Способ проведения геотехнического мониторинга линейных сооружений и площадных объектов на основе воздушного лазерного сканирования
METHOD OF GEOTECHNICAL MONITORING OF LINEAR STRUCTURES AND AREA OBJECTS BASED ON AIR LASER SCANNING

Настоящее изобретение относится к области получения топографической информации о рельефе земной поверхности по данным аэрофотосъемки и/или лазерного сканирования местности с борта пилотируемого и/или беспилотного летательного аппарата, в частности проведения геодинамического мониторинга при проектировании любого линейного сооружения и площадных объектов и проведения геотехнического мониторинга при строительстве и эксплуатации любого линейного сооружения и площадных объектов.
Из существующего уровня техники известен способ формирования цифровой модели рельефа местности и/или ортофотоплана (патент на изобретение RU 2216711 С1, опубл. 20.11.2003), заключающийся в том, что осуществляют цифровым фотоаппаратом аэрофотосъемку местности и формируют цифровые снимки, определяют пилотажно-навигационные данные авиационного носителя, на котором установлен цифровой аппарат, в виде его координат в момент проведения аэрофотосъемки и формируют ортофотоплан. Одновременно с аэрофотосъемкой осуществляют сканирование местности лазерным лучом, формируют первую цифровую модель рельефа (ЦМР) по полученным данным лазерного сканирования. Из полученного множества точек лазерного сканирования выделяют точки, относящиеся к благоприятным областям по заданной достоверности. По полученной первой ЦМР и данным точек, относящихся к благоприятным областям, формируют топологическую модель рельефа, осуществляют выделение точек топологической модели в системе координат каждого цифрового снимка с получением на нем данных о благоприятных областях. Затем разбивают все указанные цифровые снимки по парам, подлежащим взаимному ориентированию с образованием стереопар, и формируют стереомодели путем определения соответственных точек в благоприятных областях каждого из цифровых снимков указанных стереопар. Осуществляют коррекцию внешнего ориентирования стереомодели по данным сформированной топологической модели. В результате с учетом полученных данных формируют ортофотоплан. Недостатком данного аналога является отсутствие возможности построения карты уклонов местности и определения по ЦМР, карте уклонов и ортофотоплану проявлений экзогенных геологических процессов, выделения их местоположения и границ.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является способ построения карты экзогенных геологических процессов местности вдоль трассы магистрального нефтепровода (Патент на изобретение RU 2591875, опубл. 20.07.2016), согласно которому выполняют цифровую аэрофотосъемку и воздушное лазерное сканирование. Одновременно осуществляют сбор и запись навигационных данных для формирования и записи координат точек траектории полета. Затем выполняют обработку данных воздушного лазерного сканирования и навигационных данных. Получают облако точек лазерных отражений и на основании их автоматизированной классификации с интерактивной коррекцией результатов строят цифровую модель рельефа (ЦМР) местности. По данным ЦМР формируют в блоке построения производных поверхностей углов наклонов карту уклонов местности. Одновременно с построением ЦМР проводят обработку данных цифровой аэрофотосъемки. С использованием результатов построения цифровой модели рельефа, карты уклонов и ортофотоплана местности осуществляют выявление и формирование карты экзогенных геологических процессов, протекающих на местности вдоль трассы магистрального нефтепровода. Недостатками данного технического решения являются:
- при дешифрировании не используются предварительно сохраненные эталоны экзогенных геологических процессов в базах данных;
- дешифрирование производится не в автоматическом режиме, а по типичным геоморфологическим признакам того или иного геологического процесса или образованного геологического тела, проявленного в рельефе;
- в представленном техническом решении отсутствует возможность получения качественных (определение формы геологического тела на поверхности земли, его тип, подтип; текстурные особенности, определяющие его активизацию или затухание, и т.п.) и количественных характеристик (размеры и прочее), что необходимо для оценки местности при хозяйственном освоении и присвоении класса опасности того или иного геологического процесса для необходимости инженерной защиты и экономического обоснования при строительстве;
- в представленном техническом решении отсутствует возможность использования данных воздушного лазерного сканирования, полученных для построения топографо-геодезических карт и планов - необходимо проводить лазерное сканирование исключительно для построения карты экзогенных геологических процессов. Отсутствует возможность классификации дешифрирования геоморфологических элементов и их качественных и количественных характеристик экзогенных геологических процессов при сканировании для масштабов от 1:500 и мельче;
- в представленном техническом решении отсутствует возможность дешифрирования геологических, инженерно-геологических условий местности.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является надежное выявление экзогенных геологических процессов.
Данная задача решается за счет того, что заявленный способ проведения геотехнического мониторинга линейных сооружений и площадных объектов на основе воздушного лазерного сканирования заключается в:
а) проведении воздушного лазерного сканирования местности, включающего установку опознавательных знаков и создание опорной геодезической сети для привязки и уравнивания лазерных сканов, выбор треков полета летательного аппарата, проведение воздушного лазерного сканирования и цифровой аэрофотосъемки по выбранным трекам полетов, запись данных на цифровой носитель, камеральную обработку, сшивку и уравнивание полос сканирования, классификацию точек лазерных отражений, трансформацию аэрофотоснимков и совмещение с лазерным сканированием;
б) проведении дешифрирования экзогенных геологических процессов и инженерно-геологических условий, где выделяются части форм рельефа и специальные морфометрические показатели, включающего сбор данных об общей характеристике района, подготовку цифровой модели рельефа для дешифрирования в геоинформационной системе, создание базы данных в геоинформационной системе объектов дешифрирования: экзогенных геологических процессов, геологических и инженерно-геологических условий, дешифрирование по особым морфологическим признакам экзогенного геологического процесса, типичным тем или иным процессам, построение 3D модели рельефа, совмещенной с данными дешифрирования и базой данных, наполненной информацией об объектах дешифрирования, каталогизацию экзогенных геологических процессов по типам и подтипам, построение карт инженерно-геологических условий, карт экзогенных геологических процессов, карт контуров экзогенных геологических процессов, 3D моделей рельефа или местности с точно и достоверно нанесенными геологическими процессами геологическими и инженерно-геологическими условиями, создание базы данных в геоинформационной системе с электронными наборами карт и моделей;
в) проведении режимных наблюдений за выявленными экзогенными геологическими процессами и выявления появления новых экзогенных геологических процессов, включающих нулевой цикл измерений для экзогенных геологических процессов по установленным маркерам, проведение повторного воздушного лазерного сканирования через некоторый промежуток времени, подготовку новых данных сканирования по уже пройденному алгоритму, загрузку новой 3D модели рельефа к ранее созданным данным, проведение повторного дешифрирования, каталогизации, выстраивание цифровых моделей местности во временной ряд, математическое сравнение вновь полученных данных с ранее полученными данными.
Техническим результатом, достигаемым при использовании заявленного изобретения, является точное и достоверное выявление границ экзогенных геологических процессов, геологических тел, отображаемых на земной поверхности, их типы и подтипы по формам образованных отложений, качественные и количественные характеристики или геологических тел (относится к оползням, осыпям, обвалам и т.п.) для отображения объемной модели рельефа с точной географической позицией геологических процессов, их явлений и образованных геологических тел вследствие протекания геологических процессов. Так же техническим решением является сравнение цифровых моделей местности или рельефа с точно и достоверно выявленными границами геологических процессов и их характеристик, получение изменений в рельефе - динамики развития геологических процессов точного определения смешения в оползнях, осыпях, появления новых отложений обвалы, конусы ,выносы, шлейфы и т.д. и возможность прогноза развития того или иного геологического процесса или явления, а также воздействия на техническое сооружение и работу защитного инженерного сооружения.
Данное техническое решение предназначено для проведения геодинамического мониторинга от стадии проекта до стадии строительства линейных и площадных сооружений, мониторинга экзогенных геологических процессов (склоновых процессов, процессов, развивающихся в зоне многолетнемерзлых грунтов, просадочных грунтах, речных долинах и т.д.), для проведения геотехнического мониторинга на линейных сооружениях и площадных объектах, мониторинга природно-технической системы, в которую входит природная среда и технические сооружения, здания и сооружения (мониторинг ЭГП и технических сооружений линейных и площадных объектов).
Система мониторинга опасных геологических процессов строится с учетом достижения конечной цели - оптимизации управления природно-технической системой, основанной на базе прогнозных оценок ее развития за счет выработки оптимальных рекомендаций и, как следствие, управленческих решений.
Способ проведения геотехнического мониторинга линейных сооружений и площадных объектов на основе воздушного лазерного сканирования включает:
1. Проведение воздушного лазерного сканирования местности.
2. Проведение дешифрирования экзогенных геологических процессов и инженерно-геологических условий.
3. Проведение режимных наблюдений за выявленными экзогенными геологическими процессами и выявления появления новых экзогенных геологических процессов.
Воздушное лазерное сканирование производится с борта пилотируемого или беспилотного летательного аппарата и состоит из следующих этапов:
1) Установка опознавательных знаков и создание опорной геодезической сети для привязки и уравнивания лазерных сканов, выбор треков полета летательного аппарата;
2) Проведение воздушного лазерного сканирования и цифровой аэрофотосъемки по выбранным трекам полетов;
3) Запись данных на цифровой носитель;
4) Камеральная обработка. Сшивка и уравнивание полос сканирования, классификация точек лазерных отражений, трансформация аэрофотоснимков и совмещение с лазерным сканированием.
На исследуемой местности устанавливаются специализированные устройства, представляющие собой трубу с квадратной металлической пластиной, при этом пластина располагается перпендикулярно к лучу сканирования для фиксации изменений в пространстве.
2
Высота полета летательного аппарата при сканировании местности и фотосъемке выбирается из расчета безопасно низкого пролета и максимально плотного получения точек лазерного сканирования от поверхности, составляющего от 9 точек на м и более.
Результатом лазерного сканирования является некое число точек лазерных отражений, которое может составлять многие миллионы точек. Точки лазерных отражений, полученные на каждом месте замера, несут максимально полную информацию об объекте сканирования, дополняемую фотоснимками высокого и сверхвысокого разрешения. В результате получается необходимая информация для построения модели местности (поверхность рельефа, лесные насаждения, техногенные объекты, мозаика ортофотоснимков).
По полученной информации производится уравнивание полос сканирования и их сшивка. Далее производится присвоение классов точкам лазерных отражений по некоторым признакам, включающим время отклика от излучателя до поверхности, интенсивность отражения и прочие. В результате, на выходе формируется массив данных, имеющий первоначальную информацию и координаты в пространстве с дополнительной информацией присвоенных классов. Далее производится процедура ручной классификации - удаление точек, оставшихся при машинной классификации. Следующим действием производится ортофотоплан - машинная процедура, которая проводится по определенным алгоритмам точного совмещения массива точек с аэрофотоснимком, трансформированием последнего для удаления искажений краевых зон аэрофотоснимка. Итогом данных действий становится массив данных - цифровая модель местности.
После получения GRID из классифицированных точек и совмещения с ортофотоснимком производятся необходимые поправки, совмещаются опознавательные знаки отдельного файла с опознавательными этими же знаками, расположенными в «облаке точек». После выставления необходимых параметров производится классификация точек лазерных отражений и отстраиваются модели рельефа. Затем отстраиваются программные контрольные горизонтали.
Воздушное сканирование выполняется с малых высот для получения высокой плотности точек лазерных отражений и аэрофотосъемки. Выбирается трек полета летательного аппарата, который становится базовым, все последующие лазерные сканирования будут проводиться по базовому треку для обеспечения точности при сопоставлениях цифровых моделей рельефа и аэрофотосъемки.
При дешифрировании выделяются части форм рельефа, к которым относят такие элементы, как склоны, водоразделы, подошвы склонов и другие элементы. Используются также специальные морфометрические показатели. К числу основных морфометрических показателей относятся линейные размеры изучаемых объектов, превышения, углы наклона, крутизна склона, экспозиция склона. Предложен также ряд комплексных показателей, в частности для характеристики таких особенностей рельефа, как густота и глубина эрозионного расчленения, четвертичных отложений, денудации и аккумуляции наносов (отложений грунтов).
Проведение дешифрирования экзогенных геологических процессов и инженерно-геологических условий состоит из следующих пунктов:
- сбор данных об общей характеристике района;
- подготовка цифровой модели рельефа для дешифрирования в геоинформационной системе;
- создание базы данных в геоинформационной системе объектов дешифрирования: экзогенных геологических процессов, геологических и инженерно-геологических условий;
- дешифрирование по особым морфологическим признакам экзогенного геологического процесса, типичным тем или иным процессам;
- построение 3D модели рельефа, совмещенной с данными дешифрирования и базой данных, наполненной информацией об объектах дешифрирования, каталогизация экзогенных геологических процессов (ЭГП) по типам и подтипам;
- построение карт инженерно-геологических условий, карт экзогенных геологических процессов, карт контуров экзогенных геологических процессов, 3D моделей рельефа или местности с точно и достоверно нанесенными геологическими процессами и инженерно-геологическими условиями, создание базы данных в геоинформационной системе с электронными наборами карт и моделей.
Дешифрирование по особым морфологическим признакам экзогенного геологического процесса включает:
- для оползней: бровки срыва, цирк оползня, язык оползня, рвы отседания, ступенчато-глыбовая поверхность, валы выпирания и наплывы, откосы обрушения и размыва, бугры, западины;
- для обвалов: поверхность отделения обвалившейся массы, размеры и формы, уклоны, области транзита и т.д.;
- для карста: карры, западины, воронки, карстовые блюдца, увалы и т.д.;
- для суффозии: просадочные явления - блюдца, воронки, западины;
- для морозного пучения: коренные пучины (высота достигает 30-40 см), рельеф, обеспечивающий наилучший водоотвод;
- для гидролакколитов: бугры выпирания, угнетение растительности и т.д.;
- и другие экзогенные геологические процессы, проявленные на поверхности развивающиеся в многолетних мерзлых, талых и не подверженных промерзанию грунтах.
Особый морфологический признак отложений грунтов (формы рельефа и геологических тел) это:
- конусы выноса;
- обвалы;
- селевые бассейны;
- делювиальные шлейфы;
- выветрелые грунты не перемещенные;
- зоны транзитов грунтовой массы;
- зоны отложения грунтов; и т.д.
После того как были построены карты инженерно-геологических условий, карты экзогенных геологических процессов, карты контуров экзогенных геологических процессов, созданы базы данных в геоинформационной системе с электронными наборами карт, осуществляют режимные наблюдения за земной поверхностью исследуемой местности. Данные наблюдения включают в себя:
- нулевой цикл измерений для ЭГП по установленным маркерам;
- воздушное лазерное сканирование производится повторно через некоторый промежуток времени;
- подготовку новых данных сканирования по уже пройденному алгоритму;
- загрузку новой 3D модели рельефа к ранее созданным данным;
- проведение повторного дешифрирования, каталогизация;
- выстраивание цифровых моделей местности во временной ряд;
- математическое сравнение данных вновь полученных с ранее полученными.
Повторное лазерное сканирование местности производится:
- в зоне будущего линейного сооружения при проведении инженерных изысканий для проектирования повторные сканирования местности во времени (1 раз в месяц, 1 раз в полугодие, 1 раз в год и т.д.);
- в зоне существующего линейного сооружения повторные сканирования местности во времени (1 раз в месяц, 1 раз в полугодие, 1 раз в год и т.д.).
Проведение мониторинга на основе данных воздушного лазерного сканирования возможно при условии соблюдения некоторых аспектов - качество лазерного сканирования, разрешение фотосъемки, приблизительно аналогичных погодных условий и схожих состояний объекта (наличие листвы и травяной растительности приблизительно в равной степени) при повторном сканировании. Ссылаясь на требования получения качественной модели местности для построения топографического плана определенного масштаба, к примеру M1:1000, необходимо при повторном сканировании получить модель местности, соответствующую требованиям построения аналогичного масштаба. Учитывая погрешности в требованиях, предъявляемых к цифровым моделям местности, учитываются погрешности при построении динамических моделей из разновременных статических моделей местности.
В соответствии со сканированием местности для определенного масштаба можно производить распознавание «геоморфологических образов» того или иного опасного геологического процесса. Сканирование для масштаба 1:500 позволяет выявить: оползни; обвалы и осыпи; сели; карст; карстово-суффозионные процессы; лавины снежные; переработку берегов морей, озер, водохранилищ; суффозию; морозное пучение; термокарст. А съемка для масштаба 1:5000 - выделение границ крупных тел оползней, крупных осыпей и обвалов, селевых бассейнов, курумов, имеющих большую площадь, проявление термокарста, имеющего большую площадь.
Проведение мониторинга на основе воздушного лазерного сканирования позволяет начинать мониторинг на стадии проведения инженерных изысканий для проектирования сооружений, изучать геодинамику, получать не только контуры экзогенных геологических процессов, но и качественные и количественные характеристики экзогенных геологических процессов с высокой детализацией и возможностью описания экзогенных геологических процессов согласно нормативным документам по инженерным изысканиям и мониторингу. А также при периодическом лазерном сканировании местности получать скорости развития экзогенных геологических процессов, давать оценку опасности того или иного экзогенного геологического процесса по отношению сооружения на стадии проекта. Контролировать воздействие природной среды на сооружение при строительстве. Осуществлять безопасную эксплуатацию сооружения при воздействии природной среды на сооружение, локализацию воздействия экзогенных геологических процессов на сооружение и принятие решения инженерной зашиты сооружения.