Что нового в сегодняшней практике инженерно геодезических изысканий
Инженерно-геодезические изыскания
Обзор современных методов в геодезии.
Методы производства инженерно-геодезических изысканий стремительно меняются последние 20 лет, а в последние 10 лет в особенности. Для среднестатистического геодезиста конца 90х годов совокупность современных геодезических приемов выглядела бы научной фантастикой. За развитием технологий не успевает не только нормативно-техническая база, но и преподавательский состав ведущих профильных ВУЗов.
Нередко заказчик обращается к нам за конкретным способом топографической съемки, а в процессе уточнения технического задания мы меняем методику. Важно понимать, что сегодня одним методом производство инженерно-геодезических изысканий ограничивается крайне редко.
Перечислю практикуемые виды съёмки:
Спутниковая съёмка использует системы глобального спутникового позиционирования: GPS, ГЛОНАСС, Галилео, Бейдоу. В отличие от навигационных используются более точные частоты и систему базовая станция/ровер в различных комбинациях (RTK, статика, кинематика, stop&go, референцные станции, PPP, RTX и прочие).
Принцип действия базируется на определении расстояния от принимающего устройства (спутникового приемника, ровера) до спутника, ежесекундно испускающего (передающего) сигнал. Координаты местоположения спутника известны каждый момент испускания (передачи) сигнала. Ввиду того, что спутников много, то местоположение приемника определяется в точке пересечения сфер, образованных вокруг спутников с известными координатами. Точность положения приёмника уточняется базовой станцией, таким же приемником, стоящим стационарно и принимающим сигнал от тех же спутников, что и ровер – ввиду того, что базовая станция неподвижна, то в процессе уравнивания положения ровера уточняется векторами измерений, показывающими отличие от истинного положения базовой станции в каждый момент времени.
Способ незаменим для развития опорной геодезической сети и планово-съемочного обоснования при отсутствии в непосредственной близости опорной сети пунктов.
Съёмка (работа) Может быть осуществлена 1 человеком
Лазерное сканирование
Осуществляется стационарным лазерным сканером, обычно расположенным на штативе, посредством лазерного дальномера, измеряющего расстояния от прибора до снимаемого объекта и регистрацией вертикального и горизонтального углов. Процесс съемки происходит с большой скоростью (сотни тысяч измерений в секунду) и большой дальностью (до 6000 метров) на 360градусов в обеих плоскостях вокруг лазерного сканера. На выходе получается материал в виде трехмерного очень плотного облака точек, в зависимости от назначения съёмки до десятка измерений на 1 см2.
Обычно выделяется в отдельный от инженерных изысканий вид работ ввиду специфики задач. Результат лазерного сканирования – сверх детализированная 3D-модель поверхности снимаемого объекта. В подавляющем большинстве случаев объекты съёмки имеют антропогенное происхождение.
Самый мощный инструмент инженерно-геодезических изысканий, покрывающий наибольшие площади при крупных масштабах съёмки.
Производительность ВЛС составляет до 1000 км2 в день. Полезно понимать, что производительность сильно зависит от масштаба, а, следовательно, высоты полёта, а, следовательно, ширины коридора, от погодных условий, полетных режимов в местности, времени года, продолжительности светового дня (для ВЛС без аэрофотосъёмки не важно время суток).
Лазерный сканер устанавливается на пилотируемый носитель, самолёт или вертолёт. Установка включает в себя не только сам лазерный сканер, но и цифровую фотокамеру, инерциальную и ГНСС системы. Координаты положения сканирующего устройства в полете в каждую единицу времени определяются при помощи ГНСС-оборудования, совмещённого с инерциальной навигационной системой, регистрирующей крен, тангаж, рысканье, ускорение/торможение, изменение высоты, боковое смещение. При этом инерциальная система дополняет GNSS измерения, фиксируя углы сенсоров с частотой более 100 раз за 1 секунду.
Оборудование для лазерного сканирования имеет довольно большие габариты и массу (см. фото), что делает невозможным ее установку на БПЛА. Вес блока управления и блока сенсоров превышает более 200кг.
Комплекс оборудования для ВЛС установленный на самолёте Ан-2
Блок управления ВЛС
Блок сенсоров ВЛС (в том числе цифровая АФС камера и тепловизионная камера)
Этапы производства ВЛС:
Как видно из этапов работ воздушное лазерное сканирование не обходится без дополнительных работ с привлечением ГНСС-съемок, тахеометрических съёмок.
Зачастую возникает потребность снять широкий коридор и большую площадь, выдать результат в весьма мелком масштабе (1:5000, 1:10000), но с возможность в дальнейшем увеличить масштаб инженерно-топографического плана. Такие объекты выполняются пилотируемой авиацией с использованием комплексов воздушного лазерного сканирования несмотря на мелкий масштаб, которым можно было бы выполнить фотограмметрически.
При выполнение Воздушного Лазерного Сканирования (ВЛС) происходит фиксация нескольких отражений от одного лазерного импульса, тем самым при классификации облака точек лазерных отражений возможно интерпретировать различные поверхности от которых был отражён лазерный луч. Так как при отражений от разных поверхностей лазерный луч имеет разную амплитуду (см рисунок).
Главным преимуществом ВЛС перед АФС является получение максимального точного рельефа даже на территории, покрытые растительностью, за счёт определения крайнего отражения лазерного луча от поверхности. Плотность измерений отражений от поверхности рельефа около 10 измерений на 1 м2. Благодаря этому строится очень подробный рельеф местности (ЦМР).
Как и ВЛС с пилотируемой авиации, лазерное сканирование с БПЛА – комплекс, объединяющий сам лазерный сканер, аэрофотосъемочный комплекс, ГНСС.
От ВЛС на пилотируемой авиации описываемый метод отличается малыми габаритами сканера, малой высотой съёмки, крайне малым временем полёт коптера – около 17 минут.
Ввиду малых габаритов лазерного сканера, он обладает и малой мощностью, и меньшим радиусом действия.
Пока лазерный сканер устанавливается преимущественно на коптеры ввиду их большей грузоподъемности в сравнении с беспилотниками самолетного типа.
Итак, мы получаем более дешевый и мобильный, но менее производительный инструмент чем пилотируемое ВЛС, но более производительный инструмент по сравнению с наземными методами, тем не менее более дорогой.
Область применения – преимущественно технологические площадки, промышленные зоны, труднодоступные места, обрывистые склоны, залесённые склоны гор, заболоченные территории, снежный покров.
По размеру территории целесообразно использовать для технологических площадок от 10 га, для открытых мест от 1 до 15 км2
Ограничения такие же как у ВЛС – в основном, метео и климатические условия.
Система мобильного лазерного сканирования обычно устанавливается на автомобиль при съемке автомобильных дорог или на локомотив/моторизированную дрезину при съемке железной дороги. Как и в случае с ВЛС комплекс состоит из лазерного сканера, инерциальную и ГНСС системы, датчика отсчёта пути.
На практике метод применяется преимущественно для инвентаризации и паспортизации инфраструктуры автомобильных и железных дорог, а также для ряда специфических задач:
Только для нужд инженерно-геодезических изысканий применяется редко. Чистая топографическая съемка по данным лазерного сканирования получается, как правило с пробелами и нуждается в досъёмке другими методами, БПЛА (ВЛС или фотограмметрическое), тахеометрической или ГНСС съемке.
Один из наиболее доступных способов сильно увеличить площадь съемки, производительность.
Осуществляется путем сплошного фотографирования земной поверхности с беспилотного летательного аппарата и дальнейшей фотограмметрической обработки массива полученных снимков на основе стереоэффекта перекрывающихся снимков. После обработки массива снимков получается трехмерная поверхность местности и ортофотоплан. Трехмерная модель обеспечивает информацию о рельефе земной поверхности и высотах зданий, сооружений, растительности, а ортофотоплан о контурах зданий, дорог, коммуникаций, покрытий, растительности и т.д.
Привязка осуществляется двумя способами:
Есть 2 вида беспилотных летательных аппаратов – вертолетного (коптерного) и самолетного типа. Вертолетный (Коптерный) тип, он же квадрокоптер, более дешевый/доступный инструмент, покрывающий значительно меньшие площади в единицу времени, в отличие от более дорогого и производительного БПЛА самолетного типа.
Масштабы крупнее 1:2000 при сложной местности нуждаются в уточнении наземными способами съемки.
Полезно использовать метод как вспомогательный при ГНСС и тахеометрических съемках.
Метод применим для масштабов 1:10 000 и мельче, для больших площадей, часто используется для различного вида мониторингов. Можно заказать съемку одной и той же территории разных лет для анализа динамики различных процессов. Также есть возможность сделать заявку на съемку интересующей территории в будущем на какой-либо период.
Как об отдельном виде получения материала стоит упомянуть о работе с архивными и изысканиями прошлых лет, чем часто пренебрегают. Нередко, запланировав обширные работы по инженерно-геодезическим изысканиям, после тщательного сбора и изучения архивов, полевая часть сводится лишь к проверке материала с карандашом, рулеткой и набору контрольных пикетов.
Специфические методы, например, инерциальные системы, которые пытаются интегрировать с GPS-оборудование. Они же естественным образом используются в летательных аппаратах.
Съёмка подземных коммуникаций – отдельное, но неотъемлемое направление инженерно-геодезических изысканий. Базовый способ – съемка колодцев, их вскрытие и «прозвон» коммуникаций трубокабелеискателем. Опционально к коммуникации при соблюдении техник безопасности подключают генератор частоты, такая же частота устанавливается на приемнике, показывающем точное плановое положение и глубину заложение искомой коммуникации. Генератор может подключаться как напрямую к коммуникации, так и с помощью индуктивной антенны.
После съемки в обязательном порядке коммуникации согласуются с эксплуатирующими организациями, сличение и нанесение по исполнительным чертежам, в ряде случаев с выездом представителя на место производства работ. В крупных городах и на действующих промышленных предприятиях, как правило, выдается сводный план сетей перед производством инженрено-геодезических изысканий.
В редких случаях коммуникацию невозможно найти никаким из вышеперечисленных способов –она может быть пластиковой или может быть слишком большая плотность коммуникаций. В таких случаях прибегают к шурфлению или георадарным съемкам.
Нередко заказчик обращается к нам за конкретным способом топографической съёмки, а в процессе уточнения технического задания мы меняем методику. Важно понимать, что сегодня одним методом производство инженерно-геодезических изысканий ограничивается крайне редко. Приведем пример ряда объектов:
Съемка СНТ для газификации. Ввиду затрудненного получения доступа на каждый из множества участков – целесообразно использовать аэрофотосъёмку с беспилотного летательного аппарата, привязку к системе координат целесообразно осуществлять ГНСС методами, съёмку проездов, улиц – тахеометрическим методом.
Инженерно-геодезические изыскания для нового строительства ВЛ 500 кВ, протяженность 500 км. Таежная зона, малонаселенная.
Основным методом выбрано воздушное лазерное сканирование, для подготовки к полетам расставляются базовые станции, привязанные заранее к пунктам государственной геодезической сети приемниками глобальных навигационных спутниковых систем, переходы проектируемо ВЛ через антропогенные преграды снимаются преимущественно тахеометром. При изменении трассы после основного полета ВЛС незначительные по площади участки мелких масштабов, не крупнее 1:2000 могут быть досняты методом аэрофотосъёмки БПЛА.
Реконструкция учебно-экспериментальной электростанции, создание опытно-технологических установок «Теплоцентраль» Московского энергетического института. ТЭЦ МЭИ.
Привязка к московской системе координат и высот осуществлена GNSS-приёмниками, съемка наружной части – тахеометром. Внутренняя часть здания отсканирована наземным лазерным сканером.
Видно, что практически всегда остаются тахеометрический и ГНСС методы, но основной объём съёмок осуществляется иными методами.
Основные этапы инжерено-геодезических изысканий
Отделочные и ремонтные работы
Современные методы инженерных изысканий
Инженерные изыскания — комплекс работ, проводимых для получения сведений, необходимых для выбора экономически целесообразного и технически обоснованного местоположения сооружения, для решения основных вопросов, связанных с проектированием, строительством и эксплуатацией сооружений.
Изыскания делятся: на предварительные на стадии технико-экономического обоснования (ТЭО) или технико-экономического расчета (ТЭР); на стадии проекта; на стадии рабочей документации.
Кроме того, изыскания делят на экономические и технические.
Экономические изыскания предшествуют техническим, определяют экономическую целесообразность строительства сооружения в данном месте с учетом обеспечения сырьем, строительными материалами, транспортом, энергией, рабочей силой и т. п. Изыскания технические выполняют, чтобы получить сведения о природных условиях участка с целью наилучшего учета и использования их при проектировании и строительстве. Они включают в себя топографо-геодезические, инженерно-геологические, гидрологические, почвенные и др. работы. При двух — стадийном проектировании изыскания технические разделяют на предварительные (для составления технического проекта и сметной документации) и окончательные (для составления рабочих чертежей).
Инженерные изыскания осуществляют раздельно для каждой стадии проектирования. По сложным объектам производят дополнительные изыскания, необходимые для доработки и уточнения проекта. По отдельным простым объектам изыскания можно выполнять в 1 стадию.
Инженер. изыскания выполняют в 3 периода: подготов., полевой и камеральный. В подготов. период собир. и изучают необходимые дан.по объекту изысканий и намечают организационные мероприятия по производству инженерных изысканий. В полевой период, кроме полевых работ, производят часть камеральных и лабораторных работ, необходимых для обеспечения непрерывного полевого изыскательного процесса и контроля полноты и точности полевых работ. В камеральный период осуществляют обработку всех полевых материалов.
Задачи инженерных изысканий – комплексное изучение природных и техногенных условий территории (региона, района, площадки, участка, трассы) объектов строительства, составление прогнозов взаимодействия этих объектов с окружающей средой, обоснование их инженерной защиты и безопасных условий жизни населения.
На основе материалов инженерных изысканий для строительства осуществляется разработка предпроектной документации, в том числе градостроительной документации и обоснований инвестиций в строительство, проектов и рабочей документации строительства предприятий, зданий и сооружений, включая расширение, реконструкцию, техническое перевооружение, эксплуатацию и ликвидацию объектов, ведение государственных кадастров и информационных систем поселений, а также рекомендаций для принятия экономически, технически, социально и экологически обоснованных проектных решений.
Инженерные изыскания — основные виды: инженерно-геологические и гидрогеологические изыскания; инженерно-геодезические изыскания; инженерно-экологические изыскания; инженерно-гидрометеорологические изыскания.
Инженерно-геологические изыскания включают в себя изучение грунтов, как среды и основания сооружений, особенности гидрогеологического режима территории строительства, связанного с деятельностью подземных вод, физико-геологических процессов и явлений, яркими представителями которых являются сели, оползни и обвалы, а также карстово-суффозионные процессы и подтопление территории.
Обычно при инженерно-геологических изысканиях выполняются следующие виды работ:
1. Инженерно-геологическая рекогносцировка:
· осмотр места изыскательских работ;
· описание имеющихся обнажений, в том числе карьеров, строительных выработок и др.;
· описание геоботанических индикаторов гидрогеологических и экологических условий;
· описание внешних проявлений геодинамических процессов.
2. Бурение скважин и проходка шурфов осуществляются с целью:
— определения геологического строения участка, условий залегания грунтов и подземных вод;
— отбора образцов грунтов для определения их состава, состояния и свойств, а также проб подземных вод для их химического анализа;
— проведения полевых исследований свойств грунтов, определения гидрогеологических параметров водоносных горизонтов и производства геофизических исследований.
3. Полевые исследования прочностных и деформационных свойств грунтов выполняются с применением методов статического или динамического зондирования, а также штампами или прессиометрами.
4. Гидрогеологические исследования при инженерно-геологических изысканиях выполняют в тех случаях, когда в сфере взаимодействия проектируемого объекта с геологической средой распространены подземные воды, прогнозируется процесс подтопления или подземные воды оказывают существенное влияние на изменение свойств грунтов, а также на интенсивность развития геологических и инженерно-геологических процессов (карст, суффозия, оползни, пучение и др.).
Инженерно-геодезические изыскания отображают особенности поверхности территории, предназначенной для строительства, положение подземных и наземных коммуникаций.
Инженерно-геодезические работы подразделяются на:
· наблюдения за деформациями сооружений.
В состав топографо-геодезических работ входят:
· построение государственной геодезической сети;
· создание планово-высотного съемочного обоснования;
· построение крупномасштабных планов для снятого участка.
Гидрометеорологические изыскания изучают климат территории и особенности существующих открытых водотоков.
Всё большее внимание в последнее время уделяется инженерно-экологическим изысканиям, целью которых является оценка радиологической, санитарно-химической, санитарно-эпидемиологической и биологической безопасности. В ходе изысканий получают информацию, необходимую для экологического обоснования проектной документации.
Материалы инженерно-экологических изысканий используются для разработки:
· раздела «Оценка воздействия на окружающую среду» (ОВОС) в обосновании инвестиций;
· раздела «Охрана окружающей среды» в проекте строительства;
· ходатайства о намерениях и градостроительной документации.
Состав работ:
· геоэкологическое опробование и оценка загрязненности подземных и поверхностных вод, почв, грунтов и атмосферного воздуха;
· исследования и оценка радиационной обстановки;
· исследование и оценка физических воздействий (уровень шума, вибрации, электромагнитного поля);
· санитарно-эпидемиологические и медико-биологические исследования;
· камеральная обработка материалов и составление отчетной технической документации с графическими и текстовыми приложениями.
Линейные изыскания имеют ряд особенностей и отличаются в отдельных случаях большой сложностью. Поэтому изыскания при проектировании и строительстве железных и автомобильных дорог, каналов, трубопроводов, линий электропередачи, линий электросвязи и т.д., выделяют отдельно.
Одной из сложнейших задач строительства новых сооружений в пределах городской застройки является сохранение целостности построенных ранее сооружений и, в особенности, исторических зданий: в соответствии с действующими нормативными документами деформация (осадка, сдвиг) этих зданий, в процессе строительства и эксплуатации нового сооружения не должна превышать первых миллиметров. Такие деформации возможны при раскрытии котлована, строящегося здания, изменении уровня подземных вод, связанного с откачкой воды из этого котлована в процессе строительства, или подпора подземного потока в результате его перекрытия противофильтрационными сооружениями в котловане и т.п. Прогноз всех этих явлений и, как следствие, возможных деформаций существующего здания и обоснования проектных решений, обеспечивающих безаварийное сосуществование старого и нового сооружений, также задача инженерных изысканий.
Инженерные изыскания выполняются на основе программы инженерных изысканий, которая должна полностью соответствовать техническому заданию Заказчика.
В случае выявления в процессе инженерных изысканий сложных природных и техногенных условий, которые могут оказать неблагоприятное влияние на строительство и эксплуатацию сооружений и среду обитания, исполнитель инженерных изысканий должен поставить заказчика в известность о необходимости дополнительного изучения и внесения изменений и дополнений в программу инженерных изысканий и в договор (контракт) в части увеличения продолжительности и (или) стоимости инженерных изысканий.
Изыскательская продукция должна передаваться заказчику в виде технического отчета о выполненных инженерных изысканиях, оформленного в соответствии с требованиями нормативных документов и государственных стандартов Минстроя России, состоящего из текстовой и графической частей и приложений (в текстовой, графической, цифровой и иных формах представления информации).
В текстовой части технического отчета необходимо приводить сведения о задачах инженерных изысканий, местоположении района (площадки, трассы), характере проектируемых объектов строительства, видах, объемах и методах работ, сроках их проведения и исполнителях работ, соответствии результатов инженерных изысканий договору, материалы и данные результатов комплексного изучения природных и техногенных условий территории объекта строительства.
Графическая часть технического отчета о выполненных инженерных изысканиях содержит: карты, планы, разрезы, профили, графики, таблицы параметров (характеристик, показателей), каталоги данных, содержащих основные результаты изучения, оценки и прогноза возможных изменений природных и техногенных условий объекта строительства.
Технический отчет должен представляться заказчику, а также передаваться в установленном порядке в соответствии с договором с сохранением авторства в территориальные фонды материалов инженерных изысканий органов исполнительной власти субъектов Российской Федерации или местного самоуправления и другие фонды.
Материалы выполненных полевых работ не входят в состав технического отчета, заказчику не передаются и должны храниться вместе с подлинником технического отчета, в архиве исполнителя инженерных изысканий.
Материалы инженерных изысканий подлежат обязательной государственной экспертизе, в части полноты, качества и достоверности данных для проектирования зданий и сооружений, обеспечения охраны окружающей природной среды и рационального использования природных ресурсов.
При проведении инженерных изысканий используются современнейшие методы такие как аэрокосмический метод. Для ускорения сроков съёмочных работ и повышения их качества используют аэрометоды, которые особенно эффективны в районах, труднодоступных для наземного изучения (заболоченные низменности, пустыни и т. д.). Широкое распространение в современных условиях получили методы космической съёмки, для которых разработана специальная аппаратура, методики дешифрирования снимков, позволяющие получать высокоточную и достоверную информацию.
Появление новых авиационных технологий сбора геопространственных данных, прежде всего, лазерных локаторов и цифровых аэрофотоаппаратов, дает значительные преимущества как в технологическом, так и в экономическом аспектах, существенно сокращает время получения конечного результата (производительность площадной съемки при проведении аэросъемочных работ для изготовления картографической продукции крупного масштаба составляет 1000 кв. км менее чем за 12 часов полета, а время обработки данных аэросъемки сопоставимо со временем сбора данных). Ряд государственных и частных отечественных компаний накопили значительный опыт работ по этому направлению, достигнув определенного успеха. Таким образом, применение методов авиационного дистанционного зондирования является обоснованным и экономически целесообразным