*99361*

ас. Близнюк Т.В.

Автомобильно-дорожный институт

 Государственное высшее учебное заведение

 Донецкий Национальный Технический Университет, Украина

Фотограмметрические методы исследования осадок и деформаций сооружений

         Ни одно строительство крупных сооружений не обходится без измерения деформаций, а для сооружений, где от величины происходящих деформаций зависит их устойчивость, наблюдения, которые производились в строительный период,  могут продолжаться и весь период эксплуатации. В течении всего срока службы здания и сооружения подвергаются комплексному воздействию большого количества внешних факторов. Для повышения уровня надежности функционирования зданий и сооружений необходимо владеть достоверной информацией о их реальном деформационном состоянии (остаточном ресурсе), что позволит более гибко планировать  комплекс ремонтно-восстановительных работ. Информацию о деформационном состоянии обеспечивает мониторинг технического состояния сооружений и пространственный анализ результатов геодезических наблюдений за деформациями фундаментов зданий.

На сегодняшний день задачи геодезического мониторинга объектов и пространственный анализ деформаций являются наиболее сложными в геодезической отрасли, поскольку они требуют достижения максимальной точности измерений, автоматизации самого процесса наблюдений, максимальной надежности используемых приборов и наличия чрезвычайно гибких инструментов обработки и анализа данных [1].

Применение пространственных методов интерполяции для результатов геодезического мониторинга сооружений позволяет упростить процессы планирования, контроля и принятия решений.

         Применение фотограмметрических методов для определения геометрических характеристик различных объектов достаточно эффективно, обеспечивает необходимую точность измерений и, что самое главное позволяет значительно сократить время выполнения работы. Эффективность применения фотограмметрических методов возрастает в тех случаях когда на одном и том же снимке видны множество объектов (примером может служить определение вертикальности таких высотных сооружений как заводские трубы, телебашен и т.д.)

         В зависимости от цели выполнения работы можно выделить фотограмметрический и стереофотограмметрический методы определения деформаций. Первый используется в тех случаях когда необходимо определить деформации сооружения в каком-либо одном направлении, стереофотограмметрический же метод позволяет определять деформации по любому направлению.

         Суть фотограмметрического метода состоит в том, что сооружение фотографируется с одних и тех же изолированных точек в каждом цикле (рис.1), такую съемку называют также съемкой с нулевым базисом. Применение фотограмметрии одиночного снимка достаточно эффективно с использованием цифровых фотоаппаратов, не требующих трудоемких фотолабораторных работ, и с последующим использованием компьютерных технологий. Данный метод с успехом можно использовать при исполнительной съемке возводимых сооружений или их конструкций, а также при исследовании поведения высоких мачт с оттяжками с целью быстрой и одновременной фиксации их положения, величин провисания оттяжек и их влияния на вертикальность высотных сооружений, определять изгибы и деформации, а также другие быстропротекающие процессы. Фотограмметрические методы наиболее экономичны и производительны при большом количестве определяемых точек на сооружении.

Рисунок 1 – Схема фотограмметрического метода съемки (а), (б) – снимки

Определение координат точек сооружения через заданные временные интервалы с помощью снимков, выполненных с одной станции позволяет исследовать высотное сооружение, как в статистическом так и в динамическом состоянии (динамика особенно важна для высотных сооружений).

         При использовании стереофотограмметрического метода наблюдаемый объект фотографируется с двух точек стояния (с некоторого базиса В), в результате чего получают пару перекрывающихся снимков. Базис фотосъемки следует располагать по возможности параллельно основной плоскости сооружения. Длину базиса выбирают равной 1/5 – 1/10 величины отстояния Y , что обычно составляет 3–5 и редко 10 м. В зависимости от того как располагается ось фотокамеры относительно горизонтальной плоскости и линии базиса различают нормальный, равномерно отклоненный, ковергентный, наклонный и общий случаи фотосъемки. Наиболее распространен нормальный способ съемки при котором оси левой и правой фотокамер горизонтальны, перпендикулярны базису, а плоскость фотоснимков отвесна.

Рисунок 2 – Схема стереофотограмметрического метода съемки (а), (б) - стереопара

         Измерив на стереокомпараторе значения координат точки С на левом и на правом снимке (хл  и хп) определяют горизонтальный параллакс точки С (р). Так как фокусное расстояние используемой фотокамеры (fк), значение базиса (В) известно, можно вычислить координаты точки С

(1)

         Все циклы наблюдений следует проводить строго с одних и тех же базисов при одинаковом ориентировании фототеодолита. Имея снимки нулевого (начального) цикла и і-го цикла, измерив координаты наблюдаемых точек на левом и правом снимках (хл  и хп, хі  и хі) и вычислив значения паралаксов, вычисляют смещения точек по формулам:

(2)

         При условии соблюдения всех требований к выполнению работ (прибор должен устанавливаться строго в одно и то же положение на концах базиса) точность определения смещений наблюдаемых точек находиться в пределах 2-3 мм. Для повышения точности на концах базиса, как правило, устанавливаются бетонные столбы, что облегчает установку фототеодолита в одно и то же положение. 

         Благодаря простоте, скорости выполнения работы, достаточной точности получаемых результатов методы фотограмметрии широко применяются при наблюдении за деформациями строительных сооружений. Примером этого может служить  применение фотограмметрических методов для решения таких задач как: измерение прогиба стропильных ферм [3]; мониторинг развития трещин способом проективного преобразования одиночной линии; определение вертикальности высоких сооружений (опоры телевизионные башни) [2].

         В работе [4] предложен способ повышения точности определения координат в 2,5 раза за счет применения уравнивания по связкам. Также разработан и  внедрен новый способ съемки зданий, предлагается съемку здания производить с произвольно выбранных точек образующих кольцо вокруг здания. Точность полученных результатов значительно возрастает, а сам процесс съемки упрощается [5,6].

         Использование фотограмметрических методов наиболее целесообразно при большом количестве снимаемых точек на сооружении. Определение координат точек через заданные интервалы времени позволяет исследовать не только статическое состояние объекта, но и его динамику.

         Точность определения координат точек высотного сооружения зависит от разрешающей способности фотокамеры, условий съемки, расстояния до определяемого объекта, точности измерений на снимках. Современные фотограмметрические приборы позволяют выполнять измерения на снимках с погрешностью 0,001=0,02 мм. Геодезические координаты определяемых точек сооружения получают перевычислением фотограмметрических пространственных координат (при стереофотограмметрическом методе) или определяют только фотограмметрические координаты при определении взаимного положения точек. Современные фотограмметрические измерительные системы, оборудованные малоформатными цифровыми фотокамерами и ПЗС-датчиками, позволяют определять положения точек изображений объектов в малых пространствах с точностью на уровне 0,1 мм.

         В некоторых случаях целесообразно использовать трехмерное лазерное сканирование для оперативного определения статического и динамического состояния различных объектов. Использование 3D сканеров целесообразно при работе со сложными объектами (имеющими большое количество криволинейных элементов, выполненными без использования типовых унифицированных составляющих), речь идет о таких объектах как: памятники архитектуры, плотины, мосты с криволинейными очертаниями пролетных строений и т.д. Принцип измерения расстояний до определяемых точек – фиксация времени прохождения луча до объекта и обратно. Точность измерения расстояний 10-15 мм в зависимости от условий измерений и удаления от объекта. Для обеспечения движения лазерного луча в вертикальной и горизонтальной плоскостях в 3D=сканерах используются вращающиеся призмы и сервоприводы, позволяющие осуществлять развертку луча в вертикальной, а затем горизонтальной плоскостях с заданной угловой величиной (0,1=0,2 градуса). Последовательность операций при выполнении лазерного сканирования объекта приведена на рисунке 2.

Планирование работ

Полевые работы

Сшивка сканов

Ориентирование в заданной системе координат

Создание 3D модели, чертежей

Виртуальная съемка

Экспорт в другие программы

Специальное программное обеспечение
 

 

 

 

 

 

 

 


Рисунок 1 – Последовательность операций при лазерном сканировании

         Преимущества лазерного сканирования перед тахеометрией неоспоримы, сканирование требует меньшего объема и трудоемкости камеральных работ, высокая точность, возможность отображения очень мелких архитектурных деталей, деформаций сооружений за счет более высокого разрешения при сканировании. К недостаткам лазерного сканирования можно отнести достаточно высокую стоимость оборудования, а также отсутствие в Украине нормативной базы регламентирующей порядок выполнения работ, выдвигающей требования по оценке точности измерений. Если в России применение наземного лазерного сканирования достаточно широко распространено, то в Украине оно применяется скорее в исключительных случаях (лазерное сканирование выполнялось при рексонтрукции Одесского оперного театра, реконструкция магазина «Мандарин Плаза», при создании плана масшатаба 1:500 пещер Лавры).

         Анализируя опыт теории и практики геодезических измерений деформаций сооружений можно сделать ряд выводов. Следует отметить, что классическими геодезическими методами можно измерять деформации медленно протекающие во времени. Учет же динамисеких деформаций сооружений представляет собой определенную проблему. В последние годы наблюдения за колебаниями сооружений являются неотъемлемой частью геодезических измерений. Для регистрации колебаний успешно применяются виброметры, тензометры, лазерные интерферометры и т.д. С появлением фотокамер и видеокамер с высоким разрешением возможно применение их для определения кренов и смещений высотных сооружений методом наземной фотограмметрии, что подтверждают исследования последних лет. Значительным преимуществом обладает трехмерное сканирование по сравнению с фототеодолитной съемкой, но на территории Украины используется крайне редко ввиду значительной стоимости оборудования и отсутствия нормативной базы.

Литература

1.   Шеховцов Г. А. Современные геодезические методы определения деформаций инженерных сооружений [Текст]: монография; / Г.А. Шеховцов, Р.П. Шеховцова; Нижегород. гос. архит.-строит. ун-т –Н.Новгород: ННГАСУ, 2009. – 156 с.

2.   Bujakiewicz A., Majde A., Przadka Z. Photogrammetric measurement of deformations of the industrial halls. “Int. Arch. Photogr. and Remote Sensing. Vol. 25. 15 Congr. Int. Soc. Photogramm. and Remote Sens., Rio de Janeiro, 1984. Pt A 5. Commiss. 5”. S. 1., s. A., 136–140.

3.   Bruckner R., Mordek P., Lichtner W. Graphiche Darstellung einer zweidimensionlen Leit reihe. “Z.Vermessugsw.” –1979, 104, –№10, 442-447.

4.   Стебнев В.И. Использование UMK 10/1318 для определения кренов и прогибов высотных сооружений башенного типа // Тр. Казан. гор. астрон. обсерв. – 1989. – №52. – С. 133–139.

5.   Сердюков В.М. Фотограмметрия в промышленном и гражданском строительстве. – М.: 1977. – 245 с.

6.   Жуков Б.Н., Карпик А.П. Геодезический контроль инженерных объектов промышленных предприятий и гражданских комплексов.- Новосибирск: СГГА, 2003. – 356 с.