Технология крупномасштабной топографической съемки методом наземного лазерного сканирования

Уход от традиционных технологий к технологии лазерного сканирования

В последние годы для выполнения крупномасштабной топографической съемки все чаще используются наземные лазерные сканирующие системы. Тенденция ухода от традиционных технологий съемки обусловлена постоянным повышением требований заказчиков к сокращению сроков выполнения работ, к снижению стоимости типовых работ при одновременном повышении качества и к достоверности конечных результатов.

Современные технологии 3D наземного лазерного сканирования вполне удовлетворяют всем вышеперечисленным требованиям. В качестве примера рассмотрим проект по топографической съемке района строительства Рогунской ГЭС (Республика Таджикистан) и исполнительной съемке её основных сооружений, выполненный компанией «НГКИ» в 2009 году.

Рогунская ГЭС

Рогунская ГЭС расположена на 70 км выше существующей Нурекской ГЭС по течению реки Вахш и в 110 км восточнее Душанбе — столицы Республики Таджикистан. Высота плотины над уровнем моря составляет 1100 м.

Предполагается, что эта ГЭС станет крупнейшей в Средней Азии, а ее плотина — самой высокой в мире, достигнув отметки в 335 метров. Строительство гидроузла было начато в 1978 году и при низких темпах продолжалось до 1992 года. Во время паводка в 1993 года из-за чрезмерно длительной эксплуатации временных сооружений значительная часть построек была разрушена, тоннели и подземные залы — затоплены. В связи с этим строительство гидроузла приостановили.

Строительные работы возобновились лишь в 2007 году. Для проектирования Рогунской ГЭС, которое в настоящее время ведет ОАО «Институт Гидропроект», необходимо было выполнить инженерно-геодезические изыскания объекта. Они включали съемку местности для создания топографического плана участков строительства в масштабе 1:500 и получение цифровых моделей основных подземных сооружений Рогунской ГЭС, достоверно отражающих текущую ситуацию.

Топографическая съемка охватывала:
— участки местности вдоль русла реки Вахш общей протяженностью 3 км по ущелью со скалами и непроходимыми склонами (крутизна порядка 500 м, высота от 400 до 500 м), общая площадь всех участков съемки составила 82 гектара (в плане);
— склоны и скалы вдоль русла реки Обишур общей площадью в 50 гектар (в плане);
— все искусственные сооружения Рогунской ГЭС: мосты, дороги, площадки, террасы для врезки тела плотины, входные и выходные порталы, все входы основных и временных (строительных) тоннелей;
— подземный машинный зал электростанции (длина 220 м, ширина 22 м, максимальная высота 78 м);
— подземный трансформаторный зал гидроэлектростанции (длина 200 м, ширина 20 м, максимальная высота 40 м);
— подземную затворную камеру (размером 90х17х21 м) с двумя участками временных тоннелей ГЭС (первый из них размером 200х19х9 м, а второй — 113х19х10 м).

По оценкам специалистов, работы такого объема в горных условиях с резко континентальным климатом традиционными геодезическими методами съемки могли занять от 6 до 8 месяцев. При этом следует также отметить, что выполнение измерений с помощью тахеометра в безотражательном режиме в значительной степени снижает достоверность съемки, поскольку объекты располагаются от исполнителя за сотни метров. А привлечение для работы альпинистов может привести к удорожанию сметы в несколько раз. Применение метода фототеодолитной съемки также очень трудоемко и проблематично, поскольку многочисленные фототеодолитные станции придется размещать на бортах горного ущелья, а у геодезистов пока еще нет вертолетов в повседневном пользовании.

Специалисты компании «НГКИ» предложили использовать для этих целей метод наземного лазерного сканирования, что позволило выполнить весь объем полевых работ по съемке за 49 дней, в три этапа, бригадами по три человека, в период с июня по ноябрь 2009 года. Такой темп стал возможен лишь благодаря многолетнему опыту и слаженности работы исполнителей при проведении топографических работ с использованием технологии наземного лазерного сканирования.

Условия проведения работ по топографической съемке с применением технологии лазерного сканирования

Перед описанием технологии съемки хотелось бы более подробным образом остановиться на условиях проведения работ. Они были близкими к экстремальным, поскольку работы велись в условиях строительства, в горной местности и в сложных погодно-климатических условиях. Днем температура воздуха значительно повышалась, но ночью бывали и заморозки. Часто обрушивались ливневые дожди со сходом селевых потоков. Падающие со склонов камни и без того представляли собой постоянную угрозу. Съемка земной поверхности зачастую в значительной степени осложнялась непроходимостью отдельных горных участков. При наличии временных дорог вдоль русла реки не всегда удавалось найти оптимальное месторасположение станций.

Для 3d лазерного сканирования некоторых участков приходилось временно становиться «альпинистами». Затрудняли съемку соседствующие горные породы с различной отражающей способностью. Специфические сложности возникли и при съемке подземных сооружений. Работу очень сильно осложняли перебои с освещением, большая запыленность от постоянных буровзрывных работ, шум работающей строительной техники и, в особенности, ее выхлопные газы. Это резко снижало рабочую дальность и плотность измерений. Перечисленные факторы требовали от исполнителей этого проекта постоянного принятия оперативных решений для безопасного проведения работ по лазерному сканированию и сохранения работоспособности дорогостоящего оборудования.

Технология топографической съемки Рогунской ГЭС методом лазерного сканирования

Первые два этапа работ включали съемку участков местности вдоль реки Вахш (82 га) и подземных сооружений. Все измерения были выполнены с помощью импульсного лазерного сканера Trimble GX (дальность измерений до 350 м, точность измерений 5–10 мм, скорость до 5000 точек/с). Лазерная съемка производилась способом «известной станции» (установка сканера на точку с известными координатами).

Для этого с пунктов строительной геодезической сети при помощи электронного тахеометра Nikon NPL 362 определялись координаты точки установки трехмерного лазерного сканера и одной или двух марок. Координаты этих же марок определялись лазерным сканером, что позволяло впоследствии «сшивать» все сканы в единое «облако точек». Месторасположение станций для установки лазерного сканера выбиралось таким образом, чтобы обеспечить равномерную съемку всех необходимых объектов. При съемке местности средняя плотность 3D лазерного сканирования составляла 25 точек/кв.м (на расстоянии 100 м), а при съемке сооружений плотность была увеличена до 40 тысяч точек/кв.м (на расстоянии 30 м). Одновременно с процессом сканирования операторы вели журнал с абрисами объектов съемки для последующей обработки измерений и создания топографических планов и обмерных чертежей. Электропитание сканера и ноутбука в полевых условиях обеспечивалось переносным бензогенератором.

Третий этап включал съемку вдоль русла селеопасной реки Обишур, левого притока Вахша, впадающего в него чуть ниже выхода отводных тоннелей. Для обеспечения безопасности этих работ был использован импульсный лазерный сканер Leica HDS 4400 с дальностью измерений до 700 м. Съемка также выполнялась методом «известной станции», но для ориентирования сканов использовалась предыдущая точка установки лазерного сканера. Следует отметить, что данная трехмерная лазерная сканирующая система отлично проявила себя в сложных горных условиях, ее рабочая дальность фактически составила 650 м.

В результате проведения полевых работ для каждого из объектов был получен набор отдельных сканов. Привязка участков съемки, которые оставались невидимыми с пунктов строительной сети, производилась следующим образом: на таких участках электронным тахеометром от пунктов строительной сетки определялись координаты начальной и конечной станций и их марок; между этими станциями лазерным сканером прокладывался самостоятельный ход, уже с точек которого и выполнялась съемка. То есть, с каждой из предыдущих станций привязывалось местоположение следующей станции и одной (двух) марок ориентации. «Сшивка» полученных сканов в единое «облако точек» производилась автоматически в программном обеспечении Trimble RealWorks Survey. Точность процесса «сшивки» всех сканов контролировалась по отчетам, оперативно выдаваемым программой после обработки данных. Если по тем или иным причинам привязку по маркам сделать было невозможно или затруднительно, то такие сканы объединялись с единым «облаком точек» методом «сшивки по контурам» (стандартным методом, реализуемым большинством программ для обработки данных наземного лазерного сканирования).

Таким образом, координаты «облаков точек» для каждого участка местности и всех сооружений получались в местной системе координат ГЭС. Эти первичные цифровые данные принято называть точечной трехмерной моделью объекта. Трехмерная модель одного объекта может состоять из миллионов единичных измерений его поверхности — ни одна традиционная технология не в состоянии обеспечить даже сравнимое количество измерений за столь короткое время. По окончании съемки каждого участка местности или сооружения в камеральный отдел компании «НГКИ» оперативно передавались: точечные трехмерные модели, фотографии местности (сооружения), полученные с помощью обычной цифровой фотокамеры, и абрисный журнал с нанесенной ситуацией.

Создание топографического плана по результатам наземного лазерного сканирования

Для создания топографического плана объекта в масштабе 1:500 «облака точек» обрабатывались в программе Trimble Real Works Survey. Далее в программном комплексе Autodesk Civil 3D по полученной цифровой модели был построен рельеф, а в программе AutoCAD было произведено окончательное вычерчивание всех топографических планов.

Все сооружения и другие детали местности с легкостью идентифицировались в полученном в результате лазерного сканирования «облаке точек» по отчетливо различимым габаритам и характерным точкам. В результате был получен подробный и достоверный топографический план горной местности района строительства Рогунской ГЭС в масштабе 1:500. Сечения и разрезы подземных сооружений были построены в масштабе 1:20 по точечным трехмерным моделям в программах Real Works Survey и AutoCAD. Совокупность всех выполненных горизонтальных и вертикальных сечений, находящихся в исходной системе координат, составила векторную трехмерную модель объекта в среде AutoCAD.

Цифровые топографические планы и трехмерные модели сооружений ГЭС были сданы Заказчику в электронном виде, в формате AutoCAD.

Преимущества лазерного сканирования перед традиционными методами топографической съемки

В заключение нельзя не отметить ряд очевидных практических преимуществ использования технологии наземного 3D лазерного сканирования перед традиционными методами наземной топографической съемки:
— высокая скорость измерений (в десятки и сотни раз превышающая традиционные геодезические наземные методы съемки) достигается без потерь точности;
— существенно сокращается время и затраты (особенно на этапе полевых работ);
— избыточность измерений позволяет получить дополнительную информацию об объекте;
— измерения проводятся не только без остановки производственного процесса предприятия, но и при значительном повышении безопасности выполнения работ в целом;
— полученная цифровая трехмерная модель объекта позволяет в камеральных условиях на компьютере выполнить любые измерения геометрических параметров объекта;
— результаты выполненных измерений, представленные в виде точечной и/или векторной трехмерной модели, могут быть экспортированы практически в любую САПР;
— информация об объекте сохраняется в цифровом виде, актуальном на конкретную дату съемки, и в дальнейшем может быть использована как для организации мониторинга за состоянием всего объекта в целом или его отдельных элементов, так и в период эксплуатации объекта, для управления производственными процессами.