Кинематическое лазерное сканирование при оценке городского землепользования и коммунальной инфраструктуры
Урбанизация и развитие мегаполисов создают серьезные проблемы для устойчивого, но эффективного землепользования во всем мире. Линии электропередач, трубопроводы для воды, централизованного теплоснабжения, газа и нефти, а также другие технологические системы являются критически важными, но зачастую скрытыми объектами, облегчающими современный образ жизни. Между тем, существует постоянная потребность в сохранении естественной окружающей среды и рекреационных пространств в городах мира, несмотря на необходимость укладывать больше бетона и асфальта для размещения людей и предприятий, стекающихся к ним. В этой статье рассматривается, как кинематическое лазерное сканирование может способствовать городскому планированию и управлению инфраструктурой.
Потребность в более эффективном использовании ограниченной городской территории постоянно возрастает. Это стимулирует развитие и использование информационных систем в 3D, например в кадастре, планировании землепользования и управлении коммунальными услугами, а также в технологиях съемки и документирования, позволяющих получать высококачественные трехмерные и графические данные для удовлетворения таких потребностей. Для обеспечения бесперебойной работы важно знать точное местоположение объектов инфраструктуры, чтобы иметь возможность планировать и управлять строительством новых трубопроводов, кабелей передачи данных, силовых кабелей и т. п., а также обновлять старые системы и поддерживать и расширять городские зеленые насаждения. Если такие данные и информационные системы являются точными и актуальными, все работы могут выполняться быстрее, сводя к минимуму или устраняя ненужные сбои. При этом городское пространство можно использовать более эффективно для поддержки различных коммунальных услуг, дорожного движения и бытовых нужд.
Данные мультимодального (то есть выполняемого различными способами) лазерного сканирования все чаще используются для съемки и картографии благодаря развитию и доступности высокопроизводительных сенсорных технологий. Небольшие, но мощные системы лазерного сканирования и визуализации решают прикладные задачи, используя практически любую платформу для лазерного сканирования, по данным которого впоследствии решаются задачи трехмерной реконструкции. Бортовые системы и устройства кинематического лазерного сканирования на транспортных средствах, рюкзаках и портативных картографических системах могут служить средством сбора дополнительных данных для различных нужд и спецификаций пользователей.
Трехмерные облака точек являют собой общую отправную точку для рабочих процессов автоматического моделирования и создания приложений для визуализации и измерений, формируя будущую топооснову. Они являются важным активом для бизнеса и администрации, особенно – при ведении лесного хозяйства, управлении инфраструктурой, и для городского планирования. Они также являются основной для развития решений будущих прикладных задач.
Калибровка облака точек в городской среде, выполненная с помощью мобильной системы лазерного сканирования для создания цифрового двойника городской среды. Чтобы преобразовать необработанные данные позиционирования и лазерного сканирования в точное облако точек, необходимо откалибровать смещения системы и отклонения осей вращения сенсоров - в данном случае для этого использованы плоские элементы, автоматически найденные на данном участке съемки.
Кинематическое лазерное сканирование
Разработки в области лазерного сканирования и обработки облаков точек могут обеспечить значительную экономию средств за счет автоматизации обработки массивов данных с улучшенными выходными характеристиками и подробностью. Сбор кинематических данных обеспечивается в основном двумя различными технологиями: позиционированием GNSS-IMU и одновременной локализацией и картированием (SLAM), обе из которых являются средствами отслеживания перемещений геодезических лазерных сканирующих устройств во время работы. Первый предоставляет данные в глобальной географической системе координат, а второй обычно предоставляет данные в локальной координатной системе.
Что делает использование лазерного сканирования при картографировании таким эффективным, так это возможность проводить трехмерные измерения любых объектов в пределах прямой видимости лазерного луча. Для получения информации о координатах отражений используются принципы лазерной локации для измерения дальности. Способ измерения дальности заключается в передаче коротких, но мощных лазерных импульсов с высокой скоростью в направлении объекта съемки и сборе сигнала обратного рассеяния. Затем сигнал обрабатывается для обнаружения объектов на различном удалении в пределах области освещения луча. С помощью позиционирования на траектории, синхронизации данных и калибровки системы прицеливания, полученная информация перерабатывается в пригодные для использования трехмерные данные. Важным конечным продуктом таких съемок является облако точек, где местоположение каждой точки известно в локальной или в географической системе координат. Такие данные обеспечивают возможность мгновенной визуализации и измерения, но чаще пользователю требуются более обобщенные материалы: виртуальные модели и модели местности.
Данные с дронов (участки пригородной зоны) можно использовать для оценки землепользования и обновления городского планирования и кадастра. Информация об отражательной способности лазера в высоком разрешении дает представление о материалах поверхности и помогает разделять и идентифицировать объекты.
Оценка городского землепользования
Управление землепользованием в городах становится все более важным для обеспечения устойчивого развития и содействия безопасным и процветающим сообществам и окружающей среде в постоянно растущих агломерациях и мегаполисах. В целом, все городское пространство может быть поделено на жилые, деловые и общественные территории, объекты транспорта, парки, рекреационную и природную среду и коммунальные объекты. Всем этим нужно как-то управлять.
Современные технологии лазерного сканирования позволяют наносить на карту сложное городское пространство различными способами, как с воздуха, так и с земли. В целом, воздушное лазерное сканирование, часто подкрепленное аэрофотоснимками, представляет собой универсальный источник данных для крупномасштабной оценки местности и зданий. Это позволяет использовать различные инструменты для обнаружения новых зданий и дорог, мониторинга свалок, земляных работ, незаконных построек, вырубки лесов и других подобных индикаторов с низкой детализацией, обычно с уровнем точности 10-50 см.
Рекреационное пространство вокруг многоквартирного дома, нанесенное на карту с помощью кинематического лазерного сканирования. Данные обеспечивают точное описание объектов землепользования и строительства. Данные плотного облака точек также позволяют выполнять быструю визуализацию.
Для более детального управления и особенно для целей планирования желательна более высокая точность и разрешение. Например, более точная оценка объема засыпки / выемки земли перед строительством дороги или здания может позволить подрядчикам сократить расходы, и даже больше, если они смогут отслеживать ход земляных / земляных работ почти в реальном времени для контроля раскопки и управление парком самосвалов. Это также может позволить корректировать дизайн итоговой поверхности на объекте уже после окончания строительства (если это необходимо).
Данные лазерного сканирования с высоким разрешением могут быть получены с воздуха с помощью беспилотных летательных аппаратов (БПЛА или «дронов»). Воздушное сканирование обеспечивает легкий доступ к объектам с препятствиями, такими как заборы, траншеи и строительные площадки, а также позволяет делать снимки состояния крыш зданий, линий электропередач и так далее. Как правило, инструменты также обеспечивают более точные измерения, чем те, которые используются на больших высотах, а плотность данных обычно составляет от 50 до сотен точек на квадратный метр. На основе таких данных можно детально рассмотреть различные элементы городской среды: улицы, бордюры, пандусы, очертания и высоты зданий, городские зеленые насаждения и почвенный покров, детские площадки, мосты и водопропускные трубы и многое другое.
Кинематические 3D-данные позволяют не только быстро документировать этап строительства, но и позволяют отслеживать использование земли, рельеф местности и высоту дренажа, а также проверять уровень фундамента здания и размещение конструкции в сравнении с разрешениями и планом города.
Данные съемок с воздуха (с дрона) могут быть дополнены или заменены данными съемок с земли с помощью систем мобильного лазерного сканирования (MLS). Эти системы могут перемещаться с использованием колесных транспортных средств, и эти данные обычно обеспечивают детальное картографирование интересующих участков улиц. В некоторых случаях для проезда в ограниченные городские пространства можно использовать автомобили меньшего размера. В качестве альтернативы можно использовать рюкзак или портативные инструменты для получения данных, необходимых для выполнения поставленной задачи. Такие данные, как правило, могут охватывать внутренние части кварталов, зоны отдыха, детские площадки и парки и обеспечивать высокий уровень детализации массы зданий, переходов, планировки улиц и инженерных сетей.
Мониторинг строительства
Мониторинг строительной деятельности - одна из ключевых сфер интересов городской администрации. Данные кинематического лазерного сканирования позволяют получить полное представление о размещении конструкции, уровнях фундамента, расположении объекта по отношению к окружающей местности, улицам, системам водоотведения.
С точки зрения застройщика и подрядчика лазерное сканирование представляет собой отличный инструмент для документирования хода строительных работ и размещения фундаментов или конструкционных элементов до перехода к следующему этапу строительства. Точные данные позволяют контролировать размеры и адаптировать конструкцию сборных элементов, что экономит затрат и минимизирует задержки.
С точки зрения безопасности и доступности точные трехмерные данные позволяют планировать и управлять использованием пространства на объекте для проектирования зон для подъема, хранения и движения. Эти данные также позволяют документировать защитные сооружения на площадке, такие как заборы и объезд дорог и движения транспорта мимо площадки. Такие данные затем могут быть переданы в городское управление или дорожное управление, чтобы сообщить о планах работ или возможном воздействии на дорожное движение.
Земляные работы и взрывные работы на строительной площадке с новым фундаментом здания.
Документирование инфраструктуры
Государственная и частная инфраструктура обеспечивает поселения ресурсами повседневного обихода (которые часто воспринимаются как должное в городской жизни). Это электроэнергия, вода и отопление, не говоря уже о функциональных транспортных системах с дорогами, улицами и связанными с ними объектами. Поддержание этой инфраструктуры для обеспечения ее бесперебойной работы требует усилий и затрат, которые можно минимизировать за счет использования современных технологий управления активами. Актуальные и точные базы данных 3D-объектов, поддерживаемые геодезическими технологиями, обеспечивающими точные 3D-данные, помогают предотвратить сопутствующий ущерб при выемке грунта и могут использоваться для обмена информацией об активах между подрядчиками и другими сторонами, участвующими в любом конкретном строительстве.
Воздушные кабели - важная особенность любого городского ландшафта, а также электрических железных дорог. Они занимают пространство над городскими районами, нависают над улицами и прорезают парки и леса. Кинематическое лазерное сканирование особенно подходит для съемок коридорного типа, а линии электропередачи представляют собой четко определенные объекты коридорного типа. Кинематическое лазерное сканирование обеспечивает простоту развертывания и сбора данных с хорошей точностью и уровнем детализации для моделирования и мониторинга надземных объектов. Картографирование не ограничивается самой линией электропередачи, но также предоставляет и точную информацию о местности и растительности в непосредственной близости от линии. За пределами дорог мобильное сканирование в нужном коридоре может быть достигнуто за счет использования вездеходов или развертывания специальной системы лазерного сканирования в виде рюкзака с лазерным сканером для работ в труднопроходимой местности. Основными преимуществами MLS (мобильного лазерного сканирования) перед авиационным лазерным сканированием (ALS) являются более высокая детализация (за счет меньшего расстояния до интересующих нас объектов), меньшая потребность в опытном обслуживающем персонале и общая работоспособность в сложных погодных условиях (например, при сильном ветре или дожде).
Монтаж подземного трубопровода для централизованного теплоснабжения. С помощью кинематического лазерного сканирования можно задокументировать местоположение защитного короба для будущего обслуживания и планирования ремонта.
Подземные сооружения, такие как силовые кабели, водопроводные и газовые трубы, канализация, дренажные трубопроводы и трубопроводы централизованного теплоснабжения, обычно прокладываются под землей для повышения эффективности использования пространства, но часто также для повышения безопасности и обеспечения бесперебойной доставки. Однако это создает риск повреждения и разрушения, если точное местоположение и глубина установки недостаточно хорошо задокументированы, и в этом районе необходимо провести новое строительство или, например, есть утечка в трубопроводе. Такое документирование возможно с помощью кинематического лазерного сканирования, а дальность действия лазерных сканеров не требует нахождения съемочной системы непосредственно у зоны выемки, что повышает безопасность бригады и ускоряет процесс. За один проход геодезист может отснять сам объект прокладки (кабель, трубу), окружающие земляные работы и общую геометрию интересующих объектов с высокой степенью детализации. Позже, вернувшись в офис, текущее состояние размещаемых под землей объектов, расположение технических компонентов и основного трубопровода можно перенести в базу данных для распространения и использования в будущем. Подобное применение часто встречается на промышленных объектах со сложными трубопроводными и распределительными установками.
Продольный разрез трубопровода показывает расположение сварных швов и изоляции шва, наклон трубы и положение по глубине относительно земляной засыпки.
Вывод
Применение кинематического лазерного сканирования в городских условиях предоставляет подробную информацию для многих целей, связанных с управлением, развитием и документированием человеческой деятельности и взаимодействия с природой и местностью. Сбор кинематических данных с использованием лазерного сканирования, будь то на основе GNSS-IMU или SLAM, позволяет быстро фиксировать геометрию и состояние объектов, не нарушая работу, и фиксирует точные размеры и взаимосвязи между объектами, которые не всегда доступны с использованием обычных инструментов съемки. С помощью данных кинематического лазерного сканирования фактическое состояние, этап строительства и расположение компонентов городской среды могут быть оцифрованы, или вся площадка может быть обследована и задокументирована в 3D. Картографирование и документирование различных вариантов использования городской среды, земного покрова, особенностей ландшафта и растительности - важные области применения кинематического лазерного сканирования в городских условиях. Это позволяет использовать указанные материалы в будущем для более рационального планирования городского пространства и землепользования.
Железнодорожные сооружения, отснятые переносной мобильной системой, формируют облако точек, необходимое для документации и моделирования активов. Точное расположение рельсов, опор, порталов, проводов и изоляторов, кабельных колодцев и балансиров хорошо видно, большинство объектов идентифицируется по точному облаку точек.
Данные лазерного сканирования с высоким разрешением городской территории, полученные при съемке с воздуха с помощью дронов, дают подробную картину использования пространства в 3D и позволяют обновлять план города.