Средства объективного контроля изменений (строительства) объектов на базе ГИС-моделей

Куприяновский В.П. (vpkupriyanovsky@gmail.com, vk@esri-cis.ru),
Тищенко П.А. (ptischenko@esri-cis.ru),
Раевский М.А. (ingiswetrust@gmail.com);
Компания Esri CIS, Web: esri-cis.ru

Objective control means based on GIS models to determine construction changes

В настоящее время со стороны строительных и регулирующих организаций много внимания уделяется созданию систем контроля хода строительных работ на основе объективных данных. Объективный контроль – это комплекс мероприятий по сбору, обработке и анализу инструментально-регистрируемой информации о состоянии объектов строительства, а также о полноте и качестве выполнения строительных работ и действиях руководства строительными проектами. А средства объективного контроля, в числе прочего, призваны помочь в формировании базы данных о разных аспектах строящегося объекте на всех этапах его жизненного цикла.

В качестве инструментов для сбора данных выступают средства измерения, удовлетворяющие двум критериям. Во-первых, это измерительная аппаратура, обладающая определённым классом точности в зависимости от требований по контролю. Во-вторых, это аппаратура, для которой проводится государственная сертификация через поверочные лаборатории. И так называемая «объективность» данных нами рассматривается именно с этих позиций.

Для дальнейшей обработки и представления этих данных можно использовать ряд информационных технологий, в том числе те, в которых активно задействуются как «3D-движки» для визуализации и редактирования, включая приложение Esri City Engine, так и различные индустриальные модели данных, такие как BISDM.

Далее, в качестве примера, рассмотрим технологию независимого объективного контроля от компании TerraVision. Она включает четыре уровня детализации (LOD), соответствующие масштабу точности проводимых измерений. В соответствии с этими уровнями применяются и различные методы сбора данных: спутниковые методы автоматической интерпретации данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ); аэросъёмки высоких разрешений с беспилотных ЛА; высокоточные измерения и съёмки с использованием системы позиционирования ГЛОНАСС; мобильные и наземные системы лазерного сканирования.

Перечисленные методы обладают целым рядом достоинств:

• максимальная субъективная независимость, то есть влияние человека на результат минимально;
• облачные технологии процессинга и общие форматы обмена данными;
• интегрируемость результатов и технологий в он-лайн бизнес-процессы;
• возможность создания новых средств измерений и интерпретации данных;
• оперативность и простота в реализации;
• достаточная точность для всех этапов жизненного цикла проектов;
• доступные цена и качество.

Рассмотрим уровни детализации более подробно. Уровень 1 (LOD 1) предполагает использование материалов космической съёмки, мультиспектральный и текстурный анализ спутниковых изображений. Используются архивные и свежие съёмки высоких разрешений. 3D-модели объектов и местности создаются автоматически по материалам двух и более спутниковых изображений разных эпох съёмки (рис. 1). Обеспечивается точность в плане – 35 см, по высоте – 1 м. Производительность метода – 1000 кв.км в сутки.

Рис. 1. Пример LOD1: 3D-модель г. Москва, выполненная без точного обоснования. Время создания 24 часа.

Уровень 2 (LOD 2) предполагает использование материалов аэрофотосъёмки. Выполняется автоматическое разделение сцены по объектам и тематическим слоям, при этом объектам присваиваются уникальные идентификаторы и создаётся объектовая база данных. Производится коррекция геометрии плановых описаний и объёмной конфигурации по данным архивных векторных описаний и точечных контрольных данных измерений. По высотному описанию объектов строится модель регулярной матрицы точек (DTM) с шагом сетки высот 2Х2 м. Кроме того, уточняются кадастровые границы и геометрия зданий и сооружений, формируется векторный план границ. Создаётся цифровая регулярная модель поверхности в текстуре ортофотоплана, а также растровое изображение TRUE ORTHO с возможностью автоматической сегментации объектов по типам данных, слоям, тематикам (рис. 2). Точность – 10 см в плане и 30 см по высоте.

Рис. 2. Пример LOD2: г. Находка, локальная 3D-ГИС. 2 млн. описаний объектов. Показаны наземные и подземные коммуникации; подложка – ортофотоплан 1:1000, прозрачный слой – дежурный план 1:500. Возможен поиск объекта по семантическим данным.

Уровень 3 (LOD 3) – это уточнение локальной геометрии объектов по данным съёмок, выявление изменений текстур и свойств объектов по изображениям, полученным с БПЛА, результатам мобильного лазерного сканирования и векторным данным съёмок. Результаты LOD3 применяются в решении по визуализации крупных мегаполисов.

Уровень 4 (LOD 4) используется для высокоточных пространственных описаний, а также для сравнения проектных и реальных параметров объектов по данным из различных источников, в т.ч. результатов наземного лазерного сканирования и данных от датчиков. В рамках данного уровня широко применяется фотосъёмка исследуемого объекта калиброванной камерой с постоянных точек, с перекрытием кадров и с определением позиций точек повторных съёмок с помощью ГЛОНАСС. Примечательно, что такая фотосъёмка не требует специальных навыков и может выполняться автоматически. Автоматическая фотограмметрия существенно облегчает данный процесс.

Отметим ключевые достоинства метода: простота реализации; низкая себестоимость; оперативность; автоматический процессинг; сантиметровая точность; результаты в виде LAS clouds; интеграция в BISDM-модель; простота сравнений и оценок с проектом. Перечисленные достоинства позволяют широко применять данный метод для систем деформационного мониторинга сооружений, контроля целостности объектов.

Поддерживаются различные типы сенсоров и обеспечивается обратная связь: сообщение на экране компьютера; звуковой сигнал (звонок, сирена); оптический сигнал (световая индикация); сообщение на принтер; сообщение по факсу; сообщение по электронной почте; SMS-сообщение; голосовое сообщение по телефону.

LOD 4 хорошо себя зарекомендовал при контроле всех стадий дорожных работ, а также при проведении различных типов физического мониторинга.

Перечислим основные виды обследования строящихся объектов и территорий, отведённых под строительство:

• воздушное лазерное сканирование;
• цифровая космическая и аэрофотосъёмка;
• тепловизионная съёмка в ИК-диапазоне;
• наземное лазерное сканирование;
• СВЧ-радиометрия;
• деформационный геотехнический мониторинг сооружений;
• георадарная съёмка.

Воздушное лазерное сканирование (ВЛС). Сущность метода – обыкновенная дальнометрия. В качестве излучателя используется полупроводниковый лазер, работающий в импульсном режиме. ВЛС применяется при обследовании (съёмке) линейно-протяжённых или площадных природных и техногенных объектов, а также для реализации проектно-изыскательских работ. В результате генерируются массивы (облака) точек лазерного сканирования, что и является трёхмерным объективным отражением реальной действительности. 3D-представление и отображение объектов и местности значительно расширяет ценность применения геоинформационных систем (ГИС). Оно упрощает восприятие и понимание данных и информации, позволяет быстрее принимать решения и повышать их эффективность (рис. 3).

Рис. 3. Пример просмотра результатов лазерного сканирования средствами ArcGIS.

Цифровая аэрофотосъёмка. Профессиональная цифровая аэрофотосъёмочная камера в процессе съёмки формирует изображение на принципе записи энергии отраженного от местности света на фотоприёмном устройстве (матрице). Дополнительно объединена в единый программно-инструментальный комплекс с высокоточными системами спутниковой и инерциальной навигации (рис. 4).

Рис. 4. Цветные цифровые аэрофотоснимки высокого пространственного разрешения, позволяющие детально дешифрировать любые интересующие Заказчика элементы местности и объектов на ней.

Отметим основные преимущества аэросъёмки с использованием воздушного лазерного сканирования и цифровой аэрофотосъёмки:

• высокая производительность съёмки – до 300-400 пог. км/сутки;
• темп съёмки практически равен темпу предварительной полевой обработки и анализа снятых за сутки материалов;
• сокращение времени получения конечных результатов в 2–3,5 раза и более по сравнению с традиционными методами;
• прямое получение трёхмерной картины местности и объектов на ней;
• прямое измерение всех компонентов сцены съёмки (всех размеров и расстояний объектов);
• автоматическое воспроизведение формы сложных инженерных объектов;
• сравнительно низкие сезонные ограничения;
• нет ограничений, связанных с наличием лиственного покрова;
• нет ограничений для съёмки сцен с отсутствующей или слабо выраженной текстурой поверхности: карьеров, плоских пустынь, заснеженных поверхностей и т.п.

Кроме того, широко применяется аэросъёмка с применением БПЛА (например, геликоптеров). По получающимся в результате изображениям можно строить 3D-модели точностью 10см в плане и 30см по высоте, а также использовать их в качестве текстур, привязанных к моделям объектов, и получать фотореалистическую визуализацию крупных объектов или даже целых городов (рис. 5).

Рис. 5. Фотореалистичное изображение города.

Космическая съёмка. Для изучения крупных площадных объектов и получения исходных материалов с целью построения моделей рельефа, зданий и сооружений нередко применяется космическая съёмка (рис. 6). Мониторинг объектов инфраструктуры и местности по данным ДЗЗ производится с помощью высокодетальных космических аппаратов QuickBird, WorldView-1 и WorldView-2, GeoEye-1, Ikonos, OrbView-2, Formosat-2, Kompsat-2, Alos, среднедетальных – SPOT IRS, ASTER (TERRA), Landsat и др., пространственным разрешением от 50см. Достоинства материалов ДЗЗ заключаются в следующем:

• актуальность данных на момент съёмки;
• высокая оперативность получения данных;
• возможность в короткие сроки получать информацию о большой территории;
• высокая точность обработки данных за счёт применения передовых информационных технологий обработки изображений;
• высокая информативность за счет применения спектрозональной, инфракрасной и радарной съёмки, что позволяет увидеть детали, не различимые на обычных снимках;
• экономическая целесообразность, поскольку затраты на получение информации посредством ДЗЗ существенно ниже чем у наземных полевых работ;
• возможность получение трёхмерной модели местности (матрицы рельефа) за счёт использования стереорежима или лидарных методов зондирования и, как следствие, возможность проводить 3D-моделирование участка земной поверхности (системы виртуальной реальности).

Рис. 6. Транспортная развязка, г. Санкт-Петербург. Синтезированное цветное изображение в естественных цветах. Пространственное разрешение – 0,5 м. Космический аппарат WorldView-2.

Тепловизионная съёмка в ИК-диапазоне. Принцип работы тепловизора заключается в измерении с высокой точностью (0,03 град) температуры каждой точки объекта и составлении из полученных значений цветного изображения этого объекта. Такое изображение может использоваться для выявления температурных аномалий (и их величин), возникающих вследствие наличия неисправности и указывающих на необходимость технического обслуживания. Для формирования изображения объекта применяется метод построчного последовательного измерения температуры каждой точки в горизонтальной и вертикальной плоскостях с последующей записью результатов измерения в видеопамять и отображении их различным цветом на экране монитора. На данный момент это эффективный способ выявления на ранних стадиях практически всех дефектов: от трещин в дымоходах и прилегающей гидроизоляции до воздушных пробок в отопительной системе и пробитой обмотки в электротрансформаторах. Отдельно выделяют обследование ограждающих конструкций, а это – герметичность окон, дверей и балконов, качество изоляции здания и кровли. Тепловизионный контроль позволяет уже после окончания строительства отследить качество работ, предпринять необходимые меры до того, как ситуация стала критичной. Кроме того, ИК-съёмка с воздуха позволяет выявлять места подтопления местности и объектов (например, ж/д полотна), а также с высокой точностью определять местоположение теплосетей (рис. 7). К возможностям тепловизионной диагностики относится и оценка старения и естественного износа материалов. Все источники излучения или утечек будут ярко, с высокой достоверностью видны на картинке.

Рис. 7. Городские теплосети на ИК-снимке.

Наземное лазерное сканирование. Суть технологии заключается в определении точных пространственных координат точек поверхности объекта. Процесс реализуется посредством измерения расстояния до всех определяемых точек с помощью импульсного лазерного безотражательного дальномера. Измерения производятся с очень высокой скоростью, в считанные минуты прибор измеряет несколько миллионов точек, точно повторяющих поверхность сканируемого объекта. Основные области применения наземного лазерного сканирования:

• инвентаризация земельно-имущественного комплекса и постановка на кадастровый учёт;
• проектирование, строительство и реконструкция объектов;
• изыскания на локальных территориях;
• оперативный контроль и мониторинг инженерных объектов, экологический контроль.

Отметим ключевые преимущества данной технологии:

• бесконтактный (дистанционный) сбор информации об объекте мониторинга (исключает доступ персонала в опасные зоны);
• точность, полнота и достоверность получаемой информации;
• высокая скорость и производительность сбора данных;
• простота создания 3D-моделей объектов мониторинга;
• деформационный мониторинг.

Следует отметить, что для построения высокоточных 3D-моделей также используется наземная фотосъёмка калиброванной камерой с перекрытием кадров с постоянных точек. Достоинства такого метода перечислены выше при описании уровня LOD 4.

СВЧ радиометрия. Эта технология позволяет регистрировать маломощное радиоизлучение от поверхности земли. СВЧ радиометрические приборы, несмотря на относительно невысокую разрешающую способность, широко используются в дистанционных космических исследованиях окружающей среды. Это связано с тем, что с помощью СВЧ радиометрии можно получить такие данные, которые невозможно или очень трудно получить другими методами. К таким данным можно отнести усредненную по поверхности и глубине термодинамическую температуру исследуемого объекта, его интегральные рассеивающие свойства и информацию о комплексной диэлектрической проницаемости. Причём эти и другие данные могут быть получены в любое время суток и практически не зависят от погодных условий. Перечислим основное назначение СВЧ радиометрии:

• оценка влажности и обводнённости почв;
• изучение биометрических показателей растительного покрова;
• изучение возможностей оценки солености акваторий;
• открытие природных газов;
• анализ состояния дамб;
• поиск месторождений золота, платины, руд и нефти;
• определение подземных радиоактивных минеральных вод.

Ожидаемые результаты:

• получение карт влажности почв на больших территориях;
• получение карт солености водных акваторий;
• определение тепловых потоков водных акваторий;
• оценка энергообмена океан-суша-атмосфера;
• определение полигонов с равномерной радиояркостной температурой и др.

Деформационный геотехнический мониторинг сооружений. Он представляет собой мероприятия по наблюдению за происходящими изменениями и деформациями зданий, т.е. перемещением, уклоном, возможными горизонтальными и вертикальными сдвигами строительных конструкций. Деформирование зданий происходит в результате техногенных ситуаций, а также под влиянием негативных природных факторов. Чтобы избежать плачевных последствий и всевозможных аварийных ситуаций, целесообразно вовремя производить деформационный мониторинг с целью обезопасить здания и инженерные объекты от негативного внешнего воздействия, своевременно устранить причины возникновения разрушающих изменений и тем самым предотвратить аварийные случаи. Задачей мониторинга является не только выявление изменений и установка причин их возникновения, но и разработка мер, направленных на устранение пагубных разрушающих процессов.

Деформационный мониторинг – ответственный процесс, к которому предъявляются строгие требования по точности. Используя современные измерительные геодезические инструменты и высокоточные электронные приборы (нивелиры, тахометры и др.), а также высокочувствительные датчики (грунтовые, инклинометры, датчики вертикали и т.д.), можно получить актуальную информацию обо всех деформациях и изменениях. В свою очередь, это позволяет составить верный прогноз и свести к минимуму возможный риск разрушения. Возможны следующие виды мониторинга:

• мониторинг избыточного давления в почве ила и глины;
• мониторинг уровня грунтовых вод;
• мониторинг давления проницаемости и поднятия (гидравлические градиенты в плотинах и естественных склонах);
• течи и объёмы протока жидкостей;
• давление и нагрузки.

Георадарная съёмка. Георадар – радиотехнический прибор подповерхностного зондирования для исследования различных сред (земля, вода, стены сооружений). Может применяться для определения технического состояния гидротехнических объектов. Идея метода георадиолокационного зондирования состоит в излучении импульсов электромагнитных волн и регистрации сигналов, отраженных от границ раздела слоёв зондируемой среды с различными электрофизическими свойствами. Основная цель метода состоит в определении положения границ раздела сред или объектов в зондируемых средах. Модель среды представляется в виде слоистой толщи с постоянными электрофизическими свойствами внутри каждого слоя и наличием локальных и протяжённых объектов, отличающихся по электрофизическим свойствам от вмещающей среды. При перемещении (сканировании) георадара по поверхности исследуемой среды на экран монитора выводится совокупность сигналов – профиль, по которому можно определить местонахождение, глубину залегания и протяженность объектов.

Возможные области применения этого метода:

• обследование строительных конструкций;
• подводное зондирование дна;
• определение состояния плотин, мостов, дамб;
• поиск подземных коммуникаций;
• определение уровня грунтовых вод, источников увлажнения грунта, протечек, мест скрытого сброса воды;
• обнаружение карстовых пустот, оползней, тектонических нарушений и т.д.

Существуют два основных способа георадарной съёмки: «профилирование» и «зондирование». При профилировании измерения проводятся путем перемещения радара вдоль трассы. А при зондировании выбирается одна точка трассы, для которой проводится ряд регистраций отраженных сигналов при разносе антенн передатчика и приемника в разные стороны на равные расстояния. В результате получается годограф – функция времени задержки отраженных сигналов от расстояния между передающей и приемной антеннами. Возможен комбинированный способ, когда зондирование осуществляется в каждой точке профиля, или использование этих методов при площадной съёмке.

Главное преимущество метода – получение детальной информации о состоянии инженерных конструкций без нарушения целостности:

• обнаружение и точная локализация расположения арматуры и других объектов в строительных конструкциях, в т.ч. железобетонных;
• дефектоскопия строительных конструкций, определение плотности и прочности материалов;
• построение профилей фундаментов, промышленных полов;
• определение толщины дорожного покрытия, определение толщины и характера конструктивных слоёв.

Таким образом, на примере описанных выше технологий и методов становятся очевидными эффекты комплексного применения различных инструментов объективного контроля в совокупности с развитым ГИС-инструментарием. Применение такого рода технологий и соответствующих ГИС-моделей существенно повышает эффективность проведения работ на всех этапах жизненного цикла объектов капитального строительства.

Геопространственная информационная модель на основе ArcGIS, являющаяся ядром архитектурного решения для системы объективного контроля строительных проектов, содержит ключевую информацию, которая может быть визуализирована в географическом пространстве и тем самым предоставит пользователям общую, скоординированную картину хода строительства и всех отклонений от проектных и нормативных параметров. Соединяя геопространственную информационную модель с необходимыми источниками данных, рабочими процессами участников строительства, установленными отчётами и соответствующими стандартами, ГИС предоставляет заинтересованным сторонам инструменты мониторинга и прогнозирования развития строительного проекта, а также планирования работ по устранению выявленных несоответствий.

Важной является также возможность «бесшовной» передачи непротиворечивой и объективной информации о строительном объекте через все этапы его жизненного цикла.