Выполнение проектно-изыскательских работ с помощью ГИС

Куприяновский В.П., НПП «Наука-Сервис» (vpkupriyanovsky@gmail.com),
Тищенко П.А., ЭСРИ СНГ (ptischenko@gmail.com),
Синягов С.А., ЭСРИ СНГ (ssinyagov@gmail.com),
Раевский М.А. , ЭСРИ СНГ (ingiswetrust@gmail.com),
Валиуллина Л.Р., АО «Барс Групп» (valiullina@bars-open.ru)

Design and Survey Works with GIS

Проектно-Изыскательские Работы (ПИР) в жизненном цикле объектов строительства занимают особое место. С одной стороны, результаты этих работ служат исходной точкой для всех других этапов, и ошибки, возникающие на этапе ПИР, существенным образом влияют как на качество возводимого объекта, так и на эффективность последующей его эксплуатации. С другой стороны, строительство объектов в рамках одного и того же географического места (города, например) порождает многократное дублирование информации на этапе ПИР. Что ведет к повторению или, даже, накоплению ошибок на этом этапе, и к неоправданным расходам. Применение промышленной Геоинформационной системы (ГИС) и других интеллектуальных (Smart) систем обеспечивает накопление и повторное использование полученной на этапе ПИР информации и, в ряде случаев, позволяет существенно сократить время, расходы и количество возникающих ошибок на всех этапах жизненного цикла объектов строительства.

Что такое ПИР. Основные типы инженерных изысканий

Проектно-изыскательские работы – комплекс работ по проведению инженерных изысканий, разработке технико-экономических обоснований строительства, подготовке проектов, рабочей документации, составлению сметной документации для осуществления строительства (нового строительства, расширения, реконструкции, технического перевооружения) объектов, зданий, сооружений.

Изыскательские работы представляют собой комплекс технических и экономических исследований района строительства. Кроме пяти видов изысканий, показанных на рис. 1, к инженерным изысканиям СНиП относит около десятка видов работ вспомогательного характера: геотехнический контроль, обследование грунтов оснований фундаментов существующих зданий и сооружений, оценка опасности и риска от природных и техногенных процессов, обоснование мероприятий по инженерной защите территорий, авторский контроль за использованием изыскательской продукции и другие подобные им виды работ.

Рис. 1. Основные типы инженерных изысканий.

Тем не менее, такие работы нормами СНиП 11.02-96 подробно не регламентируются и выполняются в соответствии со специальными нормативами по этим вопросам и рекомендациями научных учреждений.

Что включают в себя различного рода изыскания

Инженерно-геодезические изыскания должны давать исчерпывающую информацию о рельефе изучаемой местности, в том числе о его уклонах, геоморфологических особенностях, очертаниях водных объектов (гидрографические работы), обновлять топографические планы, карты, давать точные сведения о расположении существующих инженерных коммуникаций, обеспечивать инженерно-геодезическими данными другие виды изысканий (например, при инженерно-геологических изысканиях давать отметки устья буровых скважин, производить геодезическую привязку инженерных выработок и т.д.). Их задачей также является геодезическое трассирование линейно-протяженных сооружений: каналов, дамб, дорог, линий электропередач и др.

Инженерно-геологические изыскания имеют целью выявление характера напластования различных грунтов (литологического строения изучаемой площадок), определение из происхождения, физико-механических свойств, наличия специфических грунтов (многолетнемерзлых, просадочных, набухающих, органо-минеральных, пучинистых и т.д.), положения уровня подземных вод (нынешнее и прогнозируемое), их агрессивности к бетону, металлам, выявления опасных физико-геологических явлений: карста, оползней, оврагообразования, подтопления и т.д. Изыскатели обычно не ограничиваются определением расчетных параметров инженерно-геологических условий, но и дают некоторые рекомендации по проектированию фундаментов и подземных сооружений (например, отмечают желательность применения свай, необходимость предварительного рыхления грунта при земляных работах и т.д.).

Инженерно-гидрометеорологические изыскания включают изучение гидрологического режима рек, озер, болот и других водоемов, режима подземных вод, оценку климатических условии, опасных гидрометеорологических процессов, изучение техногенных изменений климата и гидрологических условий.

Инженерно-экологические изыскания подразумевают комплексное изучение природных и техногенных условий территории, ее хозяйственного использования и социальной сферы, оценку современного экологического состояния, разработку прогноза изменений природных систем при строительстве, эксплуатации и ликвидации объектов, оценку экологической опасности и риска, разработку рекомендаций по предотвращению вредных экологических последствий инженерно-хозяйственной деятельности и обоснование необходимых природоохранных мероприятий и экологического мониторинга, рекомендаций по сохранению ценных природных, исторических, культурных объектов и удовлетворению традиционных интересов местного населения. Обычно они в той или иной мере включают и упомянутые выше исследования почв, растительного и животного мира.

Изыскания грунтовых строительных материалов и подземных источников вод имеют целью выявление возможности и целесообразности организации карьеров по добыче грунтовых материалов для возведения земляных сооружений, местных строительных материалов, а также водозаборов подземных вод. Изыскания местных строительных материалов (бутового камня, щебня, гравия, песка для бетонов и растворов, глин для кирпича и т.д.) должны быть обоснованы и согласованы с органами экологических служб. При изысканиях источников водоснабжения заказчик обязан оформить соответствующие разрешения в органах управления использованием и охраной водного фонда.

Изыскательские работы и проектирование

Изыскательские работы и проектирование – неотъемлемые этапы нового строительства, реконструкции существующих зданий, расширения эксплуатируемых строений, технического переоснащения объектов промышленного и гражданского назначения.

Проектно-изыскательские работы предоставляют возможность:

• оценить экономическую целесообразность предполагаемого строительства;
• разработать техническое обоснование возведения сооружений на исследуемом объекте;
• выбрать оптимальный тип строительства;
• подготовить проект;
• рассчитать сметные расходы предстоящего строительства.

Состав ПИР:

• топографические исследования территории, включающие изучение рельефа, выявление наличия специфических участков с ослабленными грунтами, болот, фиксацию подземных инженерных коммуникаций, лесов, водных источников, транспортных подъездов, промышленных предприятий и др.;
• геологические исследования, среди которых определение характера залегания литологических слоев, инженерно-геологических элементов, физического состояния грунтов, опытно-математическое исследование механических свойств пород и т.д.;
• гидрогеологические исследования характеристик залегания и приуроченности водоносных горизонтов, лабораторные исследования агрессивности подземных вод;
• климатологические исследования, включающие изучение атмосферной влаги и температуры в различные периоды года, количество осадков, скорость и направление ветра.

ГИС – оптимальное средство автоматизации ПИР

Геоинформационные системы (ГИС) являются инструментом, идеально подходящим для выполнения, представления результатов ПИР и их анализа. Из чего складывается такое утверждение? Вот несколько соображений:

• Изыскания – это всегда изучение конкретных территорий, которые обычно разбросаны по всему региону и могут находиться в десятках и даже сотнях километров от самой изыскательской организации.
• В результате ПИР генерируется большой объём разнородных данных, которые необходимо интегрировать в единой среде.
• Для комплексного анализа местности необходимо наложение друг на друга данных-результатов ПИР, точно привязанных к одной территории.

Собственно, система на основе ГИС изначально предназначена для решения этих и подобных им «пространственных» задач (рис. 2).

Рис. 2. ГИС – идеальный инструмент для выполнения, представления результатов ПИР и их анализа.

Применение ГИС для автоматизации ПИР обеспечивает совместную работу над создаваемыми проектами, послойную организацию хранения данных-результатов ПИР, надёжное хранение больших объёмов данных ПИР, коллективный доступ в базы данных и использование полученных сведений, быстрый поиск и скоростное управление ресурсами, хранение ретроспективных данных и накопление знаний, их наглядное картографическое отображение.

Использование ГИС-приложений позволяет интегрировать разнородные данные составных частей проектов, входящих в ПИР. Современные экономико-математические и инновационные графические методы дают возможность максимально сократить сроки проектирования, обеспечить качество составленной документации, оптимизировать производительность.

Анализ проектных решений по привязке к местности позволяет сократить сроки принятия решений о целесообразности проекта.

Имея в виду, что некорректное наложение разнородной информации на картографическую подложку является источником множества ошибок, проблем и неоправданного дублирования данных, применение ГИС обеспечивает расширение возможностей ПИР, недоступные при стандартном подходе:

• Добавляя новые слои в ГИС, выявляются неявные и недокументированные зависимости между данными разной тематики.
• ГИС позволяет работать с данными с учётом их расположения, даже если это данные не географические, например, данные о наличии и качестве документации на тот или иной объект инфраструктуры.
• Сбор разнородной информации в единое информационное пространство позволяет оптимизировать объём инженерных изысканий и конкретизировать их.
• Накладывая слои с данными ПИР друг на друга, меняя их порядок, изменяя прозрачность и т.д., а также выполняя геопространственный анализ средствами ГИС, можно получить новую информацию, предупредить возможные ошибки в будущих проектных решениях и повысить надёжность возводимых сооружений.
• Структуризация и систематизация пространственно-распределённых данных.
• Контроль качества данных – проверка корректности введённых данных средствами ГИС на основе настраиваемых правил, исключение ошибок в работе внутренних подразделений и субподрядных организаций на больших, протяжённых и разрозненных объектах, возможность контроля качества инженерных изысканий путём сравнения разнородной информации.
• 3D-визуализация результатов ПИР, построение цифровой модели местности и объектов, построение контуров, создание тематических поверхностей, прогноз развития природных явлений: оползней, затоплений, пожаров и т.д.
• Новые слои могут создаваться с учётом наработок, полученных при реализации других слоёв в базе данных единой электронной карты.

Сферы применения ГИС при решении проектных задач

Использование пространственных данных в качестве основы для анализа, расчёта оценки площадок и коридоров и других факторов, существенно влияющих на проект в целом, и последующее использование этих данных на других этапах жизненного цикла объектов и всей инфраструктуры, позволяет говорить об определенной сфере применимости ГИС, а именно:

• концепция создания объекта;
• анализ, моделирование вариантов размещения объектов на местности с целью определения степени соответствия Концепции создания объекта;
• создание 3D, 4D (время), 5D (деньги), 6D (этапы жизненного цикла) – ГИС-моделей для выбора оптимальной площадки или коридора проектируемого объекта. Рельефы, подземная инфраструктура, природные факторы;
• анализ инфраструктуры внутри выбранных площадок, коридоров и их окружения: кадастр, инженерная, транспортная, социальная и т.п. инфраструктуры;
• расчёт оптимальных вариантов;
• создание баз знаний и опыта на основе объективных данных;
• создание паспортов объектов инфраструктуры на основе объективных данных, знаний и опыта.

ГИС: управление пространственными данными

В основе ГИС лежит База геоданных – объектно-реляционная информационная модель отвечает за управление всеми географическими типами данных, хранит ассоциированные с ними правила и свойства (рис. 3).

Рис. 3. Хранение разнородных данных в ГИС.

За счёт её специальной структуры и функций, обеспечиваемых «движком» ГИС, организуется необходимое управление пространственной информацией, такое как:

• хранение всех типов пространственных данных;
• интеграция всех типов пространственных данных;
• управление всеми типами пространственных данных
  • создание данных, включая правила и свойства, метаданные
  • поддержка данных в составе инструментов редактирования (ГИС, САПР) и рабочих процессов редактирования, таких как Model Builder (ПО для визуального построения моделей), PLTS (набор инструментов для производства картографической продукции) и др.
  • совместное использование и распределение данных, включая репозитории пространственных данных, поддержку репликации и версионности, контроль импорта/экспорта
• работа со всеми пространственными типами: Oracle, SQL Server, DB2, Access, файлы и т.п.

Не все из имеющихся на рынке ГИС способны обеспечить необходимый уровень функциональности. Существует целый ряд требований к ГИС-системам, работающим в рамках концепции Smart-систем. Наиболее близкими по необходимым характеристикам и по распространённости на рынке являются продукты ArcGIS компании Esri. Несколько примеров геопространственного анализа, применяемого как на этапе ПИР, так и на других этапах жизненного цикла объектов, приведено на рис. 4.

Рис. 4. Примеры результатов геопространственного анализа.

Еще одной уникальной особенностью ГИС, позволяющей говорить о значительных экономических и других эффектах, является возможность наложения разнородных, по сути, данных, на единую картографическую подложку, за счет геопривязки (рис. 5). Причем все эти данные, как по отдельности, так и в совокупности, становятся доступны для математической обработки. В данном контексте можно говорить о реализации «Общей операционной картины» в интересах всех, кто причастен к созданию, эксплуатации и получению прибыли от объектов. Соответственно, на этой основе могут реализовываться (и уже реализуются в повсеместной практике) интерактивные приложения на основе ГИС и с применением технологии COP (Common Operation Picture, Общая операционная картина), причем приложения, способные работать в режиме реального масштаба времени (real time).

Рис. 5. Теперь электронная карта – это интерактивное приложение. ArcGIS обеспечивает общий доступ к данным, редактированию, анализу, отчётам, бизнес-правилам.

Если говорить о применении ГИС в проектировании, то здесь сложно найти те функциональные области, где бы ГИС не применялись, и не приносили соответствующих выгод. Причем, что очень важно, эти эффекты присутствуют вне зависимости от того, какого рода объекты проектируются или строятся.

Примером может служить применение ГИС в проектировании и моделировании подземной инфраструктуры (рис. 6). В этом случае обеспечивается привязка существующих планов, схем, например трубопроводов, к модели местности (с возможным последующим их уточнением инструментальными методами). На этой основе могут решаться уже расчетные задачи, такие как:

• расчёт объёмов выполненных земляных работ;
• точные измерения длин и расстояний между точками подземного пространства с учётом перепадов высот;
• геометрические параметры трассы коммуникаций, включая глубину, пропускную способность и прочие физические параметры;
• входы и выходы объектов на поверхность.

Рис. 6. Моделирование трубопроводных сетей с помощью ГИС.

Нетрудно видеть, что эти расчёты могут применяться на разных этапах жизненного цикла объектов без проведения специальных работ для повторного получения данных о структуре объекта, его составе, связности и т.п.

Существует значительный объем информации, который требуется для квалифицированного принятия решений при проектировании, строительстве и последующей эксплуатации объектов. Эти данные не являются «принадлежностью» конкретного проекта, и взаимосвязи с ними требуют специальной автоматизированной обработки. В этом случае ГИС является незаменимым и универсальным инструментом.

Например, при поиске или оценке места под объекты электроэнергетики требуется учет множества факторов (рис. 7):

• пригодность земли для строительства;
• рельеф местности;
• геологическое строение;
• близость охраняемых природных территорий, мест отдыха населения; гидрологический режим почв и т.д.;
• пути доставки топлива, других материалов и оборудования;
• наличие рабочей силы в окрестности;
• криминальная и террористическая активность;
• близость к сетям электропередачи;
• воздействие на окружающую среду, и др.

Рис. 7. Модель размещения ветроэлектрогенераторов с учётом прогноза направления и скорости ветра.

Для этого используется большой набор карт и послойных тематических данных, например:

• базовые карты;
• базовые топографические картматериалы;
• геоморфологические карты;
• геоморфологическая информация территории деятельности Компании, почвенные карты, индексные слои естественной очистки поверхности от нефтяного загрязнения и т.д.;
• климатические и гидрологические карты;
• карты ледовой обстановки, температуры воды и воздуха, зоны затопления, уровни грунтовых вод и пр.;
• карты биологического разнообразия; геоботанических исследований, плотности и разнообразия биологических компонентов;
• карты объектов природопользования;
• карты границ землепользования: земельные участки, участки недр, заповедники-заказники и др.

Причем, поскольку эти факторы меняются по времени, влияют на оценки стоимости строительства и эксплуатации объектов в этих условиях, и использование этих данных существенно отличается на каждом этапе жизненного цикла, все это предъявляет определенные требования к ГИС платформе. Она должна поддерживать 3D, 4D (время), 5D (деньги) и 6D (этап жизненного цикла) размерности.

Таким образом, применение ГИС для этапов строительства объектов не только обеспечивает существенную экономию времени и средств, но и привносит мощные дополнительные возможности, которые практически не доступны в ином случае.