CC BY
11УДК. 528.721.221.6
РОЛЬ ЛАЗЕРНЫХ СКАНЕРОВ В КАРТОГРАФИИ ОБЪЕКТОВ
СТРОИТЕЛЬСТВА
Карабеков Улугбек Абдукаримович ДжизПИ, ассистент, ulubek.karabekov.88@mail.ru
Аннотация: В статье рассмотрены методика и особенности картографирования объектов на основе совмещения данных воздушного, мобильного и наземного лазерного сканирования на примере съемки и обработки данных лазерного сканирования четырех направлений железных дорог общей протяженностью 1400 км.
Ключевые слова: картография, геодезия, геоинформационная система (ГИС), лазерное сканирование, инерциальная навигационная система (ИНС), 3D-моделирование, железные дороги, топографические планы.
Одним из значительных результатов развития области информа- Интеграция данных мобильного сканирования с другими данными лазерной съемки (наземной или воз-душной) позволяет добиться более высокой точности Лазерное сканирование по сравнению с традиционными методами картографирования позволяет существенно сократить сроки сбора исходной информации (время съемки), что особенно актуально на опасных и крупных объектах и объектах с интенсивным движением (автодороги, железные дороги) измерений, получить дополнительные данные для составления карт и моделирования местности, проводить пространственный географический анализ.
На сегодняшний день многие сложные виды работ осуществляются классическими методами, такими, как тахеометрическая или нивелирная съемки, которые в ряде случаев не экономят время исполнителя и не позволяют достичь требуемой детальности. Например, выполнение классической топографической съемки масштаба 1:500, выполненной на аналогичном рассмотренному в статье участке железной дороги 10 бригадами геодезистов, даже при самых благоприятных условиях работы займет не менее 135 рабочих дней. Немаловажны и риски, которым будут подвержены работники полевых бригад. Также необходимо учитывать, что при съемке, например, железнодорожной инфраструктуры данные, полученные классическими методами, будут иметь минимальную детальность, кроме того, вероятны ошибки оператора. А в случае сложных комплексных объектов, например контактной сети на крупных железнодорожных станциях, получить необходимые данные с требуемой точностью будет очень сложно, а часто и невозможно.
Наземное лазерное сканирование (НЛС) имеет еще более высокую точность (1—5 мм) и детальность, чем МЛС. С помощью дополнительных сканпозиций можно получить данные из самых труднодоступных мест, но необходимо учитывать, что этот вид сканирования имеет ограничение по максимальному расстоянию до объекта съемки (от 100 до 1000 м в за-висимости от модели сканера) и предполагает большие трудовые и временные затраты при съемке крупных объектов.
Выполнение слияния облаков точек, полученных указанными методами, при организации работ в единой системе координат позволит решить любые задачи по описанию объектов как в диапазоне масштаба 1:500—1:10 000, так и в масштабе 1:50— 1:500.
Съемка объекта, первичная обработка данных, контроль за точностью данных по реперным точкам. Прежде всего необходимо пояснить, почему в подобных исследованиях
важную роль играет именно совмещение данных. Из-за описанных выше достоинств и недостатков любого вида лазерной съемки невозможно одним видом съемки охватить весь спектр задач крупно- и мелкомасштабного картографирования с учетом требований к детальности отображения ряда объектов. Именно поэтому было принято решение произвести съемку всех направлений железных дорог мобильным сканером и дополнить воздушной лазерной съемкой на тех участках, где требуется более широкая полоса, и наземным сканированием участков, где требуется очень высокая детальность объектов.
Мобильная лазерная система была установлена на железнодорожную автомотрису (автономный вагон с дизельным двигателем). Работы выполнялись по намеченному маршруту в прямом и обратном на-правлениях со скоростью движения 60—70 км/ч. Общая длина съемки 1400 км за 11 рабочих дней. Для обеспечения высокой точности траектории движения сканирующей системы по пути следования автомотрисы были установлены базовые ГНСС-станции (станции глобальной навигационной спутниковой системы), которые размещались через каждые 20 км на заранее заложенных опорных пунктах.
Наземное лазерное сканирование выполнено сканером "Ше§1 У2400" на некоторых сложных объектах — нескольких узловых станциях и крупных железнодорожных мостах. Максимальная дальность работы сканера 600 м, минимальное расстояние до объекта съемки 1,5 м. Сканер обеспечивает точность съемки 5 мм, съемка одной сканпозиции занимает не более 5 мин.
Первоначальное совмещение данных осуществлялось по результатам обработки траекторных данных и ГНСС-наблюдений на базовых станциях, полученных в ходе выполнения мобильного, наземного и воздушного лазерного сканирования и аэрофотосъемки. На участках перекрытия нескольких видов данных на местности были закреплены контрольные реперы, заранее привязанные к пунктам опорной сети с точностью 1—2 см. Во время выполнения аэрофотосъемки и воздушного лазерного сканирования базовые станции устанавливали на тех же местах, что и при съемке МЛС.
Совместив уравненные результаты МЛС, НЛС, ВЛС и аэросъемки и получив таким образом полный набор данных, можно приступить непосредственно к созданию картографической продукции. В представ-ленной здесь методике процессы создания топографических планов и трехмерных моделей ведутся параллельно, так как имеют общие объекты. Это позволяет увеличить производительность и сократить затраты времени на производстве.
В результате выполнения съемки получается следующий набор данных:
—ТЛО (рис. 1);
—геопривязанные фотографии;
—траектории движения сканирующей системы;
—данные ГНСС-наблюдений на базовых станциях.
Рисунок 1. Точки лазерных отражений
При проведении съемки возможно появление следующих ошибок: 1) ошибок измерения единичной дальности лазерным дальномером, 2) ошибок углов ориентации сканирующей системы, 3) ошибок текущих координат сканирующей системы (ошибок траектории).
Координаты точек траектории определяются посредством совместной, взаимозависимой обработки данных двух подсистем — инерциальных навигационных систем (ИНС) и ГНСС. Если данные ИНС довольно стабильны и мало зависят от внешних условий, то для получения высокоточных данных ГНСС требуется максимально "открытое небо" [1, 2, 4].
Методика была опробована на пределе технических возможностей современного оборудования, что позволило получить крупномасштабные карты (1:1000), соответствующие точности по СНиП. В дальнейшем ее можно применять при составлении более мелкомасштабных карт, с уменьшением сроков работ за счет меньшей плотности точек лазерного сканирования, числа отображаемых объектов (генерализация в соответствии с требованиями к масштабу) и времени, необходимого для съемки и обработки.
Выводы. На основе проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
—полное отсутствие данных ГНСС (например, тоннель) в течение < 30 с приводит к ошибкам в итоговой траектории на уровне 1—2 см, < 60 с — не более 10 см;
—величины ошибок в итоговой траектории при отсутствии данных ГНСС зависят не от пройденного расстояния, а только от времени, т.е. участок с отсутствием ГНСС-сигнала можно проходить на высокой скорости, теряя в плотности, но выигрывая в точности;
—шумные (низкоточные) данные ГНСС, ошибки которых превышают (либо могут превышать) величины, указанные выше, а длительность не превышает интервалы, указанные ранее, необходимо исключить из полученной ГНСС-траектории для повышения точности итоговой траектории;
—между последовательными (следующими один за другим) интервалами, где отсутствуют ГНСС-данные либо они плохого качества, должны быть краткосрочные (5— 10 с) периоды точных ГНСС-данных. В этом случае не будет деградации итогового решения при любом числе таких интервалов (если их длительность не превышает указанную выше). Но следует иметь в виду, что для получения 5-секундного интервала точных данных ГНСС недостаточно 5 с ГНСС- измерений, поскольку требуется еще
некоторое время для инициализации, которое зависит от расстояния до базовой станции и используемого программного обеспечения (ПО). Например, при обработке траектории в ПО GrafNav при удалении от базовой станции до 10 км инициализация занимает 1 мин.; на основе данных, полученных и обработанных по описанной методике, можно решать следующие экономико-географические задачи и выполнять ком-плексные инженерные изыскания: создавать комплексную систему пространственных данных инфраструктуры железнодорожного транспорта; планировать и рассчитывать траектории движения железнодорожного транспорта; анализировать параметры объектов инфраструктуры железных дорог и сопоставлять их с нормативными значениями; определять габариты объектов инфраструктуры вдоль железнодорожного пути и вычислять критически опасные значения (определять провис проводов контактной сети и висящих рядом проводов ЛЭП, деформацию объектов инфраструктуры железных дорог, обвалов земельного полотна); инвентаризировать объекты инфраструктуры железнодорожного транспорта; строить продольные и поперечные профили; выявлять участки на железнодорожном полотне и балластной призме, требующие ремонта или реконструкции.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бранец В.Н. Лекции по теории бесплатформенных инерциальных навигационных систем управления: Уч. пособие для студентов вузов. М.: Изд-во МФТИ, 2009. 303 с.
2. Бранец В.Н., Шмыглевский И.П. Введение в теорию бесплатформенных инерциальных навигационных систем. М.: Наука, 1992. 280 с.
3. Рыльский И.А. Лазерно-локационная аэросъемка — особенности метода и перспективы его применения для географических исследований // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5. География. 2008. № 4. С. 29—33.
4. Cramer M. GPS/INS integration / Photogrametric Wfeek — 97. Stuttgart, 1997. P. 1
5. Riegl VMX-250. Compact mobile laser scanning system: Technical documentation and operating instructions. 2012. URL: http://riegl.com/uploads/tx_pxpriegldownloads/ 10_DataSheet_ VMX-250_newDesign_03-04-2012.pdf (дата обращения: 15.5.2015).
