Технология лазерного сканирования и 3D моделирования гидротехнических сооружений

Устаревшие методики актуализации исполнительной документации или контроля соответствия строящихся гидротехнических объектов конструкторской документации

Проектные организации, которые специализируются на проектировании объектов транспортной инфраструктуры, традиционно вынуждены решать две задачи: актуализация исполнительной документации на объект, подлежащий реконструкции, или контроль соответствия строящегося объекта конструкторской документации. При обоих случаях задачи обычно решаются постоянными выездами на объект бригад изыскателей. При таком подходе проектировщики вынуждены собирать необходимую информацию из огромного множества небольших разрозненных кусочков, тогда как полнота и качество каждого из которых существенно зависит от профессионализма конкретного исполнителя.

Затем неизбежен перевод этой информации в цифровой вид, а здесь вновь вступает в силу тот самый пресловутый «человеческий фактор», в лучшем случае приводящий лишь к задержкам по времени, а в подавляющем большинстве случаев к искажениям, серьезным ошибкам, повторным выездам на объекты и прочим многочисленным проблемам. Расходы средств и времени нарастают, возникают постоянные неясности между проектированием в 3D программных комплексах и сбором актуальной полевой информации на «бумажных носителях». В конечном итоге всё это приводит к заметному снижению качества проектов и конкурентоспособности проектной организации. Довольно давно назрела потребность в комплексных технологиях сбора больших объемов точной информации об объектах строительства или реконструкции сразу в цифровом виде и методами, позволяющими максимально минимизировать ошибки, вызванные человеческим фактором. Современная технология лазерного сканирования является полностью адекватным ответом на этот запрос в части касающейся сбора информации о точной геометрии объектов.

3D лазерное сканирование, основные принципы работы и преимущества технологии

Технология лазерного сканирования основана на высокоточном измерении расстояния от интегрированного в корпус 3D сканера лазерного дальномера до поверхности сканируемого объекта и определении двух углов (горизонтального и вертикального), определяющих направление вектора от лазерного дальномера до сканируемого объекта в местной системе координат. Точно такой же набор измерений обеспечивают и цифровые тахеометры. Разница заключается лишь в том, что при сравнимой точности измерений, выполняемых современными электронными тахеометрами и 3D лазерными сканерами, производительность сканера выше в тысячи раз. Производительность тахеометра составляет от одного до трех измерений в минуту. Производительность же трехмерных лазерных сканеров — от тысяч до сотен тысяч измерений в секунду.

Скорость измерений лазерного сканера регулируется оператором в зависимости от потребной плотности и точности измерений. Полученный набор миллионов точек называется «облаком точек» и впоследствии может быть представлен в виде твердотельной трехмерной модели объекта, плоского чертежа, набора сечений, поверхности и прочих формах. В отличие от традиционных геодезических измерений, лазерное сканирование позволяет получить с беспрецедентной детальностью в 1–2 см цифровую модель всего объекта, а не его отдельных частей.

Соосная установка интегрированных фотокамеры и лазерного дальномера в трехмерных сканерах дает возможность максимально точно совместить цифровую модель и цветное изображение объекта. Огромное количество избыточных измерений позволяет получить наиболее достоверные полевые данные, особенно о тех местах, которые являются труднодоступными для съемки с использованием традиционных технологий (таких как электронные тахеометры или GPS-приемники).

За счет высокой скорости и полной автоматизации процесса производства съемки технология лазерного сканирования приводит к существенному росту производительности работ от 2 до 10 раз, по сравнению со съемкой электронными тахеометрами, в зависимости от сложности самого объекта и требований по точности и детальности выполняемой съемки. При наличии портфеля заказов, обеспечивающего постоянную загрузку работой лазерных сканеров, существенный рост производительности ведет к внушительному снижению стоимости работ, особенно в случаях, требующих максимально детальной съемки объекта.

Однако для того, чтобы извлечь абсолютно все преимущества из технологии лазерного сканирования, требования к опыту и квалификации специалистов оказываются существенно выше, чем в случае использования традиционных геодезических технологий. Так, например, во время полевых работ сроки их исполнения, а соответственно и успех всего выполняемого проекта в целом, в значительной степени зависит от выбранной схемы установки 3D сканеров, правильного комбинирования и точности увязки координированных сканов между собой, плотности сканов, а также от множества других факторов.

Получение объективной информации об объекте благодаря технологии лазерного сканирования

Избыточный объем данных 3D лазерного сканирования позволяет получить объективную информацию, максимально свободную от индивидуальных особенностей и ошибок исполнителей в поле и в камеральных условиях. Точечная 3D модель отсканированного объекта может состоять из миллиардов точек, что налагает очень высокие требования как к производительности компьютеров, так и к способности ПО одновременно обрабатывать такие объемы информации. Так же как и на полевом этапе работ, при камеральной обработке данных 3D лазерного сканирования максимальная производительность работ может быть достигнута только за счет высокой квалификации специалистов, обладающих способностью правильно идентифицировать, выделять и моделировать только необходимые объекты при огромном объеме исходной измерительной информации.

Технология съемки с помощью 3D лазерного сканирования и общая структура цифровых данных трехмерных лазерных сканеров (в отличие от традиционных средств геодезических измерений) изначально ориентированы на их предельно простую передачу в специализированные программные комплексы для проектирования и ГИС. Со своей стороны, все основные производители профессионального программного обеспечения для проектирования объектов гражданского и промышленного строительства уже создали модули для работы с данными лазерного сканирования в своих пакетах. Такие взаимные усилия разработчиков сканеров и разработчиков программного обеспечения позволили существенно упростить импорт и работу с данными лазерного сканирования для проектировщиков.

Области применения технологии лазерного сканирования для съемки гидротехнических сооружений

Опыт подтвердил, что все описанные выше особенности технологии лазерного сканирования позволяют эффективно использовать на следующих этапах строительства и эксплуатации гидротехнических сооружений.

Предпроектные изыскания:
— топографическая съемка потенциальной территории проектируемого объекта; 
— топографическая съемка территории и объектов инфраструктуры, окружающих проектируемый объект.

Строительство:
— определение отклонений от конструкторской документации в процессе строительства; 
— уточнение конструкторской документации; 
— точные объемы скрытых работ; 
— фиксация выполненных объемов работ; 
— исполнительная документация по итогам строительства; 
— построение обмерных чертежей и планов под монтаж оборудования.

Эксплуатация и безопасность эксплуатации:
— точная 3D модель объекта в целом для создания системы управления объектом или группой объектов; 
— мониторинг состояния геометрических параметров несущих конструкций объекта с целью определения допустимых сроков эксплуатации; 
— обмеры геометрии силовых механизмов (ворота шлюзов, приводные механизмы ворот) на предмет их соответствия требованиям эксплуатации; 
— детальные обмеры конструкций объектов после аварий с целью определения степени разрушений и необходимых объемов работ.

Ремонт, модернизация, реконструкция:
— точная фиксация состояния объекта в целом и всех его элементов;
— определение необходимых объемов ремонта;
— расчет потребных объемов строительных материалов;
— определение возможности замены оборудования на объекте;
— контроль выполненных объемов работ;
— обновление исполнительной документации;
— точные обмеры механизмов, подлежащих замене, с целью разработки наиболее оптимальной схемы их демонтажа и определения возможностей монтажа нового оборудования а рамках имеющегося сооружения.

Далее в этой статье приведен удачный пример высокоэффективного применения технологии трехмерного лазерного сканирования с целью определения состояния гидротехнического сооружения в условиях существенных ограничений по времени проведения обмерных работ, которые были выполнены специалистами инженерной компании «НГКИ».

Опыт применения технологии лазерного сканирования для создания чертежей разрушения поверхностей устоев голов шлюзов Беломорско-Балтийского канала

Полевые работы
В апреле и мае 2010 года группой высококвалифицированных специалистов инженерной компании «НГКИ» (старое название предприятия — «Навгеоком Инжиниринг») совместно с представителями «ЭЦБ ГТС «Гидротехэкспертиза» было произведено опытное лазерное сканирование голов шлюзов Беломорско-Балтийского канала с целью создания чертежей разрушения бетонных поверхностей устоев голов шлюзов. Для производства съемочных работ вода должна быть полностью откачана из камер и все поверхности камер шлюзов должны быть свободны от снега. Все обмерные работы должны быть выполнены в довольно короткий период от момента полного таяния снега до момента начала навигации. Именно в подобных условиях наилучшим образом проявляются такие преимущества сканирующих систем как высочайшая производительность и малая зависимость от условий погоды и освещенности объекта.

Трехмерное лазерное сканирование голов шлюзов Беломорско-Балтийского канала производилось универсальной 3D сканирующей системой Trimble GX и проходило в два этапа с 20 апреля по 14 мая 2010 года и по времени суммарно заняло 14 рабочих дней. За это время отсканировано 16 устоев голов шлюзов, инструментально снято 96 привязочных сфер — такая технология показывает высокую точность связывания сканов в единое облако точек, расхождения между сканами не превысили 5–8 мм. Все работы выполнялись в условной системе координат и Балтийской системе высот. В целях привязки всех лазерных сканов к единой условной системе координат специалистами нашей компании была произведена инструментальная съемка сфер.

Одним из требований специалистов «ЭЦБ ГТС «Гидротехэкспертиза» было обозначено определение размеров каверн в конструкции устоев шлюзов. Совмещение задач лазерной съемки голов шлюзов, требующей максимального охвата поверхности съемки для каждого скана, и задачи определения объемов каверн, требующей съемки каждой из каверн под различными углами, а также крайне сокращенные сроки работ из-за начала навигации, потребовали от инженеров компании «НГКИ» высокой квалификации в планировании и проведении съемок.

Камеральный этап работ
Результатом полевых работ явились облака точек, отображающие поверхность бетона устоев голов шлюза в условной системе координат с заданной точностью и плотностью получения точек. В камеральных условиях для каждого шлюза отдельные облака были сшиты в единое облако точек, которое было приведено к заданной специалистами «ЭЦБ ГТС «Гидротехэкспертиза» системе координат. Сшивка и чистка облаков точек производилось в программном пакете RWS (Real Works Survey), поставляемом вместе с лазерными сканирующими системами.

По требованию Заказчика все работы по моделированию проводились в программном комплексе AutoCAD. В процессе выполнения камеральных работ было произведено дешифрирование и сортировка всего полученного массива точек на группы в зависимости от их принадлежности (металлические конструкции, бетон, штукатурка, рельеф), после чего было выполнено вычерчивание объектов. По результатам лазерного сканирования были построены и сданы Заказчику чертежи развернутых в план устоев голов шлюзов Беломорско-Балтийского канала с нанесенными на них площадными контурами каверн и выбоин в бетоне с указанием глубины каверн.

Во время проведения полевых и камеральных работ самое пристальное внимание уделялось техническому контролю работ. Организация контроля и приёмки работ предусматривала непрерывный контроль работ и приёмку материалов от исполнителей. Контроль полевых работ осуществлялся систематически руководителем подразделения инженеров с целью проверки полноты данных и правильности выполнения работ. Контроль камеральных работ производился в процессе их выполнения исполнителями и руководителями подразделений.

Использовались следующие методы контроля:
— входной контроль данных, поступающих в камеральную обработку;
— анализ согласованности с материалами ранее выполненных работ;
— контроль соблюдения технологического процесса.
Любые недостатки оперативно устранялись исполнителями в ходе выполнения работ по проекту. В результате, все полученные материалы соответствуют требованиям Технического задания и действующих нормативных документов.

Выводы
По итогам выполненных работ по лазерному сканированию и моделированию на данном объекте могут быть сделаны следующие выводы:
— технология лазерного сканирования подтвердила свою эффективность при съемке гидротехнических сооружений в условиях существенно ограниченного времени и высоких требований к качеству предоставляемых материалов;
— подтверждена возможность определения не только размеров разрушений в плоскости, но и замеры объемов утрат;
— подтверждена возможность построения исполнительных чертежей элементов конструкции шлюзов без обращения к архивным материалам.

Мнение специалистов «ЭЦБ ГТС «Гидротехэкспертиза» о применении 3D лазерного сканирования для съемки гидротехнических сооружений

Опытному внедрению современной технологии лазерного сканирования на судоходных гидротехнических сооружениях предшествовали предварительная тщательная проработка, а также согласование взаимных требований, проведенные специалистами компании «НГКИ» и «ЭЦБ ГТС «Гидротехэкспертиза».

Результаты опытных работ показали, что технология 3D лазерного сканирования позволяет с высокой достоверностью и в кратчайшие сроки получать высококачественные и актуальные обмерные чертежи любого сооружения, развертки поверхностей сооружений с нанесенными на них всеми повреждениями, а также дает возможность реальную оценить пространственные деформации сооружений, в том числе и металлоконструкций, выполнять топографическую съемку территории и многое другое.

Абсолютно всё вышесказанное подтверждает и решение заседания Координационного Совета по инновациям в сфере внутреннего водного транспорта (г. Волгоград, 12–13 ноября 2010 г., Протокол № 8), в котором записано следующее:

«Рекомендовать технологию лазерного сканирования к применению на объектах внутреннего водного транспорта».

В тоже время опыт использования инновационной технологии лазерного сканирования наглядным образом показал, что эта технология предъявляет повышенные требования к опыту и квалификации специалистов, ее использующих. Подобные работы должны выполняться только специализированными организациями, имеющими соответствующий опыт выполнения этих работ.

Сопоставление результатов лазерного сканирования, выполненного квалифицированными специалистами компании «НГКИ», и результатов работы организации, которая приобрела необходимую аппаратуру, но не имела необходимых для работы с ней квалифицированных специалистов, однозначно подтверждает это утверждение, поскольку именно в последнем случае достоверность полученных результатов крайне низка.

Кроме того, необходимо также отметить, что успешное применение технологии лазерного сканирования предъявляет повышенные требования и к Заказчику работ. Заказчик непременно должен иметь у себя в штате сотрудников, хорошо знающих конструкции и сооружения, на которых применяется технология 3D лазерного сканирования, и способных, как минимум, грамотным образом составить техническое задание, отметить специфические требования к производству работ, которые предъявляет решаемая задача.

В частности, опыт работ по лазерному сканированию на гидротехнических объектах Беломорско-Балтийского канала наглядно показал, что успешному выполнению работ по составлению дефектных ведомостей должно предшествовать проведение предварительного тщательного визуального обследования сооружения гидротехниками с классификацией повреждений, определением оптимальной точности измерений, формата представления данных измерений и прочих действий. По результатам выполненной работы на объектах Беломорско-Балтийского канала намечена масштабная программа по дальнейшему совершенствованию опробованной в деле методики составления дефектных ведомостей с применением технологии лазерного сканирования.

Еще большие требования инновационная технология трехмерного лазерного сканирования предъявляет при решении более сложных задач, в частности, при оценке деформации сооружений и создании систем мониторинга их состояния.

Несомненно, за технологией лазерного сканирования — большое будущее, однако лишь только в том случае, если она находится в руках высококвалифицированных специалистов.