CC BY
205
УДК 528.4: 658
И.И. Золотарев, А.В. Середович СГГ А, Новосибирск
ПОВЫШЕНИЕ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ МОНИТОРИНГА В ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИИ И ТЕХНОСФЕРЕ ЗА СЧЕТ ПРИМЕНЕНИЯ СОВРЕМЕННЫХ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ (СРЕДСТВ ЛАЗЕРНОГО СКАНИРОВАНИЯ)
Рассматриваются технологии создания трехмерных моделей объектов природопользования и техносферы, преимущества применения нового метода -наземного лазерного сканирования. Приводятся результаты расчетов норм времени на такие процессы, которые показывают возможность значительного повышения эффективности съемочных работ при использовании современных технологий.
Технологии выполнения топографо-геодезических работ претерпевают значительные изменения, которые связаны с внедрением современных измерительных систем, компьютеров и интернет-технологий. На передний план выходят автоматизированные комплексы, позволяющие производить измерения и обработку данных с дальнейшей их интерпретацией и моделированием.
При этом, для целого ряда значимых объектов актуальным становится представление результатов измерений в виде трехмерных моделей.
Важнейшее значение имеет возможность такого моделирования для изучения динамики природных явлений и изменения состояния объектов техносферы. Внедрение новых технологий, способных решать такие задачи, требует разработки экономических нормативов.
В работах [1, 8, 9] приводится определение цифровой модели местности (ЦММ) как информационной системы свойств местности, содержащей сведения обо всех ее элементах - рельефе, ситуации, топографических объектах местности и их характеристиках. Основу ЦММ составляют отдельные элементы - цифровые модели объектов (ЦМО), имеющие определенные свойства и связи между собой. ЦМО - цифровое представление объекта реальности, содержащее его местоуказание и набор свойств, характеристик атрибутов (позиционных и непозиционных) или сам этот объект.
По аналогии с термином «цифровое картографирование местности», приведенным в [5], можно сказать, что основными процессами создания и дальнейшего сопровождения ЦММ являются:
- Получение геопространственных данных о местоположении и о свойствах (характеристиках) объектов территории, то есть топографической геоинформации;
- Формирование пространственных объектов (моделей топографических объектов территории) и заполнение баз данных геоинформационного пространства (ГИП) (ГИП - «совокупность информационных координированных компьютерных моделей изучаемого геопространства» [5]);
- Обновление геоинформационного пространства и обеспечение максимально возможного соответствия информационного содержания геоинформационного пространства состоянию территории, т. е. мониторинг.
Наиболее актуальными формами представления цифровых моделей промышленных объектов являются цифровые топографические планы крупных масштабов (1 : 2000 - 1 : 500) и цифровые трехмерные модели местности.
Согласно [1], цифровой картой называется «цифровая модель топографической, тематической или специальной карты, представленной в виде числовых значений плановых координат x и у, аппликат z и закодированных атрибутивных данных, создаваемой в проекции, системе условных знаков, принятых для карт данного типа с учетом правил генерализации и точности». Топографическими называют карты универсального назначения, в деталях отображающие местность [1].
Цифровые трехмерные модели (ЦТМ) представляют собой реальное отображение объекта, и в отличие от цифровых карт и планов, третья координата (Z) не является атрибутом, присущим объекту, а определяется его моделью. ЦТМ обладают гораздо более существенными возможностями, нежели их двухмерные аналоги. Конфигурация трехмерной модели определяется действительным объектом моделирования, состоящим из комплексных деталей. Кроме того, высокая степень загруженности и многоуровенность технологических или иных объектов не позволяет достоверно отобразить ситуацию на плоскости. Большая информативность трехмерной модели по сравнению с плоскими цифровыми моделями местности позволяет выполнять более полный анализ при решении пространственных задач. К тому же, трехмерные модели позволяют представить информацию в гораздо более наглядном виде.
Наиболее распространенными программами для работы с ЦТМ являются системы автоматизированного проектирования (CAD - аббревиатура от англ. Computer Aided Design). Основным назначением данных систем является конструирование и проектирование. Современное развитие приборов и технологий получения пространственной информации о различных объектах обусловило начало перехода проектных и эксплуатационных организаций к работе в трехмерном пространстве, в связи с чем для проектирования и конструирования в CAD-системах все большее применение находят цифровые трехмерные модели реально существующих объектов. Также все большее распространение получают трехмерные или виртуальные ГИС, позволяющие решать множество задач с использованием ЦТМ [6].
Современные требования к точности цифровых топографических планов и трехмерных моделей регламентируются инструкциями по выполнению съемок. В большинстве своем, данные требования привязаны к масштабу отображения объектов на твердом носителе в соответствии с требованиями [4].
Подход к определению точности определения положения некоторых элементов ЦММ может определяться исходя как из масштаба отображения цифровой модели (что также определяет ее детальность), так и из
технологических допусков на эксплуатацию объектов (в основном, в строительстве).
В настоящее время распространены несколько технологий создания цифровых моделей объектов:
- Теодолитная или тахеометрическая съемка;
- Съемки с использованием глобальных навигационных спутниковых систем;
- Аэрофототопографическая съемка;
- Воздушное лазерное сканирование;
- Наземное лазерное сканирование (НЛС).
Основными потребителями продукции, получаемой с помощью наземных лазерных сканеров, по определению должны быть промышленные и добывающие отрасли. Именно здесь возникает потребность в цифровых моделях технологического оборудования, получаемых в заданной системе координат для решения задач геомониторинга, проектирования, безопасной эксплуатации и других приложений.
Однако, в связи с новизной технологии, готовые адаптированные методики создания цифровых моделей объектов средствами наземного лазерного сканирования были разработаны и внедрены лишь в последнее время (в [6, 7, 11] и др.).
Основным назначением НЛС является получение трехмерных моделей исследуемых объектов. Для этого могут использоваться и другие методы, однако наземное лазерное сканирование на сегодняшний день является наиболее эффективным в случаях, когда необходимо обеспечить высокую детальность моделей при оперативном выполнении съемочных работ. Большое разнообразие характеристик НЛС и ПО позволяет говорить о возможности практического применения данной технологии во многих областях человеческой деятельности, в которых необходимо знать геометрические характеристики объектов. Основными преимуществами данной технологии являются:
- Дистанционность;
- Высокая скорость выполнения измерений;
- Информативность получаемой модели;
- Автоматизация процесса выполнения измерений;
- Непрерывность получаемой модели.
В отличие от традиционных дискретных измерений, наземное лазерное сканирование позволяет получать точечные модели высокой плотности, т. е. результатом измерений является практически непрерывная модель объекта. Это позволяет выполнять постоянный самоконтроль при обработке данных, в отличие от традиционных методик, когда после выполнения измерений нельзя достоверно проконтролировать, с какой ошибкой был измерен тот или иной параметр.
Приведенные преимущества метода наземного лазерного сканирования применительно к геодезии позволяют говорить о высокой эффективности его
применения для изучения геометрических параметров объектов, сложной формы, объектов содержащих большое количество отдельных элементов, или протяженных объектов. Наземное лазерное сканирование может применяться для решения следующих задач:
- Исполнительные трехмерные съемки для проектирования и реконструкции различных объектов;
- Мониторинг инженерных сооружений и природных объектов;
- Создание цифровых моделей рельефа, определение объемов складов, карьеров, разрезов;
- Создание цифровых топографических планов крупных масштабов на территории с высокой плотностью застройки и промышленные объекты;
- Документирование геометрических характеристик уникальных архитектурных объектов, памятников старины и археологических объектов;
- Геометрический контроль строительства зданий и сооружений, проектирования и монтажа фасадных конструкций;
- Обеспечение безопасности жизнедеятельности.
Производства в добывающих, промышленных, энергетических и многих других отраслях состоят из целого ряда сложных технологических объектов. Для их безопасной эксплуатации необходимо выполнять целый комплекс геодезическо-маркшейдерских работ, включающих крупномасштабные топографические и исполнительные съемки масштабов 1 : 2000 и крупнее. Для выполнения таких работ целесообразно использовать наземные лазерные сканеры, позволяющие повысить их качество и достоверность.
Наземные лазерные сканеры - это сложные компьютеризированные приборы, за работой которых в реальном режиме времени следит соответствующее программное обеспечение, решающее задачу управления процессами измерения углов и расстояний и получения координат точек. Выпускаемые различными фирмами наземные лазерные сканеры обеспечивают широкий диапазон точности измерения углов (от 4") и расстояний (от 2,5 мм). Технические возможности сканеров позволяют выполнить все измерения, в полной мере обеспечивающие надежную эксплуатацию объектов.
Обработка результатов сканерных измерений осуществляется с помощью специальных программ, позволяющих создавать по точечным моделям объектов цифровые топографические планы и трехмерные метрические модели и решать с их использованием различные геометрические и управляющие задачи (от определения площадей и объемов до создания трехмерных ГИС).
В СГГА накоплен значительный опыт применения НЛС ([2, 7, 10] и др.). Работы по созданию цифровых трехмерных моделей (ЦТМ) выполнялись в формате AutoCAD. Съемочные работы произведены с применением наземного лазерного сканера Riegl LMS Z-360. Обработка материалов полевых измерений выполнялась с помощью программного обеспечения Leica Cyclone.
Комплексно были выполнены в технологической последовательности работы: составление абрисов; сканерная съемка; дополнительные съемочные работы для уточнения характеристик или досъемки пропущенных объектов;
формирование единой точечной модели по данным наземного лазерного сканирования; создание цифровых трехмерных моделей объектов по данным наземного лазерного сканирования; контроль точности цифровых топографических планов.
Камеральные работы по созданию ЦТП состояли из следующих этапов:
- Векторизация точечной модели (создание плановой части ЦТП) -построение линейных, площадных и точечных объектов в соответствии с абрисами и данными досъемки;
- Формирование высотной части ЦТП - набор пикетов с отметками по данным наземного лазерного сканирования;
- Редактирование ЦТП в соответствии с требованиями - экспорт данных в формат представления ЦТП, оформление планов.
Объем геометрической информации, получаемой в ходе работ по наземному лазерному сканированию, позволяет выполнять мониторинг геометрических характеристик различных природных и техногенных объектов. Использование наземного лазерного сканирования успешно используется для слежения за деформациями резервуаров, тоннелей, мониторинга оползневых процессов. Данная система позволяет определять не только величины и направления смещений элементов, но и в какой точке зафиксированы смещения [2].
Создание цифровой модели местности (ЦММ) методом лазерного сканирования является лучшим современным инструментом для решения сложных технологических и экономических задач, которые стоят перед предприятиями всех отраслей промышленности, где высока степень сложности объектов, насыщенность их оборудованием и коммуникациями, а также для мониторинга объектов природопользования. Преимущества такой технологии огромны: это и снижение трудоемкости полевых работ, это и высокая информативность полученных материалов, и - главное - возможность любых дополнительных измерительных работ в камеральных условиях по уже имеющейся объемной ЦММ. Информационная емкость ЦММ, созданной на основе лазерного сканирования (ЛС), многократно выше, чем у традиционных моделей [3].
Практическое применение НЛС потребовало наличия норм времени, норм выработки и расценок на процессы. Расчет комплексных норм времени на создание цифровых топографических планов и трехмерных моделей объектов с применением наземного лазерного сканирования был выполнен на кафедре экономики и менеджмента СГГА. Определение комплексных норм времени на создание цифровых топографических планов и трехмерных моделей объектов было выполнено аналитически-исследовательским методом. На основе хронометражных наблюдений установлено время оперативной работы (нормативы времени) для отдельных процессов, определены нормы времени на отдельные процессы (табл. 1).
Экспериментальные исследования методики создания цифровых топографических планов с применением наземного лазерного сканирования включали работы по съемке объектов на площади 477 га. Разработаны
структура и содержание категорий сложности загруженности территорий для наземного лазерного сканирования. Впервые определены нормы времени на выполнение отдельных процессов работ. Полученные результаты, подтвержденные большим объемом исследований, показали, что применение наземного лазерного сканера позволяет повысить производительность съемочных работ в 3 раза.
Таблица 1. Нормы времени на отдельные процессы создания 1 га цифровых топографических планов и трехмерных
моделей объектов
Процесс Единица измерени я Коэффициен т сложности Кср Объем на единицу процесса Норматив времени ТОП, бр.-ч Норматив численности исполнителей, п Нормативы, % к Топ Норма времени на 1 га, бр.-ч
инженер техник Тпз Ттп Тотл
Создание ПВО га III 1 0,59 1 2 - - - 0,59
Составление абрисов га 4,27 1 0,43 1 2 25 16,7 5 0,63
Выполнение сканерной съемки для создания ЦТП станция 2,09 2,27 0,98 1 2 25 16,7 5 1,44
Формирование единой точечной модели станция 2,09 2,27 0,21 1 - 10 - 5 0,24
Создание ЦТП га 2,90 1 2,61 1 2 - 16,7 5 3,18
Досъемка и уточнения % - 68 - 1 1 - - - 1,41
Выполнение сканерной съемки для создания ЦТМ станция 6,88 8,49 6,46 1 2 25 16,7 5 9,48
Создание ЦТМ га 4,35 1 66,85 1 2 - 16,7 5 81,36
1. Берлянт, A.M. Картографический словарь [Текст] / A.M. Берлянт. - M.: Научный мир, 2005. - 424 с.
2. Cередович, ВА. Mониторинг деформаций сооружений в сочетании с технологией трехмерного моделирования [Текст] / ВА. Cередович, ТА. Широкова, Д.В. Комиссаров, A3. Cередович, A3. Комиссаров, Т.Н. Ткачева, C.C. Огуденков // Геодезия и картография. - 2006. - № б. - C. 12-15.
3. Золотарев, И.И. Экономическое обоснование стоимости топографо-
геодезических работ с применением лазерного сканирования [Текст] / И.И. Золотарев, Л.В. Тишкова, A3. Cередович // ГЕО-Cибирь-2007: C6. материалов III Mеждунар. научн. конгресса «Гео-Cибирь-2007», 25-27 апр. 2007 г., г. Новосибирск, Т. б. -Новосибирск: C^A, 2007. - C. 148-149.
4. Инструкция по топографической съемке в масштабах 1:5000, 1:2000, 1:1000 и 1:500. ГКИНП-02-033-82 [Текст]. - M.: Недра, 1985. - 150 с.
5. Карпик, A.^ Mетодологические и технологические основы
геоинформационного обеспечения территорий [Текст]: монография / A.^ Карпик. -Новосибирск: CEPA, 2004. - 2б0 с.
6. Комиссаров, Д.В. Перспективы развития и внедрения трехмерных FHC [Текст] /
Д.В. Комиссаров, ТА. Широкова // ГЕО-Cибирь-2006: C6. материалов науч. конгр. «ГЕО-Cибирь-2006», 24-28 апр. 200б г., Новосибирск, Т. 1. Геодезия, картография,
маркшейдерия. - Новосибирск: CГГA, 200б. - C. 132-135.
7. Комиссаров, Д.В. Получение метрической информации об объектах архитектурного наследия по данным наземного лазерного сканирования [Текст] / Д.В. Комиссаров, A3. Комиссаров // Изв. вузов. Cтроительство.- 2006.- № 5. - C. 112-115.
8. Лисицкий, Д.В. Основные принципы цифрового картографирования местности [Текст] / Д.В. Лисицкий. - M.: Недра, 1988. - 2б1 с.
9. Цифровая картография и геоинформатика. Краткий терминологический словарь [Текст] / под общей ред. E.A. Жаловского. - M.: «Картгеоцентр» - «Геоиздат», 1999. - 46 с.
10. Производство топографо-геодезических работ по созданию топографических планов и электронных планов земельных участков, находящихся в пользовании GAG «Cибнефть-Ноябрьскнефтегаз»: отчет о НИР (заключит.) [Текст] / Ch6. гос. геодез. акад.; рук. ВА. Cередович. - Новосибирск, 200б. - 181 с. - № ГР 012005. 03279. - Инв. № 022006.06351.
11. Cередович, A3. Mетодика создания цифровых моделей объектов нефтегазопромыслов средствами наземного лазерного сканирования: Дис. на соискание уч. степ. канд. техн. наук [Текст] / A3. Cередович. - Новосибирск: CfTA, 2007. - 14б с.
© И.И. Золотарев, А.В. Середович, 2008
