Применение фотограмметрии в проектировании и строительстве дорог

Доклад «Фотограмметрические методы получения 3D модели для инженерных изысканий и строительства как альтернатива методу лазерного сканирования»

9-11 декабря 2015 года сотрудники компании «Алькомп-Инжиниринг» выступили с докладами на XI научно-практической конференции и выставке «Перспективы развития инженерных изысканий в строительсвтве в Российской Федерации».

Представляем вашему вниманию доклад «Фотограмметрические методы получения 3D модели для инженерных изысканий и строительства как альтернатива методу лазерного сканирования».

Колпакова В., ведущий инженер ООО «Алькомп-Инжиниринг»
Круглова П., ведущий специалист ООО «Датумейт»

Задачи построения 3D моделей, измерения расстояний по фотографиям появились достаточно давно. В связи с этим был разработан математический аппарат, позволяющий решить эти задачи.

Этапы настройки оборудования и обработки изображений при проведении фотограмметрической съемки стандартны и состоят из следующих этапов.

1. Автоматическая калибровка камеры

2. Автоматическое связывание изображений

3. Автоматическая ориентация изображений

4. Автоматический поиск новых точек на изображении

5. Отрисовка 3D плана непосредственно на 2D изображениях

Области применения фотограмметрии

Кроме перечисленных, можно упомянуть такие области, как медицина, военное дело, юриспруденция (например, выявление фактов незаконной застройки), моделирование одежды.

Оборудование и программное обеспечение для фотограмметрической съемки

Фотографические методы начали широко применяться после массового появления недорогих легких фотоаппаратов с высоким разрешением. Гексакоптеры и квадрокоптеры также значительно расширили области применения и популярность фотограмметрии.

Фотоаппарат типа «мыльница» с большим разрешением и фиксированным объективом	Телескопический шест (можно использовать рыболовный телескопический подсачек)	Гексакоптер
Смартфон и ПО для дистанционного управления фотоаппаратом	Тахеометр либо высокоточный GPS навигатор	Программное обеспечение для фотограмметрической обработки изображений

Примеры

На желтых иконках показано, какое оборудование применялось для съемок того или иного объекта

Этапы работ

Съемка объекта не занимает много времени и состоит из 3 этапов

1. Сфотографировать объект	2. Выполнить геопривязку контрольных точек	3. Загрузить данные в программу и обработать их

Сравнение фотограмметрического способа и способа лазерного сканирования на объекте

Перейдем к практике. Для сравнения двух способов получения трёхмерной модели – фотограмметрическийого метода и лазерного сканирования – была проведена съёмка одного и того же объекта обоими этими методами. В качестве объекта съёмки был выбран действующий карьер, находящийся в Рузском районе Московской области.

Лазерную съемку заказчик выполнял самостоятельно. Для получения трёхмерной модели фотограмметрическим способом были сделаны фотографии с воздуха с помощью небольшого летательного аппарата – квадрокопетера Phantom2.

Квадрокоптер поднимался на высоту приблизительно 80 метров, длительность полёта составляла около 15 минут.

Ниже показаны фотографии, полученные с квадрокоптера.

На этом этап полевых работ был закончен. Обработку изображений выполняли в офисе. Процесс обработки состоял из следующих этапов: загрузка фотографий, привязка фотографий по закоординированным меткам, выделение интересующих областей, выгрузка (экспорт) полученной трёхмерной модели.

Скриншот загрузки меток геопривязки в программе Datugram 3D.

Сравнение результатов

Облако меток, полученное по результатам лазерной съемки. Облако меток загружено в программу AutoCAD.

Также в программу AutoCAD были загружены точки, полученные после фотограмметрической обработки в программе Datugram 3D.

Облака меток (или 3D модели, или сетки) были наложены друг на друга и выполнено сравнение.

Результат: разница объемов измеренных участков карьера составила 5%. Заказчик счел такой результат удовлетоворирельным и в дальнейшем планирует использовать фотограмметрическую съемку.

На следующих картинках показаны примеры съемок различных объектов фотограмметрическим способом. Сравнения с лазерным методом на этих изображениях нет.

Пример. Построение 3D модели защитного конуса

Оборудование

Цели

Трудозатраты

Этапы обработки фотографий

Загружаем фотографии, связываем их в кластеры (автоматически либо вручную).

Отмечаем опорные точки, выполняем геопривязку изображений.

Выделяем области для автоматического построения рельефа.

Модель местности, построенная по результатам фотограмметрической обработки изображений.

Пример. Подсчет объемов щебня

Оборудование

Цель

Трудозатраты

Некоторые этапы обработки фотографий

Отмечаем опорные точки, выполняем геопривязку изображений.

Выделяем области для автоматического построения рельефа.

Модель местности, построенная по результатам фотограмметрической обработки изображений.

Пример. Съемка в карьере

Оборудование

Цели

Трудозатраты

Некоторые этапы обработки фотографий

Выделение характерных точек рельефа.

Трёхмерная модель объекта, построенная по результатам обработки изображений.

Пример. Проект в сфере кадастровых работ

Оборудование

Цель

Трудозатраты

Некоторые этапы обработки фотографий

Привязка по опорным точкам.

Поиск новых точек и отрисовка в программе.

Результат, полученный с помощью Datugram 3D.

Преимущества и недостатки фотограмметрии

Преимущества

Недостатки

Преимущества и недостатки лазерной съемки

Преимущества

Недостатки

Источник

ВСН 30-84 ИНСТРУКЦИЯ ПО ПРИМЕНЕНИЮ ФОТОГРАММЕТРИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ПРИ ЛАНДШАФТНОМ ПРОЕКТИРОВАНИИ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ

Добавил: Александр Кулагин

Дата: [04.10.2013]

ВСН 30-84 ИНСТРУКЦИЯ ПО ПРИМЕНЕНИЮ ФОТОГРАММЕТРИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ПРИ ЛАНДШАФТНОМ ПРОЕКТИРОВАНИИ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ

МИНИСТЕРСТВО АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ РСФСР

по применению ФОТОГРАММЕТРИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ПРИ ЛАНДШАФТНОМ ПРОЕКТИРОВАНИИ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ

Утверждена Министерством автомобильных дорог РСФСР

ВОРОНЕЖ
ЦЕНТРАЛЬНО-ЧЕРНОЗЕМНОЕ КНИЖНОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО

Инструкция содержит требования и рекомендации по применению фотограмметрических методов при ландшафтном проектировании автомобильных дорог и включает шесть разделов и приложения, в том числе общие положения, технологии применения фотограмметрии, подготовительные, фотосъемочные и фотограмметрические (камеральные) работы, ландшафтное проектирование автомобильных дорог. Приложения включают технологические схемы, расчеты точности измерений, параметров, аэро- и наземных фотосъемок, особенности составления и образцы фотограмметрических материалов, и другие данные, необходимые для реализации Инструкции.

Инструкция разработана на основе комплекса исследований и экспериментально-производственных работ, выполненных в фотограмметрической лаборатории Воронежского инженерно-строительного института и лаборатории аэрометодов Воронежского филиала ГипродорНИИ. При составлении Инструкции использованы производственный опыт отечественных и зарубежных организаций, а также сведения, опубликованные в печати.

Министерство автомобильных дорог РСФСР

Ведомственные строительные нормы

Инструкция по применению фотограмметрических методов при ландшафтном проектировании автомобильных дорог

2. ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ ЛАНДШАФТНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ С ПРИМЕНЕНИЕМ ФОТОГРАММЕТРИЧЕСКИХ МЕТОДОВ

3. ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫЕ РАБОТЫ

4. ФОТОСЪЕМОЧНЫЕ РАБОТЫ

5. ФОТОГРАММЕТРИЧЕСКИЕ (КАМЕРАЛЬНЫЕ) РАБОТЫ

6. ЛАНДШАФТНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ

Приложение 1РАСЧЕТ ПЛОТНОСТИ ОПОРНОЙ СЕТИ

Приложение 2РАСЧЕТЫ ПАРАМЕТРОВ АЭРОФОТОСЪЕМКИ

Приложение 4НАЗЕМНЫЕ ФОТОГРАММЕТРИЧЕСКИЕ СЪЕМКИ

Приложение 5СОСТАВЛЕНИЕ ПЕРВИЧНЫХ ФОТОГРАММЕТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Приложение 6СГУЩЕНИЕ ОПОРНЫХ СЕТЕЙ

Приложение 7СОСТАВЛЕНИЕ ФОТОГРАММЕТРИЧЕСКИХ ПЛАНОВ

Приложение 8ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОЙ ПЛОТНОСТИ МММ

Приложение 9ОСОБЕННОСТИ СОСТАВЛЕНИЯ СПЕЦИАЛЬНЫХ ФОТОГРАММЕТРИЧЕСКИХ И ФОТОИЛЛЮСТРАТИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ

1.1. Инструкция распространяется на проектирование вновь строящихся, реконструируемых и капитально ремонтируемых автомобильных дорог общего пользования, а также подлежит учету при их эксплуатации.

Требования Инструкции обязательны при проектировании автомобильных дорог общего пользования I, II, III технических категорий.

1.2. Инструкция содержит требования и рекомендации, направленные на рациональное использование прогрессивных фотограмметрических методов сбора, переработки и представления информации об условиях проектирования, а также восстановления моделей местности и проектируемых сооружений с целью анализа и оценки полученного решения и изучения существующих объектов.

Внесена дорожно-исследовательской лабораторией Воронежского инженерно-строительного института

Утверждена Министерством автомобильных дорог РСФСР
3 февраля 1984 года

Срок введения
1 февраля 1985 года

1.3. Инструкция предназначена для реализации фотограмметрическими методами «Указаний по архитектурно-ландшафтному проектированию автомобильных дорог» (BCН 18-74, Минавтодор РСФСР, 1975) и составлена в соответствии с «Инструкцией о составе, порядке разработки, согласования и утверждения проектно-сметной документации на строительство предприятий, зданий и сооружений» (СН 202-81*, Госстрой СССР, 1983), «Техническими указаниями по применению аэрофотограмметрических методов и ЭВМ при изысканиях автомобильных дорог» (ГипродорНИИ, М., 1978) и другими ведомственными указаниями и существующими технологиями проектирования.

Инструкция не затрагивает основ ландшафтного проектирования, а лишь регламентирует применение фотограмметрических методов в качестве средства их реализации, сохраняя при этом существующие технологические схемы проектирования.

Основой фотограмметрических методов являются фотоматериалы (фотодокументы), обладающие высокой наглядностью, информативностью, объективностью и достаточной измерительной точностью. Фотоматериалы, как носители топографической, геологической, гидрологической, ландшафтной и другой информации, обеспечивают постоянную связь проектировщика с местностью и получение разнообразной информации в камеральных условиях.

Ландшафтное проектирование, основанное на эмоционально-количественной оценке условий и объекта проектирования, предполагает постоянную связь проектировщика с местностью и проектируемым объектом и удачно осуществляется благодаря высокому «эффекту присутствия» на всех этапах и стадиях проектирования, обеспечиваемому фотограмметрическими методами.

1) изучения местности и укладки трассы с учетом психофизиологических и эстетических критериев;

2) пространственного проектирования трассы с учетом технических требований;

3) архитектурного проектирования дороги и сооружений на ней;

4) создания модели местности, проектируемой дороги и сооружений для анализа и оценки психофизиологических и эстетических характеристик, а также технических параметров выбранной трассы.

Так как при ландшафтном проектировании автомобильных дорог преимущественно используют качественные характеристики объекта, а количественные данные применяют только для закрепления намеченного решения при расчете и увязке пространственных параметров дороги, то на первом этапе изысканий и в начале второго преимущественно накапливают информацию о качественном содержании объекта, которая является основой для ландшафтного и архитектурного проектирования с анализом и оценкой полученного решения на заключительном этапе. При этом количественные данные являются элементами качества.

1.5. Ландшафтное проектирование автомобильных дорог рассматривается как современная модификация прогрессивных направлений, развиваемая на базе существующих методов с сохранением стадий, сроков, затрат, и осуществляется на основе комплексного применения фотограмметрических методов, их широкой автоматизации с помощью ЭВМ и периферийных устройств на всех этапах и стадиях в едином процессе.

Процесс изысканий при двухстадийном ландшафтном проектировании с применением фотограмметрических методов делится на два основных этапа:

1) предпроектные изыскания;

2) технические изыскания, выполняемые в две стадии (изыскания для составления проекта и изыскания на стадии рабочей документации).

При одностадийном проектировании два этапа сохраняются лишь на сложных объектах, а работа выполняется в одну стадию (с составлением рабочего проекта).

1.5.1. На предпроектном этапе одновременно со сбором специальных сведений для целей ландшафтного проектирования проводят обследование местности, рекогносцировку и изыскание вариантов направления дороги, изучают наличие существующих планово-картографических, геодезических и фотограмметрических материалов, выполняют аэро- и видеомагнитные съемки с аэронивелированием вариантов направлений, изготавливают фотосхемы. Для фотограмметрических измерений по аэрофотоснимкам на сложных участках сгущают опорные сети, а на мостовых переходах создают планово-высотное обоснование геодезическими способами. В результате работ на предпроектном этапе составляют обосновывающие материалы.

1.5.2. При технических изысканиях одновременно с выбором направления дороги и другими специальными видами работ выполняют полевую закладку опорных сетей, аэро- и наземные фотосъемки, выносят проект в натуру, составляют рабочую документацию.

С учетом особенностей ландшафтного проектирования осуществляют следующие виды специальных изысканий: ландшафтное, пространственное и архитектурное.

1.5.3. Ландшафтное изыскание наиболее полно выполняют при предпроектных изысканиях. При выборе направлений и конкурирующих вариантов в пределах зоны варьирования детально изучают ландшафтные бассейны в районе воздушной линии предполагаемой трассы, отыскивают контрольные точки и элементы ситуации, определяющие направление дороги, в том числе мостовые переходы, пересечения дорог и другие узкие коридоры. Определяют и наносят на карты или фотопланы «мертвые зоны» (участки, непригодные для строительства дорог), границы ландшафтных бассейнов, площадки для отдыха, характерные элементы ландшафта, варианты трассы, направления на красивые виды, точки зрения для фото- и стереофотосъемок, построения перспектив, изготовления совмещенных фото- и стереофотоперспектив.

1.5.4. Пространственное изыскание трассы, осуществляемое в увязке с ландшафтом, включает сбор и подготовку планово-картографических и фотограмметрических материалов, аналитической информации для проектирования плана трассы, построение цифровой модели местности (ЦММ) для расчета высот точек местности и проектирования продольного профиля, дополнительных элементов дороги, построения перспективных изображений, разбивки пикетажа, проектирования искусственных сооружений, мостовых переходов, перенесения проекта на местность, составления рабочих чертежей.

1.6. Задачи фотограмметрии при выполнении ландшафтных, пространственных и архитектурных изысканий, определяются ее назначением, решаются различными методами и представляют собой ряд отдельных последовательных операций.

По перечисленным выше фотограмметрическим материалам выполняют специальные виды обследования: геологическое, почвенное, гидрографическое, гляциологическое и др.

Дополнительными работами, обеспечивающими ландшафтно-архитектурную проработку, анализ и оценку проектного решения в процессе проектирования, являются перспективные, панорамные, стереоперспективные аэро- и наземные фотосъемки, выполняемые, как правило, совместно с обзорными и измерительными фотосъемками.

1.7. Перечень составляемых материалов определяют проектировщик и ландшафтный архитектор в задании на фотограмметрические работы. Он должен содержать исчерпывающую информацию для исполнителя.

Для целей ландшафтного проектирования фотограмметрия обеспечивает возможность представления следующих материалов:

6) специальных обследований местности и объектов (геологических, почвенных, гидрологических и др.);

1.8.Объем фотограмметрических работ устанавливают в зависимости от назначения дороги, условий местности и сроков проектирования, определению которого должно предшествовать правильная постановка задач фотограмметрии и выяснение их особенностей, сроков и порядка представления материалов проектировщику, стоимости работ.

2. ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ ЛАНДШАФТНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ С ПРИМЕНЕНИЕМ ФОТОГРАММЕТРИЧЕСКИХ МЕТОДОВ

Источник