Деформационные процессы, которые приводят к нарушению высотных конструкций, могут быть вызваны различными факторами. Например, при строительстве сооружения были допущены неточности при учете природных факторов, что в дальнейшем привело к неспособности материала сохранять свои свойства в условиях повышенных температур. В качестве примера можно также привести свойства грунтов, которые под весом высотной конструкции приходят в движение, нарушая тем самым свою целостность и целостность высотной конструкции. Для каждого региона такие факторы различны. Поскольку не все факторы проявляют себя в момент проектирования и строительства, их идентификация также представляет собой довольно сложный процесс.
Таким образом, для оперативного принятия мер по сохранению целостности конструкции необходимо проводить мониторинговые исследования параметров зданий и сооружений. Решение поставленной задачи возможно за счет применения современных методов проведения геодезической съемки высокоточными геодезическими приборами. Отметим, что данные способы съемки ранее не применялись при обследовании зданий за исключением памятников культурного и исторического значения по причине начального этапа развития и становления практического применения в данной сфере.
Мобильная лазерная съемка проводится на скорости до 20 км/ч в прямом и обратном направлениях. Используется сканирующая система, установленная на крыше автомобиля с высокой амортизационной способностью. Для обеспечения высокой точности измерений по пути следования устанавливаются базовые ГНСС-станции. В рассматриваемом случае целесообразно их установить через каждые 2 км на заранее заложенных опорных пунктах. Совместно со сканированием необходимо вести фотосъемку окружающей территории и самого объекта минимум двумя широкоугольными камерами с частотой съемки, не превышающей 20 кадров в секунду, чтобы не перегружать систему большим объемом данных. Данные с фотокамер необходимы для получения информации об объекте и окружающей обстановке, анализа их характеристик, присвоения истинных цветов точкам и объекта.
В условиях съемки очень важна автоматическая коррекция яркости фотосъемки, а также защита от воздействия резких порывов ветра, с учетом диапазона достаточно широкого для охвата всего объекта и прилегающей территории. Высокая частота сканирования позволяет осуществлять сбор данных без значимых потерь в плотности измерений.
Выбор системы мобильного сканирования определяется также тем, что система представляет собой единое устройство, которое исключает дополнительные операции, затраты времени и средств, что при учете того, что район расположения объекта частично является пустынным, особенно важно, поскольку в подобных ситуациях при применении других методов требуется установка дополнительных ориентиров, прокладка сетей и маршрутов. Также исключена раскалибровка системы при эксплуатации и монтаже. Отпадает необходимость определения калибровочных параметров перед началом съемки, то есть калибровка проводится с ориентиром на высокоточные стандарты.
После выполнения съемки и обработки данных сканирования обязательно проведение контроля, при котором используются реперные объекты, закрепленные в характерных точках на телебашне: точках на опорах конструкции. Контроль данных производится путем совмещения уравненного облака точек лазерного отражения (ТЛО) с реперными объектами.
В результате мобильной лазерной съемки получается следующий набор данных:
- ТЛО;
- геопривязанные фотографии;
- траектории движения сканирующей системы;
- данные GNSS-наблюдений на базовых станциях.
После обработки данных создаются:
- 3D-модель местности в формате AutoCAD и ArcGIS c занесением в базу данных атрибутивных характеристик;
- цифровые модели объектов инфраструктуры железных дорог;
- цифровые модели рельефа в формате ESRI GRID и ASCII;
- топографические планы масштаба 1:1000;
- классифицированные ТЛО.
По результатам обработки данных решаются следующие задачи:
- создание комплексной системы пространственных данных структуры объекта (телебашни);
- построение продольных и поперечных профилей;
- планирование и прогноз деформационных преобразований;
- анализ параметров объектов структуры сооружения и сопоставление их с нормативными значениями;
- выявление участков на телебашне, требующих ремонта или реконструкции;
- вычисление критически опасных значений;
- инвентаризация структурных элементов.
Существует одна важная деталь, которую нельзя упускать при сканировании телебашни ввиду специфики архитектурных решений — это «теневые» зоны, неизбежно возникающие по ходу следования сканирующей системы, именно поэтому система использует дополнительную фотосъемку, которая позволяет при помощи оцифрованных снимков получить модель «теневой» зоны.
Практическое воплощение способа реализуется следующим образом: лазерный сканер закрепляется на крыше автомобиля, в кузов которого садится инженер-геодезист, который отслеживает процесс съемки, а также оперативно реагирует на возможные внештатные ситуации. Система снабжена ноутбуком, при помощи которого по беспроводной сети с прибором ведется наблюдение. Маршрут автомобиля прокладывается по спирали от проекции центра вышки на фундамент с началом от ближайших стационарных объектов (около 300 м) для использования закрепленных меток. Постепенное движение по спирали позволит получить облако точек с повышением плотности, а следовательно, и точности, к вершине башни, что позволит создать наиболее близкую к реальности трехмерную модель. Движение машины должно происходить со скоростью не выше 10 км/ч даже при учете высокой скорости сканирования обстановки. Расстояние между витками спирали не менее 20, но не более 35 м. В случае отклонения от намеченной трассы при первичном замере съемку необходимо прекратить и продолжить после устранения препятствия.
С каждой спирали сканирования получается свыше 1000 «снимков», которые при помощи программного обеспечения сортируются, откидываются повторяющиеся до заданного заранее количества. При этом, чем выше точка замера от основания, тем большее количество повторов должно сохраняться в системе.
Примерное время, затрачиваемое на съемку, составит около 1,5 ч, то есть аренда оборудования не будет дорогостоящей, при этом съемку нельзя заканчивать номинальным завершением: при оповещении программного обеспечения об обнаружении выпадающих измерений съемку нужно повторить по траектории той спирали, на которой обнаружено нарушение. Отметим, что существует зависимость линейного шага сканирования по вертикали от высоты сканера относительно снимаемого объекта, что имеет важное значение при обследовании объектов высотой свыше 50 м.
Для наблюдения за деформациями сооружений целесообразно применять наклономерные, геодинамические и геодезические методы наблюдений. При этом между ними должна быть установлена самая тесная связь, т.е. для оценки смещений оснований инженерных сооружений следует использовать комплексный подход.
Еще одной проблемой является получение зон «перекрытия», когда одна и та же точка снимается с нескольких ракурсов с отклонением значений в несколько минут. Решение подобной задачи возможно за счет применения ранее упомянутых контрольных марок, заранее привязанных к пунктам опорной сети с точностью 1-2 см. Такой метод позволил повысить точность получаемых данных. Затем для полного совмещения всех видов данных применяются связующие точки, выбираемые в зонах перекрытия данных. В качестве исходной информации для набора связующих точек используют точки лазерных отражений мобильного сканирования. Для каждой точки стояния наземного сканера (сканпозиции) выбирается не менее пяти связующих точек и не менее трех контрольных, заранее замаркированных на местности. Для совмещения данных цифровой съемки и мобильного сканирования необходимо использовать не менее трех связующих и одну контрольную точку на 0,5 погонного километра. В качестве контрольных точек в этом случае будут выступать четко распознаваемые углы строений и разнообразных конструкций, а также вешки на опорах башни. В результате абсолютная точность совмещения данных разных видов съемки с данными мобильного сканирования составляет не более 5 см.
В настоящее время создается единая ГИС-система, в которой будет осуществлена интеграция различных видов сканирования 3D-моделей высотных зданий с базами данных. Ее преимущество, достигаемой за счет работы с данными в трехмерном пространстве. Мобильное лазерное сканирование в настоящее время не достигло реализации всего спектра возможностей, тем не менее, в случае анализа деформации здания, точность метода не только достаточна, но и наиболее эффективна в применении, так как ни один из существующих методов не позволяет решить проблему слепых зон, которые при учете структуры объекта, являются наиболее серьезной проблемой. В целом применение мобильного сканирования для изучения деформации высотных сооружений в настоящее время не применялось, но полученные результаты с применением данного метода не раз доказали, что технология не требует дополнительных методов съемки и сканирования, в отличие от уже зарекомендовавших себя способов получения данных о пространственных характеристиках объекта.
А.Р. Валиева
Московский государственный университет геодезии и картографии