CC BY
96
© О.С. Степанова, 2014
УДК 528.482 О.С. Степанова
АНАЛИЗ СПОСОБОВ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ НАБЛЮДЕНИЙ ЗА ДЕФОРМАЦИЯМИ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ОБЪЕКТАМ КУЛЬТУРНОГО НАСЛЕДИЯ
Описаны достоинства и недостатки способов определения деформаций сооружений применительно к объектам культурного наследия. Рассмотрен опыт применения современных приборов и способов наблюдений за деформациями на различных объектах.
Ключевые слова: геодезические наблюдения, нивелирование, объекты культурного наследия, деформации, осадки, геодезические приборы.
Объекты культурного наследия играют важную роль в культурной и духовной жизни общества. Поэтому наблюдениям за их сохранностью необходимо уделять особое внимание. Объекты культурного наследия характеризуются конструктивной оригинальностью и требуют особого подхода к проверке их текущего состояния, особенно при реконструкции и реставрации. Наиболее эффективным способом реализации этой проверки является проведение геодезических наблюдений.
В зависимости от размера наблюдаемых деформаций и перемещений могут быть применены методы геометрического нивелирования, тригонометрического нивелирования, гидростатического нивелирования, фотограмметрии. [3] В последние годы для определения деформаций используют также лазерное сканирование, спутниковые наблюдения.
Рассмотрим подробнее достоинства и недостатки приведенных методов. 1. Геометрическое нивелирование Способ геометрического нивелирования используют для определения осадок сооружений. Превышения между точками на расстоянии 5-10 м определяют с точностью до 0,05-0,1 мм, а на расстоянии сотен метров - с точностью до 0,5 мм.
Основными его достоинствами являются высокая точность, быстрота и простота, а также возможность проводить измерения в любых погодных условиях. Геометрическое нивелирование применяется на открытых и легкодоступных точках сооружений, что, в свою очередь, не является возможным для объектов культурного наследия.
В инструкции Федеральной геодезической службы [4] подробно описано выполнение методики геометрического нивелирования, но условия работ на объектах культурного наследия затрудняют их использование. Ведь часть ходов проходит по маркам в сооружениях, длина луча часто отличается от приведенной в инструкции. Измерения выполняют в течение всего светового дня и в любое время года. [6]
В настоящее время получили применение цифровые нивелиры с кодовыми рейками, но опыт использования их в наблюдениях обобщен еще не достаточно. Точность измерений повышается примерно на 15-20%.
2. Тригонометрическое нивелирование
Применяют при измерениях вертикальных перемещений фундаментов в условиях резких перепадов высот (больших насыпей, глубоких котлованов, косогоров и т.п.) [3], а также при
производстве наблюдений через препятствия в труднодоступных местах [9].
Превышение И между точками определяют измерением тахеометром угла наклона у и горизонтального расстояния й между ними. Для измерения вертикальных углов применяют оптические и электронные теодолиты, тахеометры. Предпочтение отдают электронным тахеометрам, поскольку чаше требуется точно определять расстояния. СКО измерения вертикального угла различных тахеометров составляет 1", 2" или 5", СКО измерения расстояний для большинства тахеометров: 2 мм+2 мм/км при разной точности угловых измерений.
Основным источником ошибок тригонометрического нивелирования является рефракция визирного луча. Для ослабления ее влияния измеряют превышения дважды в разных условиях, а также прямо и обратно. Но это приводит к дополнительным затратам времени, что недопустимо при наблюдениях за деформациями объектов культурного наследия, поскольку во время проведения реставрационных работ необходимо учитывать деформации, происходяшие за короткий промежуток времени.
3. Гидростатическое нивелирование
Используют при наблюдениях за осадками фундаментов и несуших строительных конструкций в стесненных условиях подвальных и цеховых помешений, где ограничена возможность геометрического нивелирования из-за отсутствия удобных мест для установки нивелира и для работы наблюдателя [9].
В этом способе используется свойство жидкости устанавливаться в со-обшаюшихся сосудах на одинаковой глубине.
Гидростатическое нивелирование обладает рядом преимушеств, таких как: высокая точность, простота и автоматизация измерений; возможность
определения осадок точек, доступ к которым затруднен или отсутствует.
Системы измерений бывают переносные и стационарные. От переносных систем отказались из-за трудоемкого процесса. Оборудование стационарных систем выпускается за-рубежом, например фирмой «Фрай-бергер прецизионмеханик» (Германия). Система включает до 60 точек измерений с ошибкой фиксации уровня 10 мкм, имеет протяженность до 2000 м. В России используют стационарную систему «Ёенгидропроекта», которая применялась на Красноярской ГЭС. СКО этой системы составило 0,2 мм.
Сушественным недостатком является то, что этот метод может использоваться лишь в помешениях с хорошими метеорологическими условиями. При проведении реставрационных работ на объектах культурного наследия температура и влажность постоянно меняются, поэтому использовать данный способ затруднительно.
4. Микронивелирование
Используют при наблюдениях за
взаимным высотным положением точек на сооружении, расположенных на расстоянии до 1,5 м. СКО определения превышений не превышает 0,01-0,02 мм. Для измерений используют микронивелир, который основан на применении высокоточного уровня и индикатора часового типа [9].
5. Спутниковые измерения
Данный способ может использоваться как для определения превышений, так и для определения плановых перемешений.
К достоинствам спутниковых измерений можно отнести простоту реализации, непрерывность, чувствительность, относительно низкую стоимость [1], [5].
К недостаткам можно отнести сле-дуюшее: точность измерений, особенно вертикальных, не всегда соответ-
ствует паспортной; наличие строений и растительности ухудшает точность в 1,5-2 раза. Поэтому если объект культурного наследия находится в окружении других зданий или деревьев, спутниковые наблюдения будет производить достаточно трудно, так как на приемник могут поступать не только сигналы, исходящие от спутников, но и сигналы, отраженные от зданий.
СКО плановых координат в автономном режиме составляет 5 м (одно-частотные приемники) или 4 м (двух-частотные).
Ошибка измерения длины составляет от 2 мм+1 мм/км до 5 мм+2 мм/ км (по данным различных источников), превышений - в 2 раза грубее.
При этом продолжительность синхронных измерений составляет 3060 минут.
В работах [5], [12], [13], [14] рассматривается применение спутниковых наблюдений для определения деформапий различных сооружений.
В настоящее время появилась комплексная система активного геодезического мониторинга Leica, в которой в непрерывном режиме происходит сбор данных с приборов сети, проводится обработка полученных результатов, выполняется вывод значений на монитор оператора. Данная система устанавливаются уникальных сооружениях по всему миру. К таким объектам можно отнести: самое высокое здание в мире «Бурдж Халифа» (Дубай), мост «Нормандия» (Франпия), алмазную шахту «Венетия» (ЮАР), плотину вдоль тоннеля «Готард» (Швейпа-рия), тоннель под взлетно-посадочной полосой «Мадрид Барахас» (Испания) и др. [8]
В работе [2] решается задача непрерывного и автоматического отслеживания состояния ДСП с помощью трех спутниковых приемников геодезического класса Leica GRX1200 с антеннами Leica AR25 и программно-
го обеспечения Leica GNSS Spider и Bernese GPS Software 5.0. Последняя программа позволяет определять смешения точек с предельной погрешностью до 5 мм в трехмерном пространстве с вероятностью 95%.
6. Фотограмметрические методы
Данный метод больше используют
при исполнительной съемке возводимых сооружений или их конструкций. В работе [7] для упрошения фотолабораторных работ авторы показывают эффективность использования цифровых фотоаппаратов с после-дуюшим использованием компьютерных технологий для фотограмметрии одиночного снимка. Наиболее экономичны и производительны фотограмметрические методы при большом количестве определяемых точек на сооружении. А также позволяют исследовать высотное сооружение как в статистическом, так и в динамическом состоянии.
Недостатки: недостаточная точность, на примере наблюдений за деформациями Собора Святой-Жи-воначальной Троицы лейбгвардии Измайловского полка цифровым фотоаппаратом наблюдения ведутся только за слоем штукатурки и неизвестно как ведет себя кирпичная кладка [10].
В настояшее время для наземных измерений фирма Topcon (Япония) разработала PI-3000 (Image Master), которая включает цифровой фотоаппарат, серийный компьютер и специальную программу обработки снимков. Ошибка измерений составляет 0,4 мм при удалении от точки съемки на 10 м [6].
7. Лазерное сканирование
Этот метод позволяет создать цифровую модель в виде набора точек с пространственными координатами. К достоинствам можно отнести гораздо бульшую, по сравнению с тахеометрами, скорость измерений (от 5000 измерений в секунду) и плот-
ность (до десятков точек на 1 см2 поверхности). [1] Также сканирование отличается точностью и трехмерностью. Например, точность определения точки на расстоянии 50 м для сканера HDS3000 фирмы Leica Geosystems составляет 6 мм [11].
Когда сооружение имеет множество криволинейных архитектурных элементов, лазерное трехмерное сканирование требует меньшего объема и трудоемкости камеральных работ. А также имеет возможность отображения мелких архитектурных деталей, де-формапий конструкций и сооружений за счет увеличения разрешения при сканировании. Поэтому может вполне заменить фототеодолитную съемку [7].
К недостаткам можно отнести следующее: высокая стоимость оборудования, отсутствие нормативных документов по производству работ и стандартизированных технологий по оценке точности измерений [7].
В последнее время получили распространение лазерные трекеры. Абсолютный лазерный трекер Leica AT401 представляет собой переносную координатно-измерительную систему, позволяющую выполнить высокоточные замеры на сверхбольших расстояниях. Прибор может выполнять измерения полностью в автоматическом режиме, с любой дискрет-
1. Азаров Б.Ф. Современные методы геодезических наблюдений за деформациями инженерных сооружений // Ползуновский вестник. - 2011. - № 1. - С. 19-29.
2. Горбунов О.Н. Спутниковый мониторинг деформаций морской ледостойкой стационарной платформы // Геопрофи. -2013. - № 4. - С. 9-13.
3. ГОСТ 24846-81. Грунты. Методы измерения деформаций оснований зданий и сооружений. Введ. 17.06.81.
4. Инструкция по нивелированию I, II, III И IV классов ГКИНП(ГНТА)-03-010-03. Введ. 01.02.2004. - М., 2003.
5. Донец А.М. Геодезический мониторинг высотных зданий и сооружений с
ностью: во время производства строительных работ, во время демонтажа поздневозведенных конструкций. Данный прибор оснащен встроенной метеостанцией, что позволяет ускорить процесс измерений. Точность измерений составляет сотые доли миллиметров. Подобные системы применялись в Голландии при строительстве метро.
Рассмотрев приведенные выше способы, можно сделать вывод, что основными недостатками традиционных геодезических методов наблюдений за деформациями является дискретность наблюдений и сложность автоматизации.
Традиционные геодезические методы наблюдений за деформациями предполагают наблюдения за высотными перемещениями, но объекты культурного наследия чаще всего подвержены неравномерным деформациям ввиду своей уникальности. Поэтому необходимо наблюдать также и за взаимными плановыми перемещениями марок. А также следует выполнять непрерывные высокоточные автоматизированные геодезические наблюдения с целью предотвращения аварийных ситуаций.
В настоящее время достичь этого можно, используя лазерные трекеры или высокоточые прецизионные тахеометры.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
помощью высокоточных спутниковых методов // Геопрофи. - 2005. - № 5. - С. 17-19.
6. Карлсон A.A., Гробов П.Б., Морозов И.В. Натурные наблюдения за деформациями гидротехнических сооружений геодезическими методами. - М. 2012.
7. Лобов М.И., Переварюха A.H., Чир-ва A.C. Применение наземной фотограмметрии и лазерного сканирования для исследования динамического состояния мачтовых сооружений // Вюник Донбасько! нашонально! академи бушвництва i арх^ тектури. - 2010. - № 3(83). - С. 111-116.
8. Локтионов К.С. Геодезические системы Leica Geosystems для мониторинга деформаций инженерно-технических соору-
жений // Геопрофи. - 2010. - № 6. -С. 25-27.
9. Марфенко C.B. Геодезические работы по наблюдению за деформациями сооружений. Учебное пособие. - М.: МИИГАиК, 2004. - 36 с.
10. Пандул È.C., Корнилов Ю.Н., Горшков Л.К. Применение цифровой фотосъемки для исследования деформаций несущих стен сооружений // Маркшейдерский вестник. - 2009. - № 2. - С. 19-22.
11. Рой Д.Н. Опыт применения метода наземного лазерного сканирования для работ в области историко-культурного наследия // Геопрофи. - 2007. - № 2. - С. 20-23.
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ_
12. Свердлик С.Н., Цуцков С.Н. О возможности мониторинга смешений высотных объектов с помошью одночастотной спутниковой аппаратуры ГЛОНАСС/СРБ // Геопрофи. - 2007. - № 1. - С. 59-61.
13. Скрипников В.А. Скрипникова М.А. К вопросу модернизации плановой сети для определения деформаций плотин ГЭС 2012 // Геодезия и картография. -2012. - № 1.
14. Яшенко А.И., Евстафьев О.В., Джоел Ван Крейненброк. Мониторинг деформаций висячего моста с использованием технологий ГЛОНАСС/СРБ // Геопрофи. -2010. - № 6. - С. 15-19. ЕШ
Степанова О.С. - аспирантка, e-mail: ostepanova.ig@gmail.com, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».
UDC 528.482
ANALYSIS OF METHODS OF GEODETIC MEASUREMENTS DEFORMATION OF AN OBJECT OF CULTURAL HERITAGE
Stepanova O.S., Graduate Student, e-mail: ostepanova.ig@gmail.com, National Mineral Resource University «University of Mines».
Describes the advantages and disadvantages of geodetic methods of determining the deformation in relation to objects of cultural heritage. Show the experience of the use of modern instruments and methods of observation of deformations on various objects.
Key words: geodetic observations, leveling, object of cultural heritage, deformation, settlement, surveying instruments.
REFERENCES
1. Azarov B.F. Polzunovskij vestnik, 2011, no 1, pp. 19-29.
2. Gorbunov O.N. Geoprofi, 2013, no 4, pp. 9-13.
3. GOST 24846-81. Grunty. Metody izmerenija deformacij osnovanij zdanij i sooruzhenij. Vved. 17.06.81. (Soils. Measuring methods of strains of structures and building bases. Enter. 17.06.81.)
4. Instrukcija po nivelirovaniju I, II, IIIIIV klassov GKINP(GNTA)-03-010-03. Vved. 01.02.2004 (User leveling I, II, III and IV classes GKINP (GNTA)-03-010-03. Introduced. 01.02.2004), Moscow, 2003.
5. Donec A.M. Geoprofi, 2005, no 5, pp. 17-19.
6. Karlson A.A., Grobov P.B., Morozov I.V. Naturnye nabljudenija za deformacijami gidrotehnicheskih sooruzhenij geodezicheskimi metodami (In situ observation of deformation of waterworks the geodesic methods), Moscow, 2012.
7. Lobov M.I., Perevarjuha A.N., Chirva A.S. Visnik Donbas'koï nacional'noï akademiï budivnictva i arhitekturi, 2010, no 3(83), pp. 111-116.
8. Loktionov K.C. Geoprofi, 2010, no 6, pp. 25-27.
9. Marfenko S.V. Geodezicheskie raboty po nabljudeniju za deformacijami sooruzhenij. Uchebnoe poso-bie (Geodetic works control of deformation structures. Textbook), Moscow, MIIGAiK, 2004, 36 p.
10. Pandul I.S., Kornilov Ju.N., Gorshkov L.K. Markshejderskij vestnik, 2009, no 2, pp. 19-22.
11. Roj D.N. Geoprofi, 2007, no 2, pp. 20-23.
12. Sverdlik S.N., Cuckov S.N. Geoprofi, 2007, no 1, pp. 59-61.
13. Skripnikov V.A. Skripnikova M.A. Geodezija i kartografija, 2012, no 1.
14. Jashhenko A.I., Evstaf'ev O.V., Dzhoel Van Krejnenbrok. Geoprofi, 2010, no 6, pp. 15-19.
