Лазерное сканирование и фотограмметрия в дорожном строительстве

Состояние отрасли дорожного хозяйства 

По данным Росавтодора на конец 2020 года 54.2% дорог общего пользования не отвечают нормативным требованиям – это связано со многими факторами, но один из них – не соблюдение сроков строительства и ремонта автомобильных дорог. Финансирование расходов в сфере транспорта за счет средств федерального бюджета в 2020 году составило 1204,4 млрд рублей – оно постепенно увеличивается, также растёт количество программ по обеспечению безопасности на дорогах, рациональному использованию природных ресурсов и внедрению инновационных технологий.

Постепенно снижается нагрузка на дорожную сеть за счёт её развития и увеличения межремонтных сроков, увеличивается протяженность автомобильных дорог общего пользования. И одним из приоритетных направлений развития является Цифровизация дорожной отрасли.

Применение беспилотных летательных аппаратов

Беспилотные летательные аппараты (БПЛА или дроны) используют при строительстве совершенно разных объектов, и дороги – не исключение. Полезной нагрузкой на них может быть не только классическая фотокамера для аэрофотосъёмки, но и LiDAR (лазерный сканер). Применение дронов значительно сокращает время работ в поле и дает преимущество в оперативности, объективности и разнообразии полученных данных в сравнении с классическими геодезическими методами.

Фотограмметрия

При использовании дронов с видео- и фотокамерой на борту, первые получаемые данные – это аэрофотоснимки с их точными координатами. Во время полёта по заданной траектории или в ручном режиме беспилотник делает фотографию и фиксирует её точную координату с помощью встроенного GNSSприёмника. Из набора таких снимков с достаточным перекрытием после фотограмметрической обработки получается точная 3D модель объекта, ортофотоплан и цифровая модель местности. 

• 

• 

Фотограмметрический метод обработки базируется на уравнивании между собой соседних снимков за счет нахождения на них общих точек и вычислении их точных координат. Такие точки образуют собой разреженное облако точек, которое через несколько этапов трансформируется в конечные результаты.

LiDAR

LiDAR – Light Detection and Ranging – это технология, основанная на расчёте расстояния с помощью времени прохождения сигнала/лазера до объекта и обратно до источника. Такие сигналы могут испускаться с частотой до 150 000 в секунду.

Такая высокая частота сигнала и точность фиксации времени испускания/приема сигнала  позволяют инструментам получать миллионы точек с поверхности объектов. И в отличие от фотокамеры, лидары с большей частотой собирают информацию об окружающих объектах. Это преимущественно выражается на территориях с густой растительностью, где фиксированное изображение с камеры может не получить информации о поверхности под деревьями в лесу, а лидар, за счет большей частоты, может испустить и принять достаточное количество сигналов, которые смогут пройти мимо листвы до подстилающей поверхности. С помощью таких точек получают поверхность земли и строят цифровую модель рельефа, которая не учитывает высоту растительности, что важно при расчете, например, планируемых объемов земляных работ.

Как используются технологии

Актуальную обновленную информацию с полей о ходе строительства использует всегда несколько подразделений, участвующих в процессе строительства или мониторинга.

• Для инженерных отделов в первую очередь важна информация о текущем состоянии работ, соблюдении этапов, строительных норм и технологических процессов, особенно актуально, когда необходимо провести контроль подрядчиков;
• Служба безопасности контролирует соблюдение правил и выявляет несанкционированную деятельность на строй площадке;
• Отделы эксплуатации занимаются мониторингом соблюдения правил использования техники, выявлением отказов и признаков ЧП и её предотвращением;
• Всю информацию о сроках, этапах строительства, координировании разных служб собирают и контролируют менеджеры проекта для принятия своевременных управленческих решений.

Дроны для таких задач – практически незаменимый инструмент. За счет охвата территории в короткий срок сбора данных, высокой точности и детализации результатов они обеспечивают упрощение решения таких задач, как:

• мониторинг состояния дорожного покрытия
• вид сверху и автоматизированные пролеты обеспечивают 100% покрытие территории информацией о ходе строительства для всех заинтересованных сторон
• визуальная и автоматизированная оценка отказов и нарушений
• контроль границ и несанкционированных действий в полосе отвода 
• инвентаризация дорог
• построение продольных и поперечных профилей
• определение степени залесенности и состояния прилегающих территорий
• контроль визуальных параметров и других условий на соответствие проекту (ширина полотна, полосы отвода, разметка и др.)
• внесение изменений в территориальное планирование
• точное измерение земляных работ планируемых и заверешенных

Получаемые данные могут также стать основой для будущих проектов, гидрологических, геологических и других видов изысканий под план развития территории, строительство инженерных сооружений. Информация о рельефе, получаемая с лидара, используется для построения и оценки альтернативных маршрутов, и для создания окончательных планов проектирования, которые оптимизируют трассы и уклоны. Также рельеф необходим для изучения склонов во время строительства или периодического их мониторинга после окончания, для предотвращения появления возможности обвалов, сползания склона или других разрушающих процессов (González-Jorge and etc, 2012). В отличие от фотограмметрии, технология лидара менее подвержена непогоде и не так капризна с точки зрения выбора времени года и суток для проведения изысканий, с лидаром можно работать и в темное время суток, и в сезон, когда есть листва на деревьях (Center for Transportation Research and Education).

Дроны могут упростить процесс на любом из этапов проекта: как на этапе торгов, планирования работ, так и на этапах строительства и мониторинга выполненных проектов.

Выгода в цифрах. Преимущества

Выгода от использования БПЛА выражается в сохранении времени, а значит – и в  финансовой составляющей. Для примера, наземное исследование 3 километров дорожного полотна займет 3-4 часа, тогда как дрон справится с этим объемом за 30-50 минут и соберет в разы больше данных и информации о территории. А при использовании мобильного пункта управления или автоматизированной станции с дронами, такие изыскания можно полностью автоматизировать и получать стабильный результат с необходимой периодичность.

Изучение точности измерений по данным аэрофотосъемки или лазерного сканирования в сравнении с традиционными методами показывают, что отличие составляет не более 1%, обычно меньше (Julge and etc, 2019).

В сравнении с традиционными наземными методами изысканий беспилотники имеют несколько преимуществ:

• Быстрый, воспроизводимый результат в любой момент времени
• Точные и полные данные
• Сохранение времени и средств
• Наглядная документация и удобное согласование с подрядчиками
• Удаленный доступ к самым актуальным данным по проекту
• Безопасность

Не зависимо от того, какая именно технология применяется с беспилотником: фотограмметрия или лазерное сканирование, получаемые результаты и преимущества превосходят наземные исследования по скорости выполнения и объему получаемых данных, при этом не отставая по точности результатов.