CC BY
151
УДК 502
ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МОБИЛЬНОГО ЛАЗЕРНОГО СКАНИРОВАНИЯ ДЛЯ МОНИТОРИНГА ДОРОГ И СОПУТСТВУЮЩЕЙ ИНФРАСТРУКТУРЫ НА ОСНОВЕ ОПЫТА ПРОИЗВЕДЁННЫХ РАБОТ НА УЧАСТКАХ ОКТЯБРЬСКОЙ, РЯЗАНСКОЙ, СМОЛЕНСКОЙ И БРЯНСКОЙ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ
Наталья Сергеевна Ковач
Научно-исследовательский и проектный институт по строительству и эксплуатации объектов топливно-энергетического комплекса, 105005, г. Москва, набережная Академика Туполева, д.15, корп.17, заместитель начальника управления комплексных инженерных изысканий, тел. (499) 995-04-92 доб. 555, e-mail: NKovach@nipistroytek.ru
Иван Викторович Клименок
Научно-исследовательский и проектный институт по строительству и эксплуатации объектов топливно-энергетического комплекса, 105005, г. Москва, набережная Академика Туполева, д.15, корп.17, инженер-геодезист инженерно-геодезического отдела управления комплексных инженерных изысканий, тел. (499) 995-04-92, e-mail: IKlimenok@nipistroytek.ru
Мобильное лазерное сканирование (МЛС), как метод получения геопространственных данных, особенно актуален для российских масштабов. Актуальность данного метода продиктована необходимостью получения и обновления большого объёма высокоточных данных в сжатые сроки. В этом заинтересованы как представители проектных организаций, так и службы эксплуатации железных дорог (РЖД). Так же нельзя упускать из виду и то, что железные дороги (ЖД) являются объектом стратегического значения и перспективным направлением развития. В статье описывается опыт применения МЛС при создании 3D модели и мониторинга состояния ЖД и прилегающей инфраструктуры, рассматривается технология проведения работ.
Ключевые слова: мобильное лазерное сканирование, железные дороги, 3D
моделирование, топографические планы.
POSSIBILITIES OF APPLICATION OF MOBILE LASER SCANNING FOR MONITORING OF ROADS AND AN ACCOMPANYING INFRASTRUCTURE ON THE BASIS OF EXPERIENCE OF THE MADE WORKS ON SITES OF THE OCTOBER, RYAZAN, SMOLENSK AND BRYANSK RAILWAY
Natalya S. Kovach
Deputy head of complex engineering surveying department, Research and Designing institute for construction and maintenance of fuel-energy complex units, 15/17 Akademika Tupoleva, 105005, Moscow, phone: (499) 995-04-92, e-mail: NKovach@nipistroytek.ru
Ivan V. Klimenok
Geodetic engineer, complex engineering surveying department, Research and Designing institute for construction and maintenance of fuel-energy complex units, 15/17 Akademika Tupoleva, 105005, Moscow, phone: (499) 995-04-92, e-mail: IKlimenok@nipistroytek.ru
Mobile laser scanning (MLS), as a method of reception of the geospatial data, especially actual for the Russian scales. The urgency of the given method is dictated by necessity of reception and updating of great volume of the high-precision data for deadlines. In it are interested both representatives of the design organizations, and services, operation of the railways (Russian
Railway). As it is impossible to lose sight and that the railways are object of strategic value and a perspective direction of development. In article experience of application MLS at creation 3D model and monitoring of a condition of the railways and an adjoining infrastructure is described, the technology of work is considered.
Key words: mobile laser scanning application for roads and their infrastructure monitoring based on the experience of the works at Oktyabrskaya, Ryazanskaya, Smolenskaya and Bryanskaya railways sections
Использование современного оборудования и инновационных технологий открывают новые возможности для решения разнообразных задач на железной дороге. Так, немаловажна высокая детальность данных, получаемая не только при съёмке простых, но и в случае многоуровневых комплексных объектов. К примеру, - контактная сеть на крупных железнодорожных станциях, где получение необходимых данных с требуемой точностью будет чрезвычайно сложно. Подобные задачи с лёгкостью решаются методом мобильного лазерного сканирования (МЛС), который позволяет за короткий промежуток времени получить высоко детальную трехмерную информацию обо всех объектах, находящихся в зоне видимости сканирующей системы с точностью на уровне нескольких сантиметров и плотностью - около 3000 точек на м2 (при скорости съемки 60 км\ч).
Рис. 1. Автономный дизельный вагон
В третьем квартале 2011 года специалисты ООО «НИПИСтройТЭК» выполнили полевые работы для компании ЗАО «ИнтехГеоТранс» (ОАО РЖД) по МЛС четырех направлений железных дорог: Октябрьское, Рязанское, Смоленское и Брянское, общей протяжённостью 1400 км. Съемка была выполнена за 11 рабочих дней в прямом и обратном направлениях со скоростью 60-70 км/ч. Работы выполнялись системой МЛС, установленной на крыше железнодорожной автомотрисы (автономный вагон с дизельным двигателем) (рис.1). Для обеспечения получения высокой точности данных по пути следования были установлены базовые GNSS (ГНСС) станции. Они размещались каждые 20 км на заранее заложенных заказчиком опорных пунктах. На этапе сбора данных была использована система МЛС - Riegl VMX- 250, с помощью которой возможно выполнять съемку с
внутренней точностью 10 мм. Совместно со сканированием система позволяет выполнять фотосъемку территории объекта при помощи 4-х широкоугольных фотокамер, с частотой съёмки до 12-ти кадров в секунду. Данные фотокамер позволяют значительно с установленной системой МЛС улучшить восприятие объектов, анализировать их характеристики, присваивать истинные цвета точкам и атрибутику объектам. Благодаря наличию автоматической коррекции яркости фотосъемки, водонепроницаемости системы и диапазону сканирования, имеется возможность выполнять съемку при неблагоприятных погодных условиях и в любое время суток, даже ночью при наличии искусственного освещения на местности. Благодаря компактности и удобной конструкции крепления система МЛС быстро устанавливается на любые виды транспортных средств: автомобиль, железнодорожные поезда\вагоны, катер или паром.
Неоспоримым преимуществом использованной Riegl VMX - 250 является
конструктивная особенность размещения всех компонентов относительно друг друга на одной жестко закрепленной платформе, что исключает раскалибровку при эксплуатации и монтаже. Также отсутствует этап определения калибровочных параметров для каждого проекта, что в свою очередь повышает точность съемки и экономит время обработки информации.
После выполнения съемки и обработки данных МЛС был проведён контроль, при котором использовались реперные объекты, закрепленные в характерных точках вдоль железной дороги. Контроль данных производился путем совмещения уравненного облака точек лазерного отражения (ТЛО) с реперными объектами. В результате получены следующие расхождения данных МЛС на реперных объектах: СКО планового и высотного положения ~5см.
Рис. 2. Точки лазерных отражений (ТЛО)
В результате выполнения мобильной лазерной съемки получается следующий набор данных:
- ТЛО (рис.2);
- Геопривязанные фотографии;
- Траектории движения сканирующей системы;
- Данные GNSS наблюдений на базовых станциях.
В результате обработки данных создаются:
- 3D модель местности в формате АШоСАО и ArcGIS с занесением в базу данных атрибутивных характеристик;
- Цифровые модели объектов инфраструктуры железных дорог (рис.3);
- Цифровые модели рельефа в формате ESRI GRID и ASCII;
- Топографические планы масштаба 1:1000.
Рис. 3. Примеры 3D моделей и цифровых моделей рельефа (ЦМР)
При выполнении обработки данных в ООО «НИПИСтройТЭК» особое внимание было уделено автоматизации производственных процессов. Для этого программистами компании создан комплекс программных средств, позволяющий с максимальной точностью и автоматизацией выполнять трехмерную обработку данных лазерного сканирования. Помимо этого на производстве применяются самые последние программные разработки в области цифровой картографии, САПР и ГИС от известных производителей Autodesk, Bentley, TechNet, ESRI, RIEGL, InnovMetric, TerraSolid и др.
Отдельно следует отметить программный продукт SiRailScan разработки немецкой компании TechNet, позволяющий в автоматическом режиме по облаку точек лазерного отражения проверять габариты железнодорожных путей и формировать подробные отчеты о выявленных нарушениях. В дальнейшем данные отчеты могут быть использованы при реконструкции и ремонтных работах на железной дороге. Появление на мировом рынке подобных программных продуктов существенно повышает эффективность применения лазерного сканирования в железнодорожной отрасли.
По результатам обработки данных будут решать следующие задачи:
- Создание комплексной системы пространственных данных инфраструктуры железнодорожного транспорта (КСПД ИЖТ).
- Построение продольных и поперечных профилей.
- Планирование и расчёт траекторий движения ЖД транспорта.
- Анализ параметров объектов инфраструктуры железных дорог и сопоставление их с нормативными значениями. Выявление участков на железнодорожном полотне и балластной призме требующих ремонта или реконструкции.
- Определение габаритов объектов инфраструктуры вдоль железнодорожного пути и вычисление критически опасных значений (определение провиса проводов контактной сети
и близ висящих ЛЭП, деформации объектов инфраструктуры ЖД, обвалов земельного полотна).
- Инвентаризация объектов инфраструктуры ЖД транспорта.
Для всестороннего изучения объектов железной дороги, в т.ч. объектов ИССО (мосты, трубы под ЖД, станции и др.), а также для устранения "теневых" зон, неизбежно возникающих по пути следования сканирующей системы, данные МЛС были дополнены данными воздушного лазерного сканирования (ВЛС), аэрофотосъемки и наземного лазерного сканирования (НЛС).
Специалисты ООО «НИПИСтройТЭК» выполнили комплекс работ по совмещению данных мобильного лазерного сканирования с данными других видов съемки. Первоначальное совмещение данных осуществлялось по результатам обработки траекторных данных и GNSS-наблюдений на базовых станциях, полученных в ходе выполнения аэрофотосъемки, ВЛС и МЛС. На участках перекрытий нескольких видов данных на местности были закреплены контрольные марки, заранее привязанные к пунктам опорной сети с точностью 1-2 см. Во время выполнения аэрофотосъемки и воздушного лазерного сканирования базовые станции устанавливались на тех же местах, которые использовались при съемке МЛС. Данный метод позволил повысить точность получаемых данных. Затем, для точного совмещения всех видов данных, применялись связующие точки, выбранные в зонах перекрытия данных. В качестве исходной информации для набора связующих точек выступали данные ТЛО МЛС. Для каждой точки стояния наземного сканера (сканпозиции) выбиралось не менее 5 связующих точек и не менее 3 контрольных заранее замаркированных на местности. Для совмещения данных аэрофотосъемки и воздушного сканирования с данными МЛС использовалось не менее 3 связующих и не менее 1 контрольной точки на пог.км. В качестве контрольных точек, в этом случае выступали четко распознаваемые по данным ВЛС и МЛС углы строений (будки, платформы и др.) и разнообразных конструкций (ограждения, концы металлических балок и др.). В результате, абсолютная точность совмещения данных разных видов съемки с данными Мобильного сканирования составила: для данных аэрофотосъемки и воздушного лазерного сканирования ~ 5 см.; для данных наземного лазерного сканирования ~ 3 см.
В настоящее время, создается единая ГИС система, в которой будет осуществлена интеграция ТЛО, 3D моделей и топопланов ЖД с базами данных. Одним из её несомненных преимуществ является ясность картины, достигаемая за счет работы с данными в трехмерном пространстве. Это позволит осуществлять оперативное проектирование графиков движения поездов, проектирование реконструкции железнодорожных путей, планирование и проведение инвентаризации, расчёт геометрических параметров объектов ЖД инфраструктуры и выполнение множества других насущных задач.
© Н.С. Ковач, И.В. Клименок, 2012
