Оборудование

Опыт использования технологий лазерного сканирования для топографической съёмки и сканирования промышленных объектов в условиях горной местности

В последние годы для выполнения крупномасштабной топографической съёмки всё чаще используются наземные лазерные системы. Это обусловлено тем, что со стороны заказчиков постоянно повышаются требования к скорости производства, качеству и достоверности результатов. Современные технологии лазерного сканирования вполне способны удовлетворить перечисленные требования.
В качестве примера в данной статье приведено описание выполненного проекта по топографической съёмке района строительства и исполнительной съемке основных сооружений Рогунской гидроэлектростанции.

Рогунская ГЭС располагается в Республике Таджикистан на реке Вахш, на 70 км выше действующей Нурекской гидроэлектростанции, примерно в 100 км от столицы республики — г. Душанбе. Высота станции над уровнем моря составляет 1100 метров.
Строительство гидроузла было начато в 1978 году и продолжалось при сравнительно низких темпах до 1992 года — даты фактического распада Советского Союза, когда финансирование строительства ГЭС было прекращено. Свою негативную роль сыграл и природный фактор: из-за чрезмерно длительной эксплуатации временных сооружений, значительная часть построенного была разрушена в паводок 1993 г., когда были затоплены туннели и подземные залы ГЭС. Строительные работы возобновились лишь в 2007 году. Предполагается, что ГЭС станет крупнейшей в Средней Азии станцией с самой высокой (335 м) плотиной в мире.

В настоящее время проектирование строительных работ на ГЭС ведёт компания «Институт Гидропроект», где субподрядчиком по проведению геодезических работ выступила компания «Навгеоком Инжиниринг». Во втором полугодии 2009 года специалисты этой компании выполнили инженерно-геодезические изыскания, целью которых было создание топографических планов местности (масштаб 1:500) и цифровых моделей основных подземных сооружений Рогунской гидроэлектростанции.

Как отмечают специалисты, выполнение измерительных работ на ГЭС при использовании традиционных геодезических методов заняло бы от 6 до 8 месяцев. Достоверность съемки в этом случае была бы явно недостаточной, т.к. измерения в таком случае выполняются тахеометром в безотражательном режиме и распознавать элементы, находящиеся за сотни метров от прибора, весьма затруднительно. Маловероятным было и использование фототеодолитного метода съёмки, поскольку это слишком трудоёмкий процесс — в этом случае многочисленные станции пришлось бы размещать на склонах ущелья, что можно сделать только при помощи вертолета.
В сложившейся ситуации было принято оптимальное решение — проводить геодезические съемки при помощи лазерного сканера. Условия проведения работ были, без преувеличения, экстремальными. Для горной местности Таджикистана характерен резко континентальный климат, когда высокие дневные температуры воздуха чередуются с ночными заморозками. Наружная съёмка осложнялась непроходимостью отдельных горных участков: найти оптимальное месторасположение станций, несмотря на наличие временных дорог вдоль речных русел, удавалось далеко не всегда. Достичь необходимой точности измерений было сложно из-за соседствующих в районе съемок горных пород с разной отражающей способностью. Это резко снижало рабочую дальность и плотность измерений.

Перечисленные факторы требовали от исполнителей проекта ежедневно принимать оперативные решения для безопасного проведения работ и поддержания работоспособности дорогостоящего оборудования. Специалисты «Навгеоком Инжиниринг» выполнили все работы по съёмке в три этапа за 49 полевых дней бригадой из 3-х человек.

Съёмки проводились:
  • вдоль русла реки Вахш на 3-километровом участке ущелья (крутизна скал и ущелий ~ 50° при высоте — 400-500 м) — всего 82 Га (в плане);
  • на склонах и скалах по руслу реки Обишур — 50 Га (в плане);
  • на искусственных сооружениях Рогунской ГЭС: мостах, входных и выходных порталах, дорогах, площадках, террасах для врезки тела плотины, входах основных и строительных тоннелей;
  • в подземном машинном зале (длина 220 м, ширина 22 м, максимальная высота 78 м);
  • в подземном трансформаторном зале (длина 200 м., ширина 20 м., максимальная высота 40 м.);
  • в подземной затворной камере (90×17×21 м) с участками строительных туннелей ГЭС, (1-й участок: 200×19×9 м, 2-й участок: 113×19×10 м).

Первые 2 этапа работ проводились вдоль р. Вахш и внутри подземных сооружений ГЭС (общая площадь работ — 82 Га). Съёмка выполнялась методом «известной станции», когда с пунктов строительной геодезической сети фиксировалась точка стояния лазерного сканера и 1-2 марки ориентации. Эти же марки определялись сканированием, поэтому в итоге все сканы «усаживались» (сшивались) в координатное пространство геодезической сети. Месторасположение станций лазерного сканера выбиралось так, чтобы обеспечить равномерную съёмку всех объектов. Для топосъемок устанавливалась плотность сканирования в 25 точек на один м² при фокусе в 100 м. Для съёмки сооружений плотность повышалась до 40 тысяч точек на один м² при фокусе в 30 м.
Третий этап проходил вдоль русла селеопасного притока Вахша — реки Обишур, впадающей в него ниже выходов отводных тоннелей. Для обеспечения безопасности работ был использован лазерный сканер Leica HDS4400 с высокой дальностью измерений. Съёмка также выполнялась методом «известной станции», но в качестве марки ориентации выступала предыдущая точка месторасположения сканирующего устройства. Стоит отметить, что сканер отлично проявил себя в сложных горных условиях: его рабочая дальность в реальности составила 650 м.

В результате проведения полевых работ для каждого объекта был получен набор отдельных сканов и соответствующие координаты марок. Привязка участков съёмки, невидимых с пунктов строительной сети, осуществлялась путем координации тахеометром крайних станций с их марками. Лазерным сканером по невидимым (с пунктов) участкам прокладывался самостоятельный ход: с каждой предыдущей станции привязывалась точка следующей станции и 1-2 марки ориентации. Сшивка сканов в облако точек производилась автоматически, а точность процесса сшивания контролировалась по отчётам. Если для отдельных сканов выявлялась неточность привязки, то переделывать полевые работы не требовалось, т.к. такие сканы подшивались к единому облаку точек методом «сшивки по контурам». После соединения сканов в местной системе координат, было получено единое облако точек, которое после обработки данных представлено в виде 3D-модели Огромное количество измерений позволяет получить наиболее достоверные полевые данные об объекте и создать точную 3D-модель. На настоящий момент ни одна другая технология не в состоянии обеспечить такое количество измерений за столь краткое время.

По окончании съёмки каждого объекта, в камеральный отдел оперативно передавались цифровая 3D-модель, фотографии и абрисный журнал с нанесённой ситуацией. Завершающий этап работы проходил в программе Autodesk Civil 3D, где по цифровой модели строился рельеф. Далее, в программе Autodesk AutoCAD производилось окончательное вычерчивание топопланов, где сооружения и другие детали местности идентифицировались в облаке точек и чертились по отчётливо различимым габаритам и характерным точкам. В результате получился подробный и достоверный план горной местности района строительства Рогунской ГЭС. Совокупность выполненных горизонтальных и вертикальных сечений, находящихся в исходной системе координат, составила векторную 3D-модель в среде AutoCAD. Топопланы и 3D-модели сооружений были переданы заказчику в электронном виде в формате AutoCAD.

Практические преимущества использования 3D-технологий лазерного сканирования перед традиционными методами проведения топографической съёмки — очевидны. Как подчеркивают специалисты, к ним в первую очередь относятся:
  • Высочайшая скорость измерений, несоизмеримая с традиционными методами;
  • Существенное сокращение временных и других ресурсных затрат, что особенно заметно на полевом этапе работ;
  • Избыточность измерений, что позволяет не только повысить точность и качество работ, но и получить массу дополнительной информации об объекте.

Также с помощью лазерного сканирования стало возможным:
  • Проводить измерения без остановки производственного процесса предприятия, что в целом повышает безопасность выполнения работ — меньше требуется передвижений по опасному объекту, при этом дистанционных измерений делается больше;
  • Выполнить на рабочем компьютере любые измерения геометрических параметров на поверхности объекта (без дополнительных полевых измерений) по полученной цифровой 3D-модели;
  • Экспортировать в любую систему автоматизации проектных работ (САПР) результаты измерений, представленные в виде цифровой и/или векторной 3D-моделей;
  • Сохранять в цифровом виде актуализированную на дату проведения съёмки информацию об объекте (3D-модель), что в дальнейшем может быть использовано как для мониторинга процессов, так и для решения других задач, связанных с повседневной деятельностью объекта.

Авторы:
ООО «Навгеоком Инжиниринг»
Руководитель проекта, ведущий инженер Александр Кузнецов,
Ведущий инженер Владимир Семыкин
2010 год



Материалы


к другим проектам