Лекция №2. Техническое обеспечение САПР-АД (стр. 4 )

После конвертации полученной информации в цифровую модель системы автоматизированного проектирования можно приступать к процессу проектирования на основе полной информации об очертаниях существующей поверхности ремонтируемой (модернизируемой) автомобильной дороги.

Лазерные сканеры

Назначение: создание сети опорных пунктов, 3D-сканирование, 3D-моделирование, поиск пересечений и проведение измерений.

Область применения: промышленное и гражданское строительство, маркшейдерское обеспечение горных работ.

Принцип работы: аналогичен принципу работы безотражательного тахеометра.

Работа лазерного сканера основана на измерении наклонной дальности D от источника измерения (лазера) до наземного объекта (дороги), являющегося препятствием на пути распространения лазерного луча. Такое препятствие вызовет появление отраженного импульса, который будет зарегистрирован приемником, а по времени задержки от момента излучения зондирующего импульса до регистрации отраженного импульса можно определить дальность D.

Одновременно определяются координаты пространственного положения носителя X, Y,Z за счет использования системы спутниковой навигации, а также углы ориентации зондирующего луча.

Знание этих 6-ти параметров внешнего ориентирования позволяет математически перейти к координатам точки, вызвавшей отражение. Основным результатом работы лазерного локатора является получение лазерно-локационного изображения или «облака» лазерных точек. Отметим важную деталь – лазерно-локационное изображение всегда дискретно.

Преимущества: лазерное сканирование может применяться там, где невозможна тахеометрическая съемка и безопасность измерений.

Результаты: получение в кратчайшие сроки полноценных сведений о происходящих деформациях зданий и сооружений, земной коры и кровли подземных выработок, информации о смещении оползней и обрушений.

Измерения проводятся в той же системе координат, в которой ведется документация, но может быть произведено и преобразование координат.

Лазерное сканирование в архитектуре: фасадные съемки, трехмерные модели зданий и внутренних помещений.

Виды лазерного сканирования:

1. Наземное лазерное сканирование.

Технология наземного лазерного сканирования: измерение расстояний до большого количества точек, расположенных на снимаемом объекте. Необходима прямая видимость. Данные сканирования с разных точек сводятся в единое трехмерное “облако точек”. По результатам сканирования составляется трехмерная модель, конвертируемая в CAD и ГИС-приложения.

Использование модели: создание любых сечений, измерение геометрических параметров, создание моделей отдельных элементов.

Существует несколько моделей лазерного сканирования наземного базирования. Для съемки с больших расстояний (до 76 м) крупных объектов и поверхностей и при отрицательных температурах подходит сканер ILRIS-3D Канадской фирмы Optech. Он применялся при съемке храма в Москве, Съемке горных склонов в Башкортостане и на Кольском полуострове, при работах на Норильский никель, при фасадных съемках в Самаре и Калининграде.

2. Подземное лазерное сканирование

Cavity Monitoring System (система мониторинга полостей) (той же фирмы).

Назначение: съемка недоступных полостей (очистных камер, рудоспусков).

GPS-съемка (системы спутниковой навигации (позиционирования)). Этот вид съемки, в последнее время, достаточно массово применяется при изысканиях автомобильных дорог. Однако, в виду того, что прибор (режим «кинематика») устанавливается на автомобиль (подрессоренная часть), точность таких измерений остается низкой. В режимах «статика» и «stop and go» GPS является достойной альтернативой тахеометрической съемке.

Существенным недостатком этого метода является и то, что в закрытой местности (залесенность, застройка, тоннели) показания GPS могут давать сбои и отказы. Избежать этого можно совместным применением спутниковых и гироскопических систем.

Приборы спутниковой навигации (GPS-приемники)

В Роскартографии разработаны Концепция и Программа перевода системы геодезического обеспечения на современные спутниковые технологии на основе ГЛОНАСС/GPS-измерений. Роскартография приступила к созданию геодезической сети нового поколения и качественного нового уровня. Такая сеть уже создана на территории Европейской части России: 72 пункта фундаментальной астрономо-геодезической сети и высокоточной геодезической сети. На них проводятся GPS-наблюдения.

В настоящее время функционируют две глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС) ГЛОНАСС (Россия) и GPS (США). Кроме того, сейчас готовится к эксплуатации европейская система Galileo.

Все эти системы состоят из трех основных подсистем: 1) наземного контроля и управления; 2) созвездия космических аппаратов; 3) аппаратуры пользователей.

Подсистема наземного контроля и управления состоит из 1) станций слежения за спутниками, 2) службы точного времени, 3) главной станции с вычислительным центром и станции загрузки данных на борт спутников.

Спутники проходят над контрольными пунктами дважды в сутки. Собранная на станциях слежения информация об орбитах спутников используется для прогнозирования точного положения спутников на орбите. Вся совокупность сведений о траекториях всех спутников называется альманахом и загружается на все спутники сразу.

В спутниковых системах GPS и ГЛОНАСС имеется по 24 основных работающих и несколько резервных спутников (рис. 3.73), которые равномерно распределены в околоземном пространстве на высотах около 20 тыс. км в 6 и 3 орбитальных плоскостях соответственно (рис. 3.74). В системе Galileo будет 27 основных и 3 резервных спутника, расположенных на высоте 23 200 км.

Область применения GPS-приемников: геодезия, геодинамика, земельный кадастр, землеустройство, управление транспортом.

Назначение: проведение топографической съемки, сбор данных для ГИС приложений, создание опорных геодезических сетей.

Способ работы: пользователи ГНСС с помощью GPS-приемников принимают сигналы от навигационных космических аппаратов и определяют собственное местоположение. При проведении геодезических изысканий они используются обычно только для съемки отдельных ключевых точек на местности, например, тех, где устанавливаются тахеометры. Это связано с низкой скоростью работы спутниковых приемников и их невысокой точностью.

Приемники бывают кодовыми и кодово-фазовыми. Первые из них являются очень компактными (умещаются на ладони) и совмещают в одном корпусе приемник, антенну и источник питания. Такие приемники часто называют навигационными, т. к. они выдают относительно неточные координаты. В целом эти приемники достаточно дешевы и потому доступны для массового применения.

Фазово-кодовые приемники позволяют достигать гораздо большей точности координат. Они также являются очень компактными, но с отдельной выносной антенной; часто имеют внешние аккумуляторы и отдельные клавиатуру и дисплей. В случае, когда фазово-кодовые приемники работают в паре со вторым приемником в так называемом дифференциальном режиме, то возможно достижение точности до 1-2 сантиметров.

В силу определенных особенностей определения координат приемники глобальных систем позиционирования могут измерять координаты одной точки достаточно долго. Чем больше времени отводится на съемку, тем точнее результат. В навигационных приемниках определение координат выполняется достаточно быстро (секунды), однако точность составляет метры и даже десятки метров. В геодезических приемниках время установления координат может составлять от 5 минут до одного часа. Причем время и точность съемки существенно зависит от количества доступных на небосводе спутников.

Одно из применений навигационных приемников – это съемка осей автомобильных дорог для нанесения на мелкомасштабные карты. Одним из недостатков работы GPS-приемников в движении является снижение точности измерений и возможная временная потеря видимости некоторых спутников, например, при проезде автомобиля с GPS-приемником через густой лес, в низине или в тоннеле.

GPS-приемники бывают:

1)  одночастотный (точность до 1 см/км);

2)  двухчастотный (точность до 1 мм/км).

GPS-приемники снабжаются контроллерами – прочными карманными компьютерами (накопителями данных) для работы в полевых условиях. Для них разрабатывается специальное программное обеспечение, работающее в OS Windows.

Наиболее распространены GPS-приемники фирмы Trimble, но также существуют и отечественные приборы.

Спутниковые снимки

Для решения задач проектирования могут быть использованы спутниковые снимки. Они могут быть в разных вариантах: черно-белые, цветные и т. д.

Виды изображений:

1)  базовое – для выполнения фотограмметрических процессов: ортоисправления и трехмерного моделирования;

2)  стандартное – для визуального анализа, классификации объектов, основы для ГИС и картографических приложений;

3)  ортоисправленное – подготовленное для ГИС и картографических приложений, с высокой степенью геометрической точности.

Применение: картографирование, землепользование, сельское и лесное хозяйство, мониторинг окружающей среды / стихийные бедствия.

2.6. Приборы, используемые при проведении инженерно-геологических изысканий

Инженерно-геологические изыскания должны выполняться с применением прогрессивных методов работ, современных приборов и оборудования, обеспечивающих повышение производительности труда, улучшение качества и сокращение продолжительности изысканий.

Основной объем изыскательских работ для построения геолого-литологических разрезов, отбора образцов грунта, изучения их свойств, изучения гидрогеологических условий выполняется бурением скважин.

Кроме буровых и шурфовочных работ, для изучения инженерно-геологических условий проложения проектируемой дороги, применяют геофизические методы и георадарные технологии.

Георадар – цифровой, портативный, геофизический прибор, предназначенный для решения широкого спектра геотехнических, геологических, экологических, инженерных и других задач, где есть необходимость оперативного мониторинга среды, получения разрезов грунта, не требующих бурения или раскопок.

Работа георадара основана на проникновении электромагнитной волны короткой продолжительности в многослойные среды, приеме и преобразовании отраженного сигнала.

По результатам георадарного сканирования получается непрерывная волновая картинка (радарограмма), которая по специальной программе обрабатывается и интерпретируется в разрез среды.

Преимущество: непрерывный разрез, неразрушающий и экологически чистый метод.

Область применения:

1)  Инженерно-геологические изыскания.

2)  Разведка и оценка запасов строительных материалов в карьерах.

3)  Обследование автомобильных дорог:

-  толщины слоев дорожной одежды;

-  мощность и типы грунтов земляного полотна и подстилающего основания;

-  однородность материалов дорожной одежды и грунта земляного полотна;

-  локальные ослабления;

-  участки инфильтрации поверхностных и подземных вод;

-  пространственное геометрическое очертание водоупоров;

-  положение подземных коммуникаций;

-  влажность грунтов земляного полотна;

-  глубина промерзания и оттаивания грунтов;

-  местоположение кривой скольжения на оползневых участках;

-  положение уровня грунтовых вод.

4)  Контроль качества выполненных работ на автодороге: состояние земляного полотна, толщины слоев дорожной одежды.

5)  Обследование плотин и гидроузлов.

6)  Обследование взлетно-посадочных полос и перронов аэродромов.

7)  Обследование зданий.

Георадары работают при температурах от -40˚С до +40˚С. Приборы компактные (массой 1,5-15 кг).

Высокая производительность в полевых условиях (от 5 до 30 км за смену), однако, в камеральных условиях – 500-1000 м разреза.

При использовании георадаров необходимы контрольные буровые работы или шурфование. С 2003 года георадары используются в ГП РосдорНИИ.

Для обработки и интерпретации данных георадиолокации (георадара) специально предназначена пограмма RadExplorer. Оптимизированный для георадиолокации набор возможностей, удобный и понятный русскоязычный интерфейс позволяют проводить обработку георадарных данных быстро, просто и эффективно.

Пример обработанной радарограммы