CC BY
10Применение неметрических цифровых камер для контроля объемов перемещенного грунта при выполнении земляных работ на строительных площадках
и ы
а
а
«
а б
Рогова Нина Семеновна
кандидат технических наук, доцент, кафедра инженерных изысканий и геоэкологии, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет
Перемещение грунта при проведении земляных работ на строительной площадке требует его учета и контроля. Для этого повсеместно применяются дорогостоящие геодезические методы, при этом, учет и контроль должен выполняться с высокой точностью и периодичностью. На практике высокую периодичность и точность получаемых результатов может обеспечить применение наземной стереофотограм-метрической съемки. Традиционная стереофотограмметри-ческая съемка на данном этапе претерпевает существенные изменения с внедрением цифровых технологий, которые позволяют более широко ее использовать. Использование неметрических цифровых камер в наземной стереофото-грамметрической съемке позволит снизить затраты на выполнение обмерных работ и при этом повысить оперативность полевых работ. Основным показателем возможности применения неметрических цифровых камер является их разрешающая способность позволяющая обеспечить точность определений и допустимые параметры их калибровки. Ключевые слова: строительство, земляные работы, неметрические цифровые камеры, наземная стереофотограм-метрическая съемка, калибровка.
На практике перед заказчиком и подрядчиками всегда стоит вопрос достоверности получения исходной информации по объемам выполненных работ в том числе и объемам земляных работ. В настоящее время исполнители производят определение объема земляных работ с учетом перемещенного грунта и подтверждают известными геодезическими методами.
Рис 1. Проведение земляных работ при строительстве котлована
Однако заказчика не всегда устраивает подобная практика если есть разногласия по данному вопросу. В крупных предприятиях с большим объемом земляных работ применяется фотограмметрический метод. Очевидность эффективности фотограмметрического метода при решении прикладных задач с использованием традиционной технологии во многом сдерживалось сложностью получения исходной информации (получение снимков их первичной обработки) и сложностью их фотограмметрической обработки (наличие фотограмметрических приборов и П.О.
В настоящее время в области крупномасштабного картографирования (которое является основополагающим при решении многих прикладных задач в том числе и определение объемов земляных работ) происходят бурные изменения, связанные с развитием ряда ключевых
технологий сбора и обработки пространственных данных.
Не смотря на сохранение теории основных принципов технологии наземной фотограмметрии [1] отдельные ее этапы претерпели кардинальные изменения; появились цифровые камеры, весь процесс обработки снимков перешел в плоскость аналитической фотограмметрии на ПК. Все это позволяет шире применять фотограмметрические методы на практике.
Рис 2. Нормальный случай наземной стереосъемки
Для определения координат точек местности по паре наземных снимков используют хорошо известные связи геодезических координат точек местности с их измеренными координатами на снимке. Так для нормального вида съемки рис. 1, наиболее часто используемым на практике, эти связи имеют вид:
X1 = + в
XI
еш е?! + Б-ес>2
YI = -н Б —^— соб о! Ч- В —-— зш сса
III-Яд
;(1)
г1 = + в-
вычисляют ее объемУ. Ширина насыпи определяется как расстояние между противоположными точками ее границы:
I = +
ДХДУ
где , - разности между противоположными точками границы насыпи. Высоту насыпи
определяется как разность основания насыпи и ее вершиной:
= ~ ■ (3)
Если насыпь не имеет правильную геометрическую форму, то для определения ее объема
строят несколько сечений с интервалом между ними. Определяют площадь каждого поперечного сечения ^ а затем объем насыпиопре-деляют по формуле:
— : ". (4)
При этом точность определения координат точек насыпи или выемки оценивается по формулам:
,
(5)
1^ = 7
где
т^Шу, ти
с.к.о. определения коор-
динат местности X, У, 2; Ш
- с.к.о. измерения параллакса;
7
-расстояние до определяемой точки объек-
та;
где , ^ - геодезические координаты
точки местности; ут VI 7Г
-
вшдецшяш левого ЦЕшра фииирафирииш
■и - измеренные координаты точки на левом и правом снимках стереопары;В-горизонтальное проложение базиса фотографирования.
По результатам измерений по стереопаре определяют ширину насыпи Ц высоту насыпи Ии
'- фокусное расстояние камеры;
'" - продольный параллакс точки.
Внедрение в производство наземной фотограмметрической съемки цифровых камер определяется их преимуществом по отношению к традиционным. Данные камеры позволяют оперативно получать цветные изображения исследуемого объекта без фотолабораторных работ, имеют возможность загрузки их в память компьютера, передачи на значительные расстояния и проведения измерений на экране монитора. Однако существующие специальные цифровые камеры высокого разрешения, предлагаемые для целей фотограмметрии, весьма дороги, что затрудняет их применение при решении прикладных задач. Поэтому во многих случаях
О 55 I» £
55 П П Н
fr
Q Ы
а
представляется целесообразным использование более дешевых неметрических камер.
Для использования неметрических камер в измерительных целях необходимо убедиться в возможности получить требуемый результат на этапе проектирования для этого следует определить ее элементы внутреннего ориентирования и дисторсию. Для определения постоянных элементов камер существует множество способов их калибровки.[3]. Полученные цифровые снимки позволяют их измерять на экране монитора при наличии фотограмметрических программ, имитирующих работу стереокомпаратора.
Наиболее приемлемым способом калибровки является съемка объекта с известными координатами. Неизвестные элементы внутреннего ориентирования и дисторсии объектива могут определяться с помощью специального математического аппарата - метод калибровки в процессе обработки. Для их определения необходимо иметь не менее пяти опорных точек, но на практике рекомендуется работать с 8-10 точками на модель.
Проведенные рядом авторов исследования [4] показывают, что результаты калибровки камер с разрешением 1152х864 и с числом точек формируемого изображения равным 1,02 млн пикселей, дисторсия как правило составляет порядка 1-1,5 пикселей. Подобная камера с данными параметрами имеет значение фокусного расстояния, равное 1800 пикселов.
Согласно исследованиям при данных размерах пиксела ошибка измерения состав-ляеттх=ту=т2=0,4^ = 1800, р = 450, тр = 0,4, согласно (2) получим
5
«
а
6
- - - ^ (6) Из выше изложенного следует, что ожидаемые ошибки в плоскости снимка составля-ют1/3000, ошибки по оси У1/1000.
Точность определения координат при отстояниях до насыпи 150 - 200 м в большинстве случаев достаточна для построения планов масштаба 1:1000, а также построения профилей земной поверхности.
Априорная оценка точности определения координат объекта по формулам (5), (б) показывает, что координаты могут быть определены с довольно высокой точностью. В таблице 1 показана зависимость точности определения координат объекта от величины отстояния до определяемой точки.
Ошибки по осям X и 7 могут существенно отличаться от ошибок по оси У, это связано с тем, что измерения по первым двум осям про-
водятся монокулярно, в то время как при измерениях по оси У вступают в действие законы стереоскопического восприятия.
Таблица 1
Точность определения координат объекта и объема земляных работ_
ОтстояниеУ (м) (м) '" (%)
25 0,01 0,02 2,5
50 0,02 0,04 5,0
75 0,02 0,07 7,5
100 0,03 0,09 10,0
150 0,05 0,14 15
250 0,08 0,23 25
Ошибка в определении координат точек насыпи приведет в конечном итоге к ошибке определения ее объема^4". В таблице 1 приведены данные характеризующие точность определения объема от ошибок в определении координат точек насыпи, для этого использовалась формула:
Анализ полученных данных показывает, что применение неметрических камер с разрешением 1152х864 с числом точек формируемого изображения равным 1,02 млн пикселей и фокусным расстоянием 1800 пикселей возможно их фотограмметрическое применение для определения объемов земляных работ с ошибкой определения не превышающей 5% при отстоянии камеры не более 50 м от насыпи.
Проведенная оценка не являются в полной мере строгой, так как не учитывает систематические и случайные ошибки, но в целом дает представление о точности, которую можно ожидать от применения неметрических камер при решении прикладных задач в том числе определении объемов земляных работ на строительных площадках.
Для повышения надежности и точности определения координат точек насыпи рекомендуется предварительно провести маркировку не только опорных точек, но и определяемых в дальнейшем фотограмметрическим способом. Повысить точность фотограмметрических определений позволят камеры высокого разрешения порядка 1280х960, 1280х1024 и более. Привлекательность, выпускаемых в настоящее время подобных камер, это их сравнительно невысокая цена.
Для сокращения объемов полевых геодезических работ при повторных стереосъемках целесообразно проведение поэтапной съемки, когда на первом этапе выполняется съемка с относительно больших расстояний и насыпь умещается на небольшом числе стереопар. В этом
случае базисы обеспечиваются геодезическими определениями координат концов базисов и двух-трех контрольных точек на стереопару. Фотограмметрическая обработка этих стереопар выполняется с опорой на полученные геодезические данные и определяются координаты связующих точек. Повторная съемка для определения объема завезенного нефтезагрязненного грунта проводится без всякой геодезической подготовки и без измерения длин базисов. Снимки повторной съемки обрабатываются по предшествующему варианту, причем геодезической опорой для них служат связующие точки со стереопарами первого этапа.
Приведенные в работе данные показывают возможность применения неметрических цифровых камер для решения прикладных задач по определению объемов земляных работ фотограмметрическим методом. Применение цифровых камер на практике позволяет сократить сроки получения снимков и полностью исключить их первоначальную обработку. Измерение цифровых снимков на ПК вместо громоздких и дорогих оптико-механических устройств дают основание для использования их во многих случаях прикладной фотограмметрии. Учитывая все выше изложенное заинтересованные стороны заказчик или подрядчик могут легко внедрить фотограмметрический метод для определения объемов перемещения грунта и убедиться в его эф-фективности,достоверности, простоте и невысо-койстоимости.
The application of control for the volume of the displaced soil during the implementation of the earthworks at construction sites
Rogova N.S.
Moscow State University of Civil Engineering
The displacement of soil during the implementation of the earthworks at the construction site requires it's accounting and control. For this purpose are widely used expensive geodetic methods, at the same time, accounting and control must be performed with high accuracy and frequency. In practice, the high periodicity and accuracy of the obtained results can ensure the use of ground-based stereophotogrammetric surveying. Traditional
stereophotogrammetric surveying at this stage is undergoing significant changes with the introduction of digital technologies which allow to use it more widely. The use of non-metric digital cameras in ground-based stereophotogrammetric survey allows to reduce the cost of measuring work and at the same time improves the efficiency of field work. The main indicator of the possibility of using non-metric digital cameras is their resolving ability to ensure the accuracy of definitions and permissible parameters of their calibration.
Keywords: construction, earthworks, non-metric digital cameras, ground stereophotogrammetric survey, calibration.
References
1. Mullets of A.N. Fotogrammetriya//Subsoil, 1984.
2. Ovsyannikov R. P, Rogova N. With//Fotogrammetriya and her
application in cadastral shooting. TroMTACA, 2004.-129 pages.
3. Dubinovsky V.B. Calibration of pictures. - M.: Subsoil, 1982. -
224 pages.
4. Gelman R.N. Multiple way of processing of pictures of land
stereophotographing//Geodesy and cartography. - 1998 No. 8. - Page 40-43.
5. System of multipurpose photogrammetric processing of stereosteam rooms izobrazheniyphotomod 1.52//GIS-review. - 1998,-№1-S. 11.
Литература
1. Лобанов А.Н. Фотограмметрия// Недра, 1984.
2. Овсянников Р.П, Рогова Н.С// Фотограмметрия и ее применение в кадастровой съемке. ТюмГАСА, 2004.-129 с.
3. Дубиновский В.Б. Калибровка снимков. -М. : Недра, 1982. - 224 с. 0
4. Гельман Р.Н. Многовариантный путь об- Я работки снимков наземной стереофотосъемки // ^ Геодезия и картография. - 1998- №8. - С.40-43. Р
5. Система многофункциональной фотограмметрической обработки стереопарных изо-браженийРИОТОМОР 1.52 //ГИС-обозрение. -1998, -№1- С. 11.
Н
