нового. При этом проезжую часть существующей магистрали предполагается значительно расширить. Строительство нового моста обойдется бюджету в 1 млрд руб.

В результате полевого этапа длительностью 6 ч с шести станций был отсканирован участок моста, полоса прилегающей территории площадью 2 га и полотно дороги. Для геопривязки данных сканирования использовался метод базовой станции. Съемка была осложнена наличием практически на всей территории густой растительности. Для сканирования марок ориентации приходилось вырубать визирные просеки. Применение принципа избыточности измерений позволило получить изображение поверхности земли даже сквозь кустарник (съемка велась в январе, когда лиственный покров отсутствовал). При постобработке точки отражений от растительности были выделены и удалены из общего массива.

Рис. 4. Точечная модель участка моста через р. Тускарь

В ходе камеральной обработки результатов лазерного сканирования участка моста в программном обеспечении Trimble RealWorks Survey были получены:
точечная модель участка мостового перехода и прилегающей территории (облако точек, рис. 4);
триангуляционная модель участка моста и прилегающей территории (рис. 5);

Рис. 5. Триангуляционная модель моста и прилегающей территории

сечения рельефа и полотна дороги, построенные перпендикулярно оси дороги с шагом 5 м (рис. 6).

Рис. 6. Поперечные сечения

Полученные в обоих проектах пространственные данные являются весьма ценными как для проектирования новых, так и для реконструкции существующих инженерных сооружений. Однако строительные нормы и правила предъявляют достаточно высокие требования к точности измерений мостовых конструкций (для некоторых элементов доходят до 2 мм), которые выходят за пределы технических возможностей любого из существующих лазерных сканеров геодезического класса. В настоящий момент измерения такого уровня выполняются только высокоточными тахеометрами с использованием отражателей. Возможно, в будущем появятся сканирующие приборы, способные обеспечить аналогичную точность при сохранении высокой скорости съемки. Однако и в настоящее время при определенном уровне требований к точности измерений отдельных элементов конструкций можно использовать сканер как эффективный инструмент для детальной съемки. Кроме того, лазерные сканирующие системы позволяют получить не набор единичных измерений, а трехмерную модель сооружения, являющуюся полезным, а порой необходимым документом при реконструкции, например, расширении моста. Во время строительства сооружений можно получить картину подвижек конструкций. При сравнении двух трехмерных моделей (проектной и фактической или двух фактических, полученных в разное время) можно оценить не только величину отклонений, но их характер и направление. При дискретных измерениях тахеометром формирование комплексной картины является более сложной задачей. Сам принцип лазерного сканирования не требует для проведения измерений останавливать движение транспорта по мосту или прекращать строительные работы, более того это бесконтактный способ измерений, при котором нет необходимости находиться непосредственно на объектах дорожной инфраструктуры, что повышает безопасность труда. Скорость лазерного сканирования недосягаема для традиционных средств измерений, а этот фактор может стать решающим при выполнении съемки.

Более подробную информацию о лазерном сканере Trimble GX и программам для обработки данных лазерного сканирования можно найти на сайте www.
TrimbleGX.ru. Электронная версия статьи опубликована на сайте компании «НАВГЕОКОМ» ( http://www.navgeocom.ru/scan/projects/turinsk_bridge/index.htm ).