Лазерное сканирование представляет собой передовую бесконтактную технологию трёхмерного измерения объектов и поверхностей. По сравнению с традиционными оптическим и спутниковым геодезическими методами технология лазерного сканирования характеризуется феноменальной детальностью, невероятной скоростью, высокой точностью измерений. Данная технология является поистине революционной в сфере инженерных изысканий, поскольку именно его появление предопределило мощный качественный рывок всей отрасли. Сегодня лазерное сканирование широко применяется в архитектуре, промышленности и энергетике, геодезии и маркшейдерии, на объектах транспортной инфраструктуры, в гражданском и промышленном строительстве, добывающей отрасли, археологии, востребована она также и во многих других отраслях производства и народного хозяйства.

Что такое трёхмерное лазерное сканирование?

Что необходимо сделать для построения точной трёхмерной модели здания или чертежа цеха? Безусловно, сначала провести измерения и получить координаты всех объектов (пространственные x,y,z или x,y на плоскости), а затем уже представить их в нужном графическом виде. Именно измерения координат объекта, иначе говоря, съёмка, составляют наиболее трудоёмкую и затратную часть всей работы. Как правило, геодезисты или другие специалисты, проводящие измерения, используют современное оборудование, в первую очередь электронные тахеометры, которые позволяют получать координаты точек с высокой точностью (до нескольких миллиметров).

Принцип работы электронного тахеометра основан на отражении узконаправленного лазерного пучка от отражающей цели и измерении расстояния до неё. Отражателем в общем случае служит специальная призма, которая крепится на поверхности объекта. Определение двух углов (вертикального и горизонтального) и расстояния даёт возможность вычислить трёхмерные пространственные координаты точки отражения. Скорость измерения тахеометра невысока (не более 2 измерений в секунду). Данный метод эффективен при съёмке разреженной, малозагруженной объектами площади, однако даже и в этом случае сложности, с которыми приходится сталкиваться при креплении отражающих призм (на большой высоте или в труднодоступном месте), зачастую оказываются непреодолимыми.

Относительно недавнее появление безотражательных электронных тахеометров, которые работают без специальных отражателей, произвело «бархатную» революцию в геодезии - теперь стало можно проводить измерения без долгих и утомительных поисков лестниц для подъёма отражателя под крышу дома, всевозможных подставок для установки призмы над полом в помещении с высокими потолками и других подобных сложностей - достаточно лишь навестись на необходимую точку, ведь луч может отражаться от любой ровной поверхности.

При использовании метода традиционных тахеометрических измерений, сколько времени, например, потребуется для детальной съёмки фасада здания высотой 20 м или цеха металлургического завода площадью 2 га? Недели, месяцы? Применение безотражательного тахеометра может значительно сократить сроки, но, тем не менее, даже в данном случае специалист проведет за прибором долгие часы и дни. А с какой же плотностью он сможет выполнить съёмку фасада - одна точка на квадратный метр? Навряд ли этого будет достаточно для построения высококачественного подробного чертежа со всеми необходимыми элементами. А теперь представьте, что у вас есть безотражательный тахеометр, который ведёт съёмку автоматически, без участия оператора, со скоростью 5 тысяч измерений в секунду! Ещё совсем недавно такое предложение представлялось не менее фантастичным, чем полет на Луну сто лет назад. Сегодня это стало так же реально, как и следы американских астронавтов или русского «Лунохода» на поверхности нашего небесного соседа. Название этого чуда - лазерное сканирование . Это метод, который позволяет создавать цифровые модели всего окружающего пространства, представляя его набором (облаком) точек с пространственными координатами.

Съёмка со скоростью 5 тысяч точек в секунду была чудом, когда технология лазерного сканирования только начинала завоёвывать мир геодезических изысканий. Сейчас же современные лазерные сканеры позволяют выполнять съёмку с поистине невероятной скоростью - более миллиона точек в секунду ! Это действительно в значительной степени сокращает трудозатраты на полевой этап работ, при этом давая возможность оперативно получать сверхподробные данные результатов измерений с высокой точностью.

Где применяется лазерное сканирование?

Как многие технические новшества и технологии, недавно вышедшие из лабораторий ученых, лазерное сканирование находится только в начале пути освоения разнообразных приложений. Но уже сейчас можно перечислить несколько технологических сфер, в которых 3D лазерные сканеры применяются все более активно и уже достаточно давно стали практически незаменимыми:
- съемка промышленных объектов (заводы, нефтеперерабатывающие заводы, сложное производство);
- съемка объектов энергетики (атомные, гидро- и тепловые электростанции);
- съемка мостов;
- съемка и профилирование тоннелей;
- промышленные измерения (определение объемов резервуаров, жидких и сыпучих материалов);
- горная промышленность;
- реставрация и строительство;
- архитектура и археология.

Еще недавно для составления точных схем и чертежей, максимально детально отражающих реальность, требовалось много трудозатрат, людей и большого набора аппаратуры. Даже с появлением тахеометров в широком доступе, большие или сложные объекты воплощались в чертежах спустя долгое количество времени. GPS-приемники упростили эти задачи, но всё же недостаточно. Однако, инженерную мысль не остановить и сейчас на рынке стали доступны наземные лазерные сканеры. С помощью этих компактных устройств можно проводить работы любой сложности, получая конечную исполнительную съемку в максимально сжатые сроки, а существенно снижается. 3D-сканер, как и все дальномерные лазерные устройства, получает необходимые данные методом измерения расстояния до объекта, а также горизонтальных и вертикальных углов. Важное отличие от большинства электрооптических и электронных устройств заключается в том, что в данном случае процесс полностью автоматизирован.

Лазерный сканер устанавливается на землю на штативе, он приводится в рабочее положение, затем оператор на подключенном компьютере задает границы работ и запускает процесс. Дальше всё делает автоматика, геодезисту остается лишь контролировать происходящее. Преимуществом этой технологии является скорость съемки – за одну секунду устройство может снять пространственные координаты около 1 миллиона точек. Это существенно быстрее работы геодезиста за тахеометром. Такие темпы смогут сократить время на обработку данных и подготовку всех необходимых документов.

Существуют разные виды лазерного сканирования, но наиболее популярным и востребованным сегодня является наземное сканирование. Оно применяется для составления трехмерной модели зданий, сооружений, памятников архитектуры, сложных конструкций, промышленных узлов и многого другого. Интерес к этой технологии постоянно растет и есть смысл заказывать услугу у специалистов, так как оборудование для этих работ остается еще весьма дорогим. Геодезическая компания «ГлавГеоСъёмка» располагает всеми необходимыми инструментами для проведения сканирования, а наши специалисты имеют высокий уровень профессионализма для решения любых задач.

Что такое лазерный сканер?

Основным инструментом геодезиста на данных работах является лазерный сканер. Так как эта технология еще весьма молода, немногие знакомы с ее устройством и не все понимают, что из себя представляет этот аппарат. Сканер – это компактная конструкция, габариты которой несильно превышают размеры тахеометра. Ведущие фирмы, производящие геодезическое оборудование, сегодня занимаются выпуском этих гаджетов, и их совершенствование продолжается. Возможно, в ближайшем будущем мы увидим еще более миниатюрные сканеры, которые можно будет уместить в небольшом футляре. Но пока технологии не позволяют сделать аппарат, который бы был универсальным, подходящим под любые задачи. Например, для подсчетов объемов выемки грунта повышенная точность не важна. Зато становятся важными дальность действия лазера и его степень защиты от напастей природы. То же самое касается и горных выработок, когда нужно лишь подсчитать объем изымаемой земли или полезных ископаемых и вести мониторинг за состоянием выработки.

Где применяется лазерное сканирование?

Список областей, где лазерный сканер становится всё популярнее, растет с каждым годом. Если еще недавно это были некие эксперименты, то сейчас работы поставлены на поток. Архитекторы и реставраторы часто применяют в своей работе трехмерные модели, изготовленные геодезистами. С помощью компьютерной графики они могут досконально изучить фасады исторических зданий, памятники архитектуры, провести экспертизы, составить проект по реконструкции и подсчитать сметы. Инженеры для расширения и ремонта существующих узлов промышленных систем стали прибегать к услугам 3D-сканеров. Благодаря той детальности, с которой это устройство получает окончательную модель, специалисты могут точнее проанализировать места поломок или подключения новых агрегатов.

Строители на горных выработках получат данные об объемах работ гораздо быстрее, чем это мог бы сделать геодезист за тахеометром – тот объем, что совершается сканером за одну секунду, может отнять у специалиста за электрооптическим прибором не один год. Поскольку процесс автоматизирован, человеческий фактор нивелируется полностью – сканер обрабатывает все мельчайшие детали, на которые может не обратить внимания человек. На самом деле, список сфер еще весьма внушителен – мониторинг зданий и сооружений, наблюдение за деформациями, дорожная съемка, горнодобывающая промышленность, создание и обновление карт и так далее.

Всё больше и больше компаний осознают преимущества использования лазерного сканера. Несмотря на кажущуюся простоту, этот процесс требует профессионализма, как на полевом этапе, так и на этапе камеральной обработки – мало просто запустить прибор и отснять объект, нужно еще и подготовить требуемый чертеж, схему, модель. Именно поэтому вам стоит обратиться в компанию «ГГС-Геодезия» - мы располагаем всем необходимым оборудованием, а наши специалисты являются лучшими в своем деле.

Лазерный сканер называют по-разному: наземным лазерным сканером, лазерной сканирующей системой или трехмерным лазерным сканером. Главное, что все эти термины обозначают одно устройство.

Работа сканера заключается в том, что он на высокой скорости сканирует поверхность, определяет ее характеристики, преобразует их в цифровой вид в трехмерной системе координат. Это устройство совсем недавно начали использовать в геодезии, и лазерные системы сканирования отлично подошли для этого вида работ.

Перед началом работы задается область сканирования. Это угол поворота зеркала, в переделах которого с большой скоростью распространяется лазерный луч. Область сканирования можно задавать до 360° по горизонтали (то есть полный круг) и до 270° в вертикальном направлении. Таким образом, можно производить геодезическую съемку практически всех точек вокруг лазерного сканера. Это позволяет обойтись минимальным количеством приборов.

Во время работы для каждой отсканированной точки определяются три пространственные координаты, которые записываются в виде числового массива. Кроме того, для каждой точки определяется ее цвет.

Главные преимущества лазерной сканирующей системы:

высокая точность измерений,

возможность создания различных чертежей, в частности, чертежей сечений,

измерения проводятся с высокой скоростью

обработка данных происходит практически мгновенно, что немаловажно для работы в полевых условиях,

есть возможность сравнивать полученную информацию с проектной моделью, что облегчает контроль качества работы,

по результатам съемки можно составлять топографические планы,

возможность геодезической съемки труднодоступных и опасных объектов,

возможность автоматического сравнения результатов сканирования с предыдущими для определения величины деформации.

Принцип работы прибора основан на выполнении измерений дальности до объекта съемки, с помощью лазерного безотражательного дальномера, а также и определении горизонтального и вертикального углов, для каждой точки интересующего нас объекта. Измерения производятся с высокой плотностью и точностью, что впоследствии позволяет создать трехмерную математическую модель объекта съемки. Процесс выполнения съемки автоматизирован. Преобразование полярных координат точек лазерных отражений в Декартовы производится автоматически.

На сегодняшний день системы лазерного сканирования получают все большее распространение. Преимущества данной технологии перед традиционными методами очевидны. Использование систем лазерного сканирования значительно повышает производительность, сокращаются затраты времени на полевые работы и камеральную обработку. Также появляется возможность бесконтактной съемки объектов, что особенно важно на объектах с повышенной опасностью.

Принцип действия систем сканирования состоит в безотражательном измерении расстояния до цели, при помощи лазера, и значения угла, определяющего направление распространения лазера. В результате получается точка с известными координатами. Поле зрения наземного лазерного сканера составляет от 40 х 40 до 180 х360. Точность регистрации поверхности составляет от нескольких миллиметров до 5 сантиметров, в зависимости от расстояния, отражающей способности поверхности и разрешения. Такое геодезическое оборудование как лазерный сканер имеет дальность действия от 1 до 2500 метров, в зависимости от особенностей конкретного прибора.

Комплект оборудования состоит из собственно лазерного сканера, портативного компьютера со специальным программным обеспечением, аккумуляторов и зарядного устройства. В последнее время на лазерных сканерах все чаще встречается встроенная камера высокого разрешения, позволяющая одновременно с облаком точек получать реальные изображения поверхности. Системы лазерного сканирования, устанавливаемые на автомобилях (так называемые, системы мобильного сканирования) могут дополнительно комплектоваться спутниковыми приемниками и специальными датчиками колес (одометрами).

Процесс работы на станции предельно прост. Через персональный компьютер или (на некоторых моделях) через котроллер задается необходимое поле сканирования, плотность сканирования (разрешение) и запускается сам процесс съемки.

Получаемое "облако точек" выдается на монитор, или экран контроллера, непосредственно в процессе измерения в реальном времени, по мере следования лазерного луча по объекту. Данный массив точек можно сразу же просматривать, вращать и выполнять необходимые измерения. Для удобства визуализации по желанию пользователя изображение может окрашиваться в цвета показывающие интенсивность лазера, удаление цели от прибора, или в реальный цвет.

Эффективность применения лазерного сканирования наиболее ярко проявляется в том случае, когда съемка объекта необходима с высокой подробностью и точностью.

Выводы по главе

Обеспечение геодезическими данными при проведении при топографических работах производилось сложно и отнимало много времени на измерения. Теперь, при быстром развитии науки на замену старым методикам и приборам пришли электронные и лазерные геодезические приборы. Проведённый в работе анализ получения данных, качество обработки результатов наблюдений демонстрирует существенные преимущества современных приборов.

Охрана окружающей среды

Годы независимости в Казахстане стали годами образования и становления совершенно новой государственной системы обеспечения экологической безопасности, управления охраной окружающей среды и природопользованием - хорошо организованной и территориально разветвленной системы исполнительных органов в области охраны окружающей среды Республики Казахстан. Это обеспечило формирование и последовательную реализацию государственной политики в области охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов.

Однако на протяжении многих десятилетий в Казахстане складывалась преимущественно сырьевая система природопользования с экстремально высокими техногенными нагрузками на окружающую среду. Поэтому кардинального улучшения экологической ситуации пока не произошло и она по-прежнему характеризуется деградацией природных систем, что ведет к дестабилизации биосферы, утрате ее способности поддерживать качество окружающей среды, необходимое для жизнедеятельности общества.

Однако,с момента принятия Концепции экологической безопасности в Республике Казахстан произошли серьезные перемены в общественном развитии. Разработаны стратегические документы развития государства, создана основа природоохранного законодательства, подписан ряд международных конвенций по вопросам охраны окружающей среды, создана система управления природоохранной деятельностью.

Целью государственной политики в области экологической безопасности является обеспечение защищенности природных систем, жизненно важных интересов общества и прав личности от угроз, возникающих в результате антропогенных и природных воздействий на окружающую среду.

Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:

снижение антропогенного воздействия, ведущего к изменению климата и разрушению озонового слоя Земли;

сохранение биоразнообразия и предотвращение опустынивания и деградации земель;

реабилитация зон экологического бедствия, полигонов военно-космического и испытательного комплексов;

предупреждение загрязнения шельфа Каспийского моря;

предупреждение истощения и загрязнения водных ресурсов;

ликвидация и предотвращение исторических загрязнений, загрязнения воздушного бассейна, радиоактивного, бактериологического и химического загрязнений, в том числе трансграничного;

сокращение объемов накопления промышленных и бытовых отходов;

предупреждение чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера.

Охрана окружающей среды при производстве топографических работ

При производстве топографических работ следует уделять большое внимание вопросам охраны природы. При этом необходимо стремиться к максимальной сохранности лесных и пахотных земель, пастбищ и других сельскохозяйственных угодий. Прокладку опорных ходов нужно выпол­нять по возможности вдоль дорог и троп, располагая центры и реперы в местах отсутствия лесонасаждений и сельскохозяйственных культур. При передвижении транспорта необходимо свести к минимуму повреждения ценных угодий и проведение лесных вырубок; с этой целью следует стре­миться к более широкому использованию аэрогеодезических методов из­мерений. При развитии съемочного обоснования нужно по возможности использовать естественные контуры и местные объекты для размещения опорных точек, чтобы исключить нанесение ущерба природе.

При выполнении работ в населенных пунктах запрещается произво­дить измерения на газонах, в огородах и других местах искусственных насаждений, рубить деревья и кустарники, ломать ветки. Нельзя засо­рять территорию и водоемы бытовыми отходами, выбрасывать бумагу, упаковочные материалы, банки, бутылки, они должны быть сло­жены в ящики и контейнеры для сбора мусора.

Все работники должны быть проинструктированы о соблюдении установленного на предприятии противопожарного режима. При изменении специфики работы рабочих и служащих предприятия проводится повторный инструктаж или организуются занятия по пожарно-техническому минимуму. По окончании прохождения пожарно-технического минимума принимаются зачеты. В процессе работы необходимо предпринимать меры, исключающие загрязнение водных источников и окружающей среды, сохранять и охра­нять леса, торфяники и сельскохозяйственные посевы от пожаров. Прави­лами пожарной безопасности запрещается разводить костры возле нефте­продуктов и других легковоспламеняющихся веществ, вблизи деревьев, кустарников и спелых посевов, в местах с подсохшей травой, на торфяни­ках. Костры следует окапывать канавой и тщательно гасить, засыпая пес­ком, землей или заливая водой. Нельзя бросать на землю горящие спички и тлеющие окурки в сухом лесу или на лугу с высохшей травой.

По результатам топографической съемки составляется подробный план с нанесением границ участка, естественного рельефа местности, наличия и характера природных водоемов. Топографическая съемка, а именно - фотографирование из космоса применяется для контроля состояния окружающей среды. На космических снимках регистрируются почти все виды загрязнений воздушной и водной сред и почв как результат промышленной деятельности человека. Процессы загрязнения окружающей среды, ежедневно происходящие на громадной территории очень динамичны. Поэтому космические съемки имеют особое значение для их регистрации.

Охрана труда

На условия и охрану труда в настоящее время определяющее влияние оказывают экономическое положение организаций, состояние материально-технической базы производства, уровень используемых технологий, развитость научно-технических и экономико-правовых институтов по защите работающих. Такое положение объясняется тем, что во многих организациях республики отсутствуют службы безопасности и охраны труда, а в тех организациях, где созданы эти службы, они укомплектованы слабыми, недостаточно квалифицированными кадрами.

На рабочих местах недостаточно качественно проводится обучение работников безопасным приемам работ и инструктажи по технике безопасности. К тому же на предприятиях, в том числе на объектах базовых отраслей промышленности, крайне медленными темпами осуществляется техническое перевооружение производств.

Система управления охраной труда, действующая в настоящее время, построена на принципах реагирования на страховые случаи, а не на принципах их профилактики, что является одной из серьезных проблем. Анализ системы управления охраной труда на предприятиях свидетельствует о необходимости активного применения наряду с правовыми, административными, организационными подходами научно-исследовательских, социальных, экономических рычагов управления охраной труда, обеспечивающих улучшение условий труда и снижение профессионального риска.

Надо признать, что сегодня влияния неблагоприятных производственных факторов на здоровье работников на производстве практически не изучаются, фиксируются лишь последствия, приведшие к несчастным случаям, а не причины их возникновения. Основное внимание уделяется не предупреждению случаев повреждений здоровья работников, а компенсационным мероприятиям при наступлении несчастных случаев.

Приоритетность компенсационных мер по возмещению вреда пострадавшим на производстве в ущерб превентивным мерам является причиной ситуации, когда обеспечение профилактических и защитных мероприятий по охране труда производится по остаточному принципу.

На предприятиях Астаны за прошедший год произошло 157 несчастных случаев. Основная причина – неосторожность сотрудников, 30 человек погибли.

Из общего числа пострадавших женщин составило 16,6%. При этом 8 человек пострадало при групповых несчастных случаях. Главной причиной несчастных случаев являлась грубая неосторожность пострадавшего. По этой причине пострадало 76 человек, из них 9 погибло.

К примеру, в результате несчастного случая 71 человек получил закрытые переломы, 17 человек – открытые переломы, другие переломы (с вывихом, со смещением) – 10 человек. Поверхностные травмы, ушибы, травмы от поверхностного инородного тела (без больших открытых ран), укусы насекомых (неядовитые) получили 29 человек. Травмы от сотрясения и травмы внутренних органов зафиксированы у 26 человек, ожоги – 7 человек. Наибольшее число пострадавших - квалифицированные рабочие в возрасте от 18 до 29 лет, работавшие в первую смену.

Неудовлетворительное состояние здоровья работающего населения негативно отражается на экономике страны. Наряду с экономическими потерями из-за неудовлетворительных условий труда, производственного травматизма и профессиональных заболеваний республика несет большие социальные издержки.

По данным Агентства Республики Казахстан по статистике материальные последствия несчастных случаев, включая выплату по листу нетрудоспособности, доплаты до прежнего заработка или при переводе на другую работу и единовременные пособия, в 2014 г. составили 1,2 млрд тенге. На льготы и компенсации за работу во вредных условиях труда в 2014г. было затрачено более 52 млрд тенге, что на 28,8% больше, чем в 2000г. (более 40 млрд тенге), или 0,02% ВВП (21 514 млрд тенге).

Правила безопасности и охрана труда при топографической съемке местности

До начала полевых работ в экспедициях и полевых партиях должны быть проведены организационно-технические мероприятия, направленные на создание безопасных и здоровых условий труда при выполнении полевых работ. В период составления проектов должны учитываться следующие организационные вопросы, связанные с охраной труда: вид транспорта и порядок передвижения по участку работ; водные переправы и переходы через сложные горные перевалы и труднодоступные участки; сроки проведения работ по участкам; размещение баз партий, подбаз и лабазов, организация радиосвязи и порядок обеспечения бригад продуктами; необходимость и порядок организации перегона транспорта и доставка людей к месту работы; наиболее приемлемые технологические схемы работ.

Проект организации полевых работ экспедиции должен состоять из проектов организации работ партий, рабочих и технических проектов производства полевых работ и подробной объяснительной записки о выполнении мероприятий по охране труда в период подготовки к полевым топографо-геодезическим работам.

Перед началом работы геодезист должен надеть специальную одежду и специальную обувь с учетом погодных условий, а также сигнальный жилет и защитную каску; при необходимости, нужно проверить наличие и подготовить к использованию средства индивидуальной защиты от воздействия опасных и вредных производственных факторов.

Спецодежда должна быть соответствующего размера, чистой и не стеснять движений.

Прежде чем приступать к работе, необходимо внимательно осмотреть место предстоящей работы, привести его в порядок, убрать все посторонние предметы и подготовить ограждения и дорожно-сигнальные переносные знаки для их установки в местах возможного прохода людей и проезда автотранспорта.

1. В солнечные дни обязательно работать с покрытой головой. При работе в поле на солнце без головного убора воздействие инфракрасных солнечных лучей может вызвать солнечный или тепловой удар.

2. Не разрешается ложиться или садиться на сырую землю и траву – это может вызвать сильную простуду и тяжелые заболевания.

4. В сухое время года использовать легкую обувь, полуботинки, тапочки.

5. При работе вдоль дороги запрещается размещать инструменты и работающих на проезжей части.

6. Запрещается топтать и портить посевы, зеленые насаждения, ходить по газонам, портить заборы и т.п., оставлять забитые колышки.

7. Основное время рабочего дня геодезист и топографист находятся на ногах, поэтому обувь необходимо подбирать по ноге, соблюдать гигиену.

10. Необходимо выполнять установленный распорядок. В часы прохождения практики не разрешается самовольно отлучаться из бригады, не поставив в известность руководителя практики или бригадира.

11. При интенсивном движении городского транспорта расстояние следует определять аналитически с расположением базиса на тротуаре или в другом безопасном месте.

12. На действующей автомобильной дороге промер линий следует вести по бровке.

14. При работе на городских улицах запрещается носить рейки, вешки на плечах.

15. Необходимо осторожно обращаться со стальной мерной лентой при разматывании ее.

16. В случае укуса змеи или ядовитых насекомых нужно немедленно и крепко перевязать пораженную часть тела выше укуса на 10-15 см.

Сообщить руководителю и немедленно обратиться к врачу.

17. О каждом несчастном случае, в результате которого пострадавший оставляет место работы, руководитель практики немедленно должен быть уведомлен.

50 лет назад для составления точных схем и чертежей требовалось много людей и большой набор аппаратуры. С появлением тахеометров, сложные объекты стали переносить на чертежи в течение нескольких недель. GPS-приемники упростили эти задачи, но всё же недостаточно.

Сейчас на рынке стали доступны лазерные сканеры. С помощью этих устройств можно проводить геосъемку любой сложности и получать результаты за 1–2 дня. Как все дальномерные лазерные устройства 3D-сканер, получает необходимые данные методом измерения расстояния до объекта, горизонтальных и вертикальных углов. Этот процесс полностью автоматизирован.

Лазерный сканер ставят на штатив и приводится в рабочее положение. Затем оператор на подключенном компьютере задает границы работ и запускает лазерное сканирование . Дальше всё делает автоматика, геодезист только контролирует процесс.

Что такое лазерный сканер

Основной инструмент геодезиста при лазерной геосъемке – сканер.
Это компактная конструкция, ее габариты соответствуют размерам тахеометра.

Сканеры различаются по точности, дальности действия лазера и прочности корпуса. Для подсчетов объемов выемки грунта важным фактором становится дальность действия и степень защиты от плохих погодных условий.

Если речь идет о съемке фасадов жилых зданий, объектов культурного наследия или промышленных комплексов, то главное – точность сканирования и детализация.

Лазерный сканер дальномером вычисляет расстояние до частей объекта и преобразует их в облако точек или 3D-модель. Готовая компьютерная схема выглядит как полноценное цифровое фото, которым можно манипулировать на компьютере.

Следующий этап обработки зависит от указаний заказчика. Могут понадобиться разрезы, профили, развертка участков и элементов, плоские чертежи, исполнительные съемки для подтверждения объемов и иные материалы. Важно заранее составить техническое задание, в котором будут указаны все детали, чтобы не пришлось вызывать специалиста несколько раз.

В настоящее время при проведении геодезических работ все чаще применяются современные лазерные технологии. В основе лазерного сканирования лежит способность луча лазера отражаться от наземных объектов или поверхности земли. Лазерное сканирование позволяет фиксировать абсолютно все особенности рельефа, максимально быстро получать трехмерную визуализацию даже труднодоступных объектов.

Всего в геодезии используются два вида работ: наземное и воздушное лазерное сканирование.

Наземное лазерное сканирование позволяет получать планы высокого уровня детализации, а также создавать трехмерные модели объектов.

При воздушном лазерном сканировании лазерный сканер размещают на воздушном судне, этот способ применяют в различных отраслях - от нефтегазовой промышленности до дорожного хозяйства.

Лазерное трехмерное сканирование делает возможной сплошную съемку объекта с большой скоростью и позволяет за малое время осуществлять большой объем работ с различными объектами, среди которых:

здания и строения;

предприятия со сложной структурой, в том числе химические предприятия, нефтегазоперерабатывающие комплексы и т.д.;

автомобильные и железные дороги и дорожные объекты, в том числе мосты, путепроводы, прилегающие зоны;

открытые и закрытые горные разработки;

ситуация и рельеф.

Трехмерное лазерное сканирование представляет собой новейшую технологию, обладающую такими преимуществами, как значительное сокращение сроков выполнения полевых работ, высокое качество и детальность съемки. При этом стоимость геодезических работ, проводимых в соответствии с данной технологией, вплотную приближается к цене традиционных методов. Первым результатом сканирования является облако точек, которое и несет максимум информации об исследуемом объекте, будь то здание, инженерное сооружение, памятник архитектуры и т.п. По облаку точек в дальнейшем, возможно, решать различные задачи:

получение трехмерной модели объекта;

получение чертежей, в том числе, чертежей сечений;

выявление дефектов и различных конструкций посредством сравнения с проектной моделью;

определение и оценка значений деформации посредствам сравнения с ранее произведенными измерениями;

получение цифровых топографических планов методом одновременной аэрофотосъемки и воздушного лазерного сканирования.

При топографической съемке сложных промышленных объектов традиционными методами, исполнители часто сталкиваются с тем, что во время полевых работ бывают пропущены отдельные необходимые измерения. Обилие контуров, большое количество отдельных объектов и мелких деталей приводят к неизбежным ошибкам. Материалы, получаемые при лазерном сканировании, несут наиболее полную информацию о метрических данных объекта съемки, исключающую субъективные ошибки геодезиста .

Съемкой называется процесс геодезических измерений на местности, выполняемых для составления карт и планов. При горизонтальной съемке определяется взаимное плановое положение контуров и объектов - ситуации местности. Если кроме ситуации снимается рельеф местности, то съемка называется топографической. Наибольшее применение в качестве геодезической подосновы для архитектурно-строительного проектирования имеют топографические съемки крупных масштабов: 1: 500, 1: 1000,

1: 2000, 1: 5000 .

Один из видов наземной топографической съемки, осуществляемой с помощью теодолитов или тахеометров - это тахеометрическая съемка.

Тахеометрическую съемку применяют для создания планов или цифровой модели местности участков в крупном масштабе для ведения государственного кадастра недвижимости, для планировки сельских населенных пунктов, проектирования отводов земель, мелиоративных и противоэрозионных мероприятий, трассирования линейных сооружений и др. .

Перед тахеометрической съемкой на основе существующей геодезической сети строят съемочную сеть до густоты пунктов, обеспечивающей положение на территории съемки тахеометрических ходов с соблюдением технических требований, приведенных в таблице 2.1. Поэтому в съемочное обоснование тахеометрической съемки входит построение сетей триангуляции, трилатерации, полигонометрии, теодолитных ходов, обеспечивающей территорию съемки геодезическими пунктами нужной густоты .

Таблица 2.1 - Технические требования при проложении тахеометрических ходов

Электронную тахеометрическую съемку эффективно применять на открытой равнинной местности, когда с исходной съемочной точки открывается видимость на расстояния 1…2 км. Вследствие значительной дальности действия тахеометра сокращаются затраты труда на развитие съемочного обоснования.

Экономическая эффективность электронных тахеометрических съемок еще и во многом определяется связями технологического процесса. Первый вариант отвечает классической схеме наземных топографических съемок, при которой основные технологические процессы последовательно сменяют друг друга. Численность топографической бригады составляет два человека. Служебную и метрико-семантическую информацию записывают на технический носитель. Обрабатывают результаты измерений и составляют топографические планы электронной тахеометрической съемки в основном в условиях стационарного камерального производства.

Второй вариант электронной тахеометрической съемки отличается от первого тем, что обработку материалов съемки ведут на базе полевой бригады, когда разрыв между полевыми и камеральными работами не превышает нескольких суток.

Третий вариант отвечает принципиально новой схеме организации работ, при которой основные процессы съемки (полевые и камеральные) ведут одновременно. Численность топографической бригады при этом увеличивается на одного человека за счет организации в ближайшем к объекту населенном пункте выездного командно-диспетчерского камерального поста с передачей ему функций регистрации информации на технический носитель, за счет обработки ее по мере поступления и отображения на составляемых тут же топографических планах .

Одновременности выполнения полевых и камеральных работ достигают за счет организации радиосвязи между всеми участниками съемки и ее камеральной обработки. Связь осуществляют с помощью мобильных радиостанций. При этом оператор тахеометра управляет перемещением рабочего с отражателем по объекту съемки, принимает семантическую информацию с места установки отражателя и передает ее вместе с метрической информацией на командно-диспетчерский камеральный пост. Оператор командно-диспетчерского камерального поста, находясь в ближайшем от объекта населенном пункте (или кузове специального автомобиля), не только принимает и обрабатывает метрико-семантическую информацию, но и активно управляет плотностью набора пикетов, закрывая «белые пятна» в съемке, а в необходимых случаях требует от оператора тахеометра набора контрольных пикетов и т.п. Одновременность набора и отображения съемочных пикетов на составляемых топографических планах позволяет исключить недостатки, свойственные обычной тахеометрической съемке. При этом за счет большой дальности действия тахеометра значительно увеличивается площадь съемки, выполняемая с одной установки прибора и, как следствие, уменьшается потребность в числе пунктов съемочного обоснования.

Технология электронной тахеометрической съемки дает возможность представить топографические планы как в традиционной графической форме, так и в виде цифровых моделей местности и рельефа, то есть в форме, удобной для исполнения в системах автоматического проектирования .

При изысканиях, проектировании, строительстве и эксплуатации инженерных сооружений необходимо еще знать и рельеф местности.

Без знания рельефа местности невозможно проектирование железных и шоссейных дорог, водоотводных (осушительных и оросительных) каналов, гидротехнических сооружений, аэродромов, строительных площадок, населенных пунктов, плотин, полей севооборотов и других объектов.

Знание рельефа выражается прежде всего в знании отметок всех характерных точек местности.

Определение высот точек местности и превышений между ними и есть цель нивелирования.

Нивелирование - вид геодезических работ, в результате которых определяют разности высот (превышения) точек земной поверхности, а также высоты точек над принятой отсчетной поверхностью.

В зависимости от применяемых инструментов и методов различают следующие виды нивелирования: стереофотограмметрическое, барометрическое, гидростатическое, автоматическое, геометрическое и тригонометрическое.

Геометрическое нивелирование основано на применении нивелира, который обеспечивает горизонтальное положение линии визирования. Геометрическое нивелирование может быть выполнено также с помощью тахеометра.

При необходимости передачи высот на большие расстояния прокладываются нивелирные ходы, состоящие из нескольких связанных между собой станций. Путем проложения нивелирных ходов первого - четвертого классов точности создается единая государственная нивелирная сеть, являющаяся высотной основой всех геодезических работ на территории страны. Пункты государственной нивелирной сети закрепляются на местности постоянными знаками - реперами и марками, их отметки публикуются в специальных каталогах.

В развитие государственной нивелирной сети для производства топографо-геодезических работ прокладываются ходы технического нивелирования.

Ходы технического нивелирования прокладывают способом геометрического нивелирования «из середины». Для этого используют технические и точные нивелиры.

Техническое нивелирование выполняют в одном направлении. Максимальная длина хода технического нивелирования зависит от высоты сечения рельефа h и составляет 1 км при h = 0,25 м; 4 км при h = 0,5 м.

При съемке участка под строительство, а также при обмерах объектов архитектуры высотным обоснованием служит, как правило, нивелирный ход, проложенный по точкам теодолитного хода - теодолитно-нивелирный ход.

В рядах случаев техническое нивелирование выполняют при определении высот вершин квадратов, построенных на местности .

Рассмотрим состав работ при проложении нивелирного хода.

Общие точки для смежных станций хода называют связующими. В тех случаях, когда перепад высот между точками не позволяет выполнить измерение с одной станции, выбирают дополнительную связующую точку - x точку и соответственно дополнительную станцию. Если в створе между связующими точками имеются характерные точки перегиба рельефа, их нивелируют. Такие точки называют промежуточными или плюсовыми.

Порядок работы на станции при нивелировании следующий:

визирование на заднюю по ходу точку и отсчет по черной стороне рейки;

визирование на переднюю точку и отсчет по черной стороне рейки;

отсчет по красной стороне рейки при визировании на переднюю точку;

отсчет по красной стороне рейки при визировании на заднюю точку;

визирование на промежуточную точку и отсчет по черной стороне рейки.

Таким образом устанавливается симметрия во времени при наблюдении на заднюю и переднюю точки, что позволяет ослабить влияние атмосферной рефракции на отсчет по рейке.

Значение превышения на станции вычисляют дважды: по черным и красным сторонам рейки. Допустимое расхождение значений превышений - не более 5 мм, в противном случае измерения на станции следует повторить. При работе с электронными тахеометрами и нивелирами с встроенным процессором значения превышений и горизонтальных проложений считывают с экрана дисплея и заносят в электронный журнал.

Тригонометрическое нивелирование производят путем измерения угла наклона визирной линии к горизонту и расстояния между нивелируемыми точками.

Тригонометрическое нивелирование широко распространено при топографической съемке местности, а также при производстве инженерно-геодезических работ. В настоящее время в связи с внедрением тахеометров сфера применения тригонометрического нивелирования значительно увеличилась. Основным преимуществом данного вида нивелирования является возможность определения высот точек без ограничения углов наклона скатов к горизонту, а также дальности расстояний до точек наблюдений .

Высоты (отметки) точек и рельеф местности отображаются на картах и планах и служат основой для архитектурно-строительного проектирования, в том числе для составления проектов вертикальной планировки территории, проектов транспортных сетей, инженерных коммуникаций и др. Без нивелирования нельзя осуществить вынос проекта сооружения в натуру, выполнить обмеры архитектурных комплексов.

При наружных обмерах объектов недвижимости, как правило, используют 20…30-метровые стальные рулетки, а также так называемые «лазерные рулетки». Для измерения расстояний в корпус рулетки помещают лазерный электромагнитный дальномер. При измерениях лазерный пучок наводят на отражающую поверхность объекта, до которого измеряют расстояние. Наведение осуществляют визуально, т.е. по «лазерному пятну» или используют для этого закрепленный на корпусе рулетки специальный оптический визир.

При внутренних обмерах эффективнее применять лазерные дальномеры, например, для оценки объекта недвижимости и составления генерального и поэтажного планов, когда внешние условия не влияют на результаты измерений.

Совместив внутреннюю съёмку с внешней и построив по облаку точек нерегулярную сеть, можно получить полноценную трёхмерную модель здания с информацией о толщине стен, отклонениях от плоскости, вертикали и горизонтали. По полученной модели, можно проводить различные измерения, строить сечения, рассчитывать количество строительных материалов для реставрации и реконструкции .

Быстро и качественно получить трехмерную модель местности, а также зданий, сооружений и т.п. можно с помощью лазерного сканера.

Лазерное сканирование с успехом применяется в самых различных областях деятельности:

в промышленном, гражданском и транспортном строительстве;

в нефтегазовой отрасли;

в подземном строительстве, прежде всего в тоннелестроении, там, где требуется высокая точность и максимально полная информация об объекте. Затраты на проведение измерений в этом случае сокращаются в десятки раз, а получаемая точность соответствует принятым нормам;

в машиностроении;

в архитектуре, археологии и музейном деле (сканирование необходимых для отрисовки фасадных чертежей тонких архитектурных элементов зданий, размер деталей которых составляет миллиметры или первые сантиметры). При съёмках зданий, представляющих историческую и культурную ценность, такая задача возникает довольно часто.

Лазерное сканирование позволяет быстро получить трехмерную модель местности, а также зданий, строений, сооружений и т.д. Движущийся лазерный луч сканирует объект за несколько секунд. По сравнению с векторной трехмерной моделью растровая модель имеет ряд преимуществ, так как готова сразу после сканирования, занимает большее пространство и стоит дешевле. По сравнению с фотограмметрическими способами съемки лазерное сканирование позволяет получить пространственные координаты с одной точки стояния без последующей камеральной обработки, причем имеется возможность провести контрольные измерения непосредственно в полевых условиях. При этом достигается более высокая точность работ. Лазерное сканирование может выполняться как с воздуха (с борта самолета, вертолета), так и с поверхности Земли.

Рассмотрим воздушное лазерное сканирование .

Принцип функционирования воздушных лазерных систем представлен на рисунке 2.1. В качестве излучателя используется полупроводниковый лазер, как правило, ближнего инфракрасного диапазона, работающий в импульсном режиме. В каждом акте сканирования регистрируются наклонная дальность до точки отражения и значение угла, определяющего направление распространения зондирующего луча в системе координат локатора. В зависимости от типа сканирующей системы могут фиксироваться более одного (до пяти) отражений для каждой линии визирования. Такая возможность способствует получению более информативных лазерно-локационных изображений, так как в одном акте сканирования могут быть получены отклики сразу от нескольких компонентов сцены: первые отклики будут получены за счет отражений от листвы растительности, проводов и опор линий электропередач, кромок зданий, а последний отклик, как правило, соответствует поверхности земли или другой твердой поверхности, например, крыше здания. Траектория движения носителя регистрируется бортовым приемником GPS (ГЛОНАСС). В сочетании с замеренными значениями наклонной дальности и угла сканирования это позволяет непосредственно получить абсолютные геодезические координаты элементов сцены, вызвавших отражение зондирующего луча. С некоторыми упрощениями современный лазерный сканер можно определить как «сканирующий лазерный дальномер с навигационным обеспечением». Все основные структурные компоненты, составляющие лазерный сканер, такие как дальномерный блок, GPS, инерциальная система всесторонне изучены и уже много лет активно эксплуатируются.

Рис. 2.1

Целесообразность использования новой технологии в различных приложениях основывается на ее уникальных возможностях. Среди отличительных особенностей воздушного лазерного сканирования можно выделить три основных.

Во-первых, производительность воздушного лазерного сканирования чрезвычайно высока. На практике достигнута производительность съемки линейных объектов в 500-600 км за один аэросъемочный день. Здесь следует отметить, что камеральная обработка результатов съемки, как правило, по продолжительности сравнима со временем выполнения авиационных работ, что позволяет выполнять такую обработку оперативно на месте проведения работ. Это, в свою очередь, позволяет эффективно контролировать качество съемки и при необходимости выполнять повторную съемку.

Во-вторых, воздушное сканирование не требует выполнения наземных геодезических работ по планово-высотному обоснованию результатов аэросъемки. Необходимость выполнения таких работ может составить серьезную проблему при реализации традиционных методов съемки, особенно для удаленных и труднодоступных районов.

В-третьих, непосредственное получение трехмерных моделей рельефа и всех наземных объектов, а также возможность выполнения по ним геометрических измерений.

Использование воздушных лазерных систем для решения данных задач городского кадастра предполагает получение геопространственных данных двух основных видов: данных для аналоговых и цифровых аэрофотоснимков и собственно результатов лазерно-локационной съемки. Цифровые аэрофотоснимки по своему информационному содержанию и методике использования мало отличаются от традиционных аэрофотоснимков, получаемых с помощью традиционных пленочных камер. Конечно, использование цифровой аэрофотосъемочной техники позволяет добиться значительно более высокого фотографического и фотограмметрического качества, а также существенно сократить длительность технологического цикла производства топографических материалов.

Получение данных для аналоговых и цифровых аэрофотоснимков заключается в определении их элементов внешнего ориентирования аэрофотоснимков и измерение наклонной дальности съемки на борту летательного аппарата.

Определение элементов внешнего ориентирования аэрофотоснимков на борту летательного аппарата состоит в следующем: угловые элементы внешнего ориентирования определяют с помощью инерциальных систем навигации, а координаты центров проекций находят по показаниям GPS-приемников. На практике эта задача сегодня решается почти исключительно с использованием интегральных навигационных GPS/IMU (аббревиатура IMU есть InertialMeasurementUnit, или в переводе инерциальное измерительное устройство) комплексов. Такие комплексы получили название системы прямого геопозиционирования, т. е. обеспечивают возможность полного решения задачи геопозиционирования без привлечения других источников данных.

Идеология использования GPS/IMU систем при съемке с любых летательных аппаратов предполагает их полностью автономное функционирование от съемочного оборудования. Это чрезвычайно важное обстоятельство позволяет использовать такие системы в паре с практически любыми аэросъемочными средствами - аналоговыми и цифровыми аэрофотоаппаратами, воздушными лазерными сканерами, радиолокаторами, инфракрасными и спектрозональными приборами и др. В процессе аэросъемки эти приборы могут работать совершенно независимо на аппаратном уровне. Необходимо обеспечить только их синхронность или более точно временную определенность событий, чего в нынешних условиях нетрудно добиться благодаря использованию GPS/GLONASS технологий. Применительно к аэрофотоаппарату последнее требование означает, что время совершения каждого аэрофотоснимка должно быть определено во временной шкале, единой с POS/AV комплексе. На практике это достигается регистрацией импульса срабатывания затвора аэрофотоаппарата через один из специальных EVENT входов комплекса. Аналогично выполняется синхронизация с авиационным импульсным лазерным дальномером.

Точность определения текущих координат центра съемки, элементов внешнего ориентирования и наклонной дальности (от центра съемки до точки) с помощью перечисленной бортовой аппаратуры приведена в таблице 2.2 .

В сочетании с измеренными значениями наклонной дальности и угла сканирования, точность определения позволяет непосредственно получить абсолютные геодезические координаты точек пространства, вызвавших отражение зондирующею луча.

Другим методом крупномасштабного топографического картографирования городских территорий является комплексная обработка лазерно-локационных данных, получаемых с помощью лазерного сканера, и результатов цифрового фотографирования.

Таблица 2.2 - Точность определения текущих координат центра съемки, элементов внешнего ориентирования и наклонной дальности

Роль лазерно-локационных данных в рассматриваемом методе создания и обновления топографических карт и планов городских территорий существенно отличается от традиционной. При реализации метода аэросъемочные работы могут проводиться различными подходами: параллельный и последовательный сбор геопространственных данных. Данные подходы изображены на рисунке 2.2 .

Как именно осуществляется сбор данных, параллельно или последовательно, не имеет принципиального значения.

Лазерные сканеры, установленные на борту летательного аппарата, осуществляют сканирование местности вдоль маршрута. Ширина полосы съемки может меняться в широких пределах oт единиц метров до размера, равного 93% высоты съемки. Обычно высот полета при съемке выбирается и пределах от 200 м до 3000 м. Точность определения высоты сканером составляет 5-15 см. Построчное сканирование пучком лазерного излучения осуществляют перпендикулярно маршруту со скоростью несколько тысяч точек в секунду.

Траектория движения носителя регистрируется бортовым приемником GPS для определения текущих координат центра съемки, а для определения элементов ориентирования используется инерциальная система IMU комплекса GPS/IMU.

Рис. 2.2

а - соответствует случаю, когда все необходимые технологические компоненты (аэросъемочные средства) размещаются на борту одного носителя; б - демонстрирует случай, когда сбор геопространственных данных осуществляется последовательно: сначала выполняется съемка объекта с помощью лазерного локатора, а затем - с помощью аэрофотоаппарата.