Возможности применения лазерного сканирования на стадии изысканий при реконструкции искусственных сооружений

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ - ТРАНСПОРТУ

УДК 625.11

Возможности применения лазерного сканирования на стадии изысканий при реконструкции искусственных сооружений

М. Я. Брынь, Н. Н. Богомолова, И. Н. Журавлев, А. А. Никитчин

Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, Российская Федерация, 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., 9

Для цитирования; Брынь М. Я., Богомолова Н. Н., Журавлев И. Н., Никитчин А. А. Возможности применения лазерного сканирования на стадии изысканий при реконструкции искусственных сооружений // Бюллетень результатов научных исследований. - 2020. - Вып. 1. - С. 43-53. DOI: 10.20295/2223-9987-2020-1-43-53

Аннотация

Цель: Проведение анализа возможности применения наземного лазерного сканирования на этапе производства инженерных изысканий при реконструкции искусственных сооружений. Методы: Инженерно-геодезические работы являются одним из основных видов комплекса инженерных изысканий при строительстве и реконструкции инженерных сооружений. Их результаты служат базой для разработки проектной документации, анализа инвестиционного замысла, разработки рабочей документации объектов строительства и реконструкции. В последнее десятилетие технология наземного лазерного сканирования все шире внедряется в производство инженерных изысканий, что обусловлено рядом преимуществ, которые дает данная технология по сравнению с другими методами измерений. Результаты: Применение наземного лазерного сканирования в практике инженерных изысканий позволяет существенно сократить сроки работ и снизить трудозатраты на их производство. В результате использования наземных лазерных сканеров возможно получение трехмерной модели объекта, выявление деформаций различных конструкций, составление топографических планов и др. Практическая значимость: На примере реализованной работы показаны преимущества внедрения метода наземного лазерного сканирования в процесс обследования технически сложных сооружений.

Ключевые слова: Наземное сканирование, инженерные изыскания, искусственные сооружения, проект реконструкции.

Введение

В последнее десятилетие наблюдается активное внедрение технологии наземного лазерного сканирования (НЛС) в изыскательскую деятель-

ность. Совершенствование этой технологии делает современные модели сканеров все более доступными и компактными [1-5]. Использование технологии НЛС в практике производства инженерных изысканий позволяет на основании обработанных сканов составлять проектную и исполнительную документацию. Анализ реализованного опыта применения сканирующих систем при инженерных изысканиях искусственных сооружений дает возможность выявить преимущества сканерной съемки по сравнению с традиционными геодезическими методами выполнения работ. Рассмотрим подробнее некоторые из них.

Сканерная съемка при изысканиях искусственных сооружений

В 2017 г. сотрудники кафедры «Инженерная геодезия» Петербургского государственного университета путей сообщения выполняли комплекс изыскательских работ для реконструкции мостовых сооружений Кировского филиала ФОСАГРО АО «Апатит» - 8 искусственных сооружений, большинство из которых активно эксплуатируется железнодорожным составом в течение десятилетий.

Программа изысканий при реконструкции подобных искусственных сооружений достаточно стандартна и в части геодезических работ включает съемку продольных и поперечных профилей, определение прогибов балок пролётных строений и отклонений опор сооружений от вертикали.

Геодезические измерения при изысканиях мостовых сооружений осуществляются в основном в соответствии с [6].

Как правило, производство инженерных изысканий в части геодезии осуществляется в три этапа: подготовительные работы, полевые работы и камеральная обработка с последующим анализом полученных данных. В ходе подготовительных работ специалистами кафедры были изучена проектная и исполнительная документация на искусственные сооружения, рассмотрены схемы мостовых сооружений, их габаритные размеры. При планировании работ были разработаны схемы расположения контрольных точек. Размещение контрольных точек обусловливалось продольными и поперечными уклонами на проезжей части и тротуарах, местами застоя воды, необходимостью определения плавности въезда на сооружение, проезда и съезда с него. Таким образом, было принято решение о размещении контрольных точек в начале, середине и конце пролётов сооружений, а также на опорах и насыпях подходов.

Полевые работы, в свою очередь, были разделены на следующие этапы:

1) определение превышений между пунктами высотной геодезической основы цифровым нивелиром Trimble Dini 03 и создание местной

плановой сети электронным тахеометром Sokkia SET 250 RX-L в районе каждого из 8 сооружений;

2) производство съемки нижних строений сооружений лазерным сканером Topcon GLS-2000;

3) ведение топографической съемки прилежащей территории электронным тахеометром Sokkia SET 250 RX-L.

Для реализации поставленных задач на прилегающей к искусственным сооружениям территории были заложены пункты планово-высотной опорной геодезической сети. Координаты и высоты геодезических пунктов были определены спутниковыми методами, превышения между пунктами - методом геометрического нивелирования.

Для определения параметров сооружений на каждом из них создавалась местная плановая геодезическая сеть. Ее элементами служили временные геодезические пункты, используемые также для установки лазерного сканера.

Нивелирование, сканерная и топографическая съемки производились в дневное время, при облачной погоде, слабом ветре и температуре воздуха около +5 °С (рис. 1).

Рис. 1. Геодезические работы

Места стояния электронного тахеометра выбирались таким образом, чтобы результаты наблюдений наиболее достоверно отображали общую геометрию мостовых сооружений. Нивелирование производилось по оси

каждого сооружения и краям проезжей части, вдоль перильных и барьерных ограждений на тротуарах. По длине сооружений устанавливаемые точки были отмечены на проезжей части пролётных строений, высотные отметки находились над опорами и в середине пролётов.

НЛС осуществлялось для определения отметок нижнего строения сооружения, а также подходов к сооружению.

Лазерный сканер (рис. 2) состоит из лазерного дальномера, адаптированного для работы с высокой частотой, и блока развертки лазерного луча. В качестве блока развертки в НЛС выступают сервопривод и призма. Сервопривод отклоняет луч на заданную величину в горизонтальной плоскости, при этом поворачивается вся верхняя часть сканера, которая называется головкой. Развёртка в вертикальной плоскости осуществляется за счeт вращения призмы [3-5].

Рис. 2. Наземный лазерный сканер

В процессе сканирования фиксируются направление распространения лазерного луча и расстояние до точек объекта. Результатом работы НЛС является массив точек лазерных отражений от объектов, находящихся в поле зрения сканера, с пространственными координатами (х, у, 2).

Для объединения «облаков» точек, полученных с разных стоянок, используются специальные сканерные марки. Места их установки выбираются произвольно, однако марки должны быть видны со всех стоянок лазерного сканера. С помощью электронного тахеометра находятся плановые координаты центров марок.

При помощи лазерного сканера также было выполнено определение вертикальности опор искусственных сооружений. Съeмка велась по двум вертикальным граням сечения каждой опоры в условной системе коорди-

нат и высот. Для вычисления отклонений опор от вертикали система координат была задана таким образом, что одна из осей шла параллельно поперечной оси моста вдоль береговой стороны. По результатам НЛС были построены графики отклонений колонн от вертикали для каждого сооружения.

Топографическая съемка местности производилась от опорной геодезической сети в радиусе 100 м вокруг мостового сооружения (рис. 3).

Рис. 3. Топографическая съемка местности

Съемке подлежали рельеф местности, основные контуры (объекты гидрографии, растительности и пр.), все подземные и наземные коммуникации, здания, сооружения и др.

Применение НЛС при изысканиях искусственных сооружений позволило выполнить весь комплекс работ для 8 объектов за 4 дня. Работы по верхнему строению сооружений проводились традиционными геодезическими методами, а в подмостовом пространстве - при помощи лазерного сканера (рис. 4).

Рис. 4. Результаты сканирования искусственного сооружения

В результате полевые работы были выполнены в установленный срок, а большая часть информации получена в ходе камеральной обработки.

Рис. 5. «Облако» точек

«Облака» точек подмостового пространства позволили составить продольные профили балок пролётных строений, определить крены опор и

отметки характерных точек, получить достаточный объем информации для составления схем сооружений (рис. 5).

По данным измерений были составлены поперечные профили проезжей части с определением величин уклонов и направлений скатов, выявлены переломы профиля проезжей части, значительно превышающие нормативные значения, а также зафиксированы места провисания железобетонных балок сооружений.

Благодаря изысканиям были уточнены основные размеры каждого искусственного сооружения в целом и его отдельных элементов.

Заключение

Внедрение лазерных сканирующих систем в производство инженерных изысканий позволяет, помимо построения трехмерной модели объекта, решать нестандартные задачи, возникающие в смежных с изысканиями сферах деятельности. Например, при выполнении повторных измерений могут быть определены накопленные деформации искусственного сооружения [7-12]. В то же время до сих пор существует и очевидный недостаток сканирующих систем - высокая стоимость оборудования и потребность в квалифицированных кадрах для их обслуживания. Также особо актуальными при организации работ по лазерному сканированию являются обоснование точности планово-высотного обоснования съемки, проектирование геодезической сети и оценка точности полученной по результатам сканирования трехмерной модели объекта.

Библиографический список

1. Оленьков В. Д. Технология лазерного сканирования в реставрации памятников архитектуры / В. Д. Оленьков, А. А. Пронина // Строительство и экология: теория, практика, инновации: сб. докл. I Междунар. науч.-практич. конференции. - Челябинск. - 2015. - С. 81-84.

2. Середович В. А. Наземное лазерное сканирование: монография / В. А. Середо-вич, А. В. Комиссаров, Д. В. Комиссаров, Т. А. Широкова. - Новосибирск: СГГА, 2009. - 13 с.

3. Широкова Т. А. Определение изменений на местности с применением данных лидарной съемки / Т. А. Широкова, А. В. Антипов, С. А. Арбузов // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгресс, Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г. // Дистанционные методы зондирования Земли и фотограмметрия, мониторинг окружающей среды, геоэкология: сб. материалов: в 2 т. - Новосибирск: СГГА, 2012. - Т. 1. -С. 38-45.

4. Айрапетян В. С. Использование данных лазерного зондирования для создания трехмерных реалистичных сцен городских территорий / В. С. Айрапетян, Т. А. Широкова, А. В. Антипов // ГЕОСибирь-2011. VII Междунар. науч. конгресс, Новосибирск,

19-29 апреля 2011 г. // Дистанционные методы зондирования Земли и фотограмметрия, мониторинг окружающей среды, геоэкология: сб. материалов: в 4 т. - Новосибирск: СГГА, 2011. - Т. 4. - С. 11-13.

5. Горохова Е. И. Проверка внутреннего очертания тоннеля при помощи наземного лазерного сканера / Е. И. Горохова, И. В. Алешина, Е. В. Романович и др. // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгресс, Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г. // Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия: сб. материалов: в 3 т. - Новосибирск: СГГА, 2012. - Т. 1. - С. 107-114.

6. СП 126.13330.2012. Геодезические работы в строительстве. - М.: Минрегион России, 2012. - 78 с.

7. Канашин Н. В. Инструментальные исследования по передаче отметок на монтажные горизонты электронным тахеометром / Н. В. Канашин, Ю. В. Лобанова // Транспорт: проблемы, идеи, перспективы: сб. трудов LXXVII Всерос. науч.-технич. конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - СПб.: ПГУПС, 2017. -С. 82-85.

8. Канашин Н. В. Применение сканерной съемки при строительстве линейных сооружений / Н. В. Канашин, Е. А. Тотьмянина, М. Г. Ионе, А. Н. Иванов, Я. Д. Шку-рупий // Бюл. результатов науч. исследований. - 2012. - Вып. 4 (3). - С. 160-165.

9. Брынь М. Я. Геометрическое нивелирование IV класса: учеб. пособие // М. Я. Брынь, Е. С. Богомолова, Д. В. Крашеницин. - СПб.: ПГУПС, 2012. - 58 с.

10. Афонин Д. А. Проектирование геометрических параметров наземного лазерного сканирования при контроле деформаций зданий и сооружений в условиях плотной застройки / Д. А. Афонин // Геодезия и картография. - 2013. - № 2. - С. 2-7.

11. Брынь М. Я. Геодезический мониторинг объектов инфраструктуры железнодорожного транспорта спутниковыми методами / М. Я. Брынь, Е. Г. Толстов, А. А. Ни-китчин // Транспорт Российской Федерации. - 2010. - № 4 (29). - С. 58-60.

12. Брынь М. Я. Инженерная геодезия и геоинформатика: учебник / М. Я. Брынь, Г. С. Бронштейн, В. Д. Власов и др. - М.: Акад. проект; Фонд «Мир», 2012. - 484 с.

Дата поступления: 28.11.2019 Решение о публикации: 06.12.2019

Контактная информация:

БРЫНЬ Михаил Ярославович - д-р техн. наук, профессор; bryn@pgups.ru БОГОМОЛОВА Наталья Николаевна - канд. техн. наук, доцент; nbogomolova@pgups.ru ЖУРАВЛЕВ Игорь Николаевич - канд. техн. наук, доцент; oldmasterplus@mail.ru НИКИТЧИН Андрей Андреевич - канд. техн. наук, доцент; anikitchin@gmail.com

Feasibility of laser scanning at the survey stage in the reconstruction of engineering structures

M. Ya. Bryn', N. N. Bogomolova, I. N. Zhuravlev, A. A. Nikitchin

Emperor Alexander I Petersburg State Transport University, 9, Moskovsky pr., Saint Petersburg, 190031, Russian Federation

For citation: Bryn' M. Ya., Bogomolova N. N., Zhuravlev I. N., Nikitchin A. A. Feasibility of laser scanning at the survey stage in the reconstruction of engineering structures. Bulletin of scientific research results, 2020, iss. 1, pp. 43-53. (In Russian) DOI: 10.20295/2223-9987-2020-1-43-53

Summary

Objective: Analysis of the feasibility of ground-based laser scanning at the stage of engineering survey during the reconstruction of engineering structures. Methods: Engineering and geodetic operations are one of the main types of engineering survey in the construction and reconstruction of engineering structures. The results of these works serve as the basis for the development of design documentation, analysis of the investment concept, development of detail design documentation for construction and reconstruction facilities. Over the past decade, ground-based laser scanning has been increasingly being introduced into engineering surveys, which is due to several advantages that this technology provides in comparison with other measurement methods. Results: The use of ground-based laser scanning in the practice of engineering survey can significantly reduce the time of work completion and labor costs of works. As a result of using ground-based laser scanners, it is possible to obtain a 3D model of an object, identify deformations of various structures, draw up topographic plans, etc. Practical importance: As exemplified by the work performed, the advantages of introducing ground-based laser scanning into the inspection process of technically complex structures are shown.

Keywords: Ground-based laser scanning, engineering survey, engineering structures, reconstruction project.

References

1. Olen'kov V. D. & Pronina A. A. Tekhnologiya lazernogo skanirovaniya v restavratsii pamyatnikov arkhitektury [Laser scanning in the restoration of architectural monuments]. Stroitel'stvo i ekologiya: teoriya, praktika, innovatsii. Sb. dokl. I Mezhdunar. nauch.-praktich. konferentsii [Building and ecology: theory, practice, innovations. Collection of reports of the I International Scientific and Practical Conference]. Chelyabinsk, 2015, pp. 81-84.

2. Seredovich V. A., Komissarov A. V., Komissarov D. V. & Shirokova T. A. Nazem-noye lazernoye skanirovaniye [Ground-based laser scanning]. Monograph. Novosibirsk, SSUGT [Siberian State University of Geosystems and Technologies] Publ., 2009, 13 p.

3. Shirokova T. A., Antipov A. V. & Arbuzov S. A. Opredeleniye izmeneniy na mestnosti s primeneniyem dannykh lidarnoy s"yemki [Location of changes in-situ using LI-DAR survey data]. Interexpo GEO-Siberia-2012. VIII International Scientific Congress, Novosibirsk, April 10-20, 2012. Distantsionnyye metody zondirovaniya Zemli i fotogrammet-riya, monitoring okruzhayushchey sredy, geoekologiya. Sb. materialov v 2 t. T. 1 [Earth remote sensing methods and photogrammetry, environmental monitoring, geoecology. Collection of proceedings in 2 volumes. Vol. 1]. Novosibirsk, SSUGT [Siberian State University of Geosystems and Technologies] Publ., 2012, pp. 38-45.

4. Ayrapetyan V. S., Shirokova T. A. & Antipov A. V. Ispol'zovaniye dannykh lazernogo zondirovaniya dlya sozdaniya trekhmernykh realistichnykh stsen gorodskikh territoriy [Use of laser sensing data to create 3D realistic images of urban areas]. GEO-Siberia-2011. VII International Scientific Congress, Novosibirsk, April 19-29, 2011. Distantsionnyye meto-

dy zondirovaniya Zemli i fotogrammetriya, monitoring okruzhayushchey sredy, geoekologiya. Sb. materialov v 4 t. T. 4 [Earth remote sensing methods andphotogrammetry, environmental monitoring, geoecology. Collection of proceedings in 4 volumes. Vol. 4]. Novosibirsk, SSUGT [Siberian State University of Geosystems and Technologies] Publ., 2011, pp. 11-13.

5. Gorokhova E. I., Aleshina I. V., Romanovich E. V. et al. Proverka vnutrennego ochertaniya tonnelya pri pomoshchi nazemnogo lazernogo skanera [Inspecting the internal outline of a tunnel using a ground-based laser scanner]. Interexpo GEO-Siberia-2012. VIII International Scientific Congress, Novosibirsk, April 10-20, 2012. Geodeziya, geoin-formatika, kartografiya, marksheyderiya. Sb. materialov v 3 t. T. 1 [Geodesy, geoinformatics, cartography, mine surveying. Collection of proceedings in 3 volumes. Vol. 1]. Novosibirsk, SSUGT [Siberian State University of Geosystems and Technologies] Publ., 2012, pp. 107114.

6. SP 126.13330.2012. Geodezicheskiye raboty v stroitel'stve [Set of rules 126.13330.

2012. Geodetic works in building]. Moscow, Minregion Rossii [Ministry for Regional Development of the Russian Federation] Publ., 2012, 78 p.

7. Kanashin N. V & Lobanova Yu. V. Instrumental'nyye issledovaniya po peredache otmetok na montazhnyye gorizonty elektronnym takheometrom [Instrumental studies on the transfer of elevations to mounting levels by an electronic total station]. Transport: problemy, idei, perspektivy. Sb. trudov LXXVII Vseross. nauch.-tekhnich. konferentsii studentov, aspi-rantov i molodykh uchenykh [Transport: problems, ideas, prospects. Proceedings of the LXXVII All-Russian Scientific and Technical Conference of Students, Graduate Students and Young Scientists]. Saint Petersburg, PGUPS [Petersburg State Transport University] Publ., 2017, pp. 82-85.

8. Kanashin N. V., Tot'myanina E. A., Ione M. G., Ivanov A. N. & Shkurupiy Ya. D. Primeneniye skanernoy s"yemki pri stroitel'stve lineynykh sooruzheniy [Using scanner mapping in the construction of line structures]. Bulletin of scientific research results, 2012, iss. 4

9. Bryn' M. Ya., Bogomolova E. S. & Krashenitsin D. V. Geometricheskoye niveliro-vaniye IV klassa. Ucheb. posobiye [Geometric leveling of class IV. Training manual]. Saint Petersburg, PGUPS [Petersburg State Transport University] Publ., 2012, 58 p.

10. Afonin D. A. Proyektirovaniye geometricheskikh parametrov nazemnogo lazernogo skanirovaniya pri kontrole deformatsiy zdaniy i sooruzheniy v usloviyakh plotnoy zastroyki [Designing the geometric parameters of ground-based laser scanning in the control of deformations of buildings and structures in densely built-up areas]. Geodesy and Cartography,

2013, no. 2, pp. 2-7.

11. Bryn' M. Ya., Tolstov E. G. & Nikitchin A. A. Geodezicheskiy monitoring ob"yek-tov infrastruktury zheleznodorozhnogo transporta sputnikovymi metodami [Geodetic monitoring of railway transport infrastructure facilities by satellite methods]. Transport Rossiyskoy Federatsii [Transport of the Russian Federation], 2010, no. 4

12. Bryn' M. Ya., Bronshteyn G. S., Vlasov V. D. et al. Inzhenernaya geodeziya i geoinformatika. Uchebnik [Engineering geodesy and geoinformatics. Textbook]. Moscow, Akademicheskiy proyekt; Fond Mir [Academic Project, Mir Foundation] Publ., 2012, 484 p.

Received: November 28, 2019 Accepted: December 06, 2019

Author's information:

Mikhail Ya. BRYN' - D. Sci. in Engineering, Professor; bryn@pgups.ru Natal'ya N. BOGOMOLOVA - PhD in Engineering, Associate Professor; nbogomolova@pgups.ru

Igor' N. ZHURAVLEV - PhD in Engineering, Associate Professor; oldmasterplus@mail.ru Andrey A. NIKITCHIN - PhD in Engineering, Associate Professor; anikitchin@gmail.com