РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЕРСПЕКТИВ ПРИМЕНЕНИЯ НАЗЕМНОГО ЛАЗЕРНОГО СКАНИРОВАНИЯ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ В ОБОРОННОЙ СФЕРЕ
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЕРСПЕКТИВ ПРИМЕНЕНИЯ НАЗЕМНОГО ЛАЗЕРНОГО СКАНИРОВАНИЯ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ В ОБОРОННОЙ СФЕРЕ
Гущина Мария Владимировна
аспирант, Высшей школы сервиса и торговли Институт промышленного менеджмента, экономики и торговли Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого,
РФ, г. Санкт-Петербург
Одинцов Алексей Юрьевич
адъюнкт, Кафедра фототопографии и фотограмметрии, Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского,
РФ, г. Санкт-Петербург
Гребенников Дмитрий Васильевич
слушатель, Кафедра фототопографии и фотограмметрии, Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского,
РФ, г. Санкт-Петербург
THE RESULTS OF THE STUDY OF THE PROSPECTS FOR THE USE OF GROUND-BASED LASER SCANNING FOR SOLVING PROBLEMS IN THE DEFENSE SECTOR
Maria Gushchina
postgraduate student, Higher School of Service and Trade Institute of Industrial Management, Economics and Trade Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University,
Russia, St. Petersburg
Alexey Odintsov
Associate Professor, Department of Phototopography and Photogrammetry, Military Space Academy named after A.F. Mozhaisky,
Russia, St. Petersburg
Dmitry Grebennikov
listener, Department of Phototopography and Photogrammetry, Military Space Academy named after A.F. Mozhaisky,
Russia, St. Petersburg
АННОТАЦИЯ
В гражданской сфере экономики и народного хозяйства активно применяется технология наземного лазерного сканирования. Данная технология доказала свою эффективность на практике и активно развивается в настоящее время. Однако для решения задач в оборонной сфере необходимо научное обоснование перспектив применения данной технологии. В статье приведены основные направления применения технологии наземного лазерного сканирования в рассматриваемой сфере. Подробно рассмотрены условия применения оборудования, определены технологические особенности и выявлены примеры из открытых публикаций по аналогичному использованию в гражданской сфере. Сформированы выводы по каждой из перспектив.
ABSTRACT
The technology of ground-based laser scanning is actively used in the civil sphere of the economy and the national economy. This technology has proven its effectiveness in practice and is actively developing at the moment. However, in order to solve problems in the defense sphere, a scientific justification of the prospects for the use of this technology is necessary. The article presents the main directions of application of ground-based laser scanning technology in the field under consideration. The conditions of use of the equipment are considered in detail, technological features are determined and examples from open publications on similar use in the civil sphere are identified. Conclusions have been formed for each of the prospects.
Ключевые слова: наземное лазерное сканирование, перспективы применения, методический подход, оборонная сфера, условия обстановки, топографо-геодезическая информация.
Keywords: ground-based laser scanning, application prospects, methodological approach, defense sphere, environmental conditions, topographic and geodetic information.
Технология наземного лазерного сканирования (НЛС) отличается от существующих технологий высокой производительностью и автоматизацией процессов. При этом для оборонной сферы она является достаточно новой технологией в силу ряда обстоятельств к которым можно отнести: высокую стоимость оборудования относительно традиционных методов топографических съемок, необходимость дополнительной обработки с использованием специализированного программного обеспечения и отсутствие редакционно-технических указаний по созданию топографо-геодезической информации в военном деле. Для дальнейшего совершенствования методов сбора и обработки информации, а также для составления предложений в нормативные документы авторами ранее был разработан методический подход [1, с.57-65], целью которого являлось обоснование перспектив применения технологии НЛС в оборонной сфере. С использованием данного подхода были определены основные направления применения технологии НЛС в оборонной сфере, основными из которых являются:
– создание крупномасштабных топографических планов местности;
– создание трехмерных моделей местности;
– создание карт горных проходов и заглубленных сооружений;
– создание специальных карт и фотодокументов;
Данные направления затрагивают сразу несколько технологий создания топографо-геодезической информации, которая необходима для обеспечения войск. С учетом последовательности выполнения обоснования методического подхода [1, с.57-65] в настоящей статье предлагаются результаты обоснования перспектив применения НЛС в военной сфере по выявленным направлениям.
Перспектива по созданию крупномасштабных топографических планов местности.
Рассматриваемые условия обстановки: при подготовке обороны небольших тактических подразделений. Создание и обновление информации, в условиях отсутствия непосредственного соприкосновения с противником.
Особенности функционирования системы: подготовка осуществляется с использованием различных средств НЛС, с привлечением сторонних специалистов и любого доступного программного обеспечения. Применимость системы обусловлена отсутствием фактора радиоэлектронной борьбы.
Технологические особенности создания продукта: наибольшую продуктивность представляет вариант с применением фотокамеры, так как позволяет исключить необходимость повторной съемки в полевых условиях.
Применяемые приборы: НЛС ближнего радиуса действия любых производителей и принципов работы.
Примеры из открытых публикаций:
Одним из таких примеров являются специальные работы по созданию топографического плана масштаба 1:500 и исполнительной съемке района строительства основных сооружений Рогунской ГЭС (Республика Таджикистан) [4, с.51-54].
Рисунок 1. Результаты создания топографического плана крупного масштаба по материалам НЛС при строительстве Рогунской ГЭС [4, с.51-54]
При выполнении специальных работ съёмки проводились расчетом из трех специалистов с использованием НЛС дальнего радиуса действия Leica HDS 4400. Для крупномасштабных топографических съемок устанавливалась плотность сканирования в 25 точек на один м² при фокусе в 100 м. Для съёмки сооружений плотность повышалась до 40 тысяч точек на один м² при фокусе в 30 м. [4, с.51-54]
Общий вывод по результатам исследования и перспективы:
Результатом выполненных работ являлась подготовка специальных трехмерных моделей, специализированной документации и топографического плана крупного масштаба. По окончании работ авторами обоснованно был сделан вывод, что общий объем работ с использованием традиционных геодезических методов оценивался периодом от 6 до 8 месяцев при этом расчет из 3-х человек с НЛС выполнил весь комплекс полевых работы в три этапа за 49 полевых дней.
Таким образом можно заключить, что создание топографических планов крупного масштаба с использованием НЛС является обоснованной мерой при больших объемах полевых работ и ограниченном временном ресурсе на их выполнение.
Перспектива применения наземного лазерного сканирования для создания трехмерных моделей местности.
Рассматриваемые условия обстановки: при подготовке к ведению военных действий на доступной территории. Создание трехмерных моделей местности для тактической группировки подразделений и войск.
Особенности функционирования системы: Съемка выполняется заблаговременно с применением НЛС, отмечающихся определенной точностью. Съемка выполняется специально подготовленной группой специалистов, обладающей всеми знаниями и опытом в данной обстановке.
Технологические особенности создания продукта: наивысшую эффективность для создания трехмерных моделей местности будут демонстрировать мобильные НЛС, но с учетом особенностей местности в горных районах, процесс съемки будет осложняться условиями перемещения между точками сканирования. Так как в конечном продукте получается трехмерная модель местности, соответственно целесообразно проводить съемку с высокой плотностью сканирования. Большим минусом создания подобной модели является высокая трудоемкость процесса, что влечет за собой увеличение стоимости и сроков по выпуску готовой продукции.
Применяемые приборы: целесообразно применять НЛС с повышенными характеристиками производительности, точность измерения расстояния, горизонтального и вертикального углов, дальности и скорости сканирования.
Примеры из открытых публикаций: Одним из таких примеров являются специальные работы по созданию трехмерной модели территории компрессорной станции «Алексеевская» [3, с.24-27].
Рисунок 2. Результаты наземного лазерного сканирования компрессорной станции «Алексеевская» [3, с.24-27]
В рамках реализации комплекса работ на ДНС «Алексеевская» специалисты ОАО «Гипрогазоочистка» провели обмерные работы, фотосъемку и лазерное сканирование существующего здания и наружной установки подготовки и компримирования попутного газа.
Были определены 48 ключевых месторасположений лазера, из которых провели 48 сканов. В результате получилось трехмерное облако точек каждого скана. Следующим этапом работ стало «сшивка» сканов в группы для конечного преобразования в единую трехмерную модель всего объекта. Подобное обследование заняло 2 полных дня (вместо 2-3-х недель, требуемых при проведении стандартных обмерных работ). Для сбора информации использовалось оборудование и программное обеспечение компании FARO Technologies Inc., в частности Laser Scanner “PHOTON-80”.
Общий вывод по результатам исследования перспективы: Результатом выполненных работ являлась подготовка специальных трехмерных моделей. Все виды работ заняли 2-3 дня вместо 2-3-х недель требуемых для стандартных обмерных работ.
Таким образом, создание трехмерных моделей местности с использованием НЛС является высокоэффективным способом съёмки, имеющим преимущество как во временном ресурсе, так и в материальном.
Перспектива применения наземного лазерного сканирования при создании карт горных проходом и заглубленных сооружений.
Рассматриваемые условия обстановки: при подготовке обороны и наступления в условиях непосредственного соприкосновения с противником небольших тактических подразделений. Создание и обновление информации, в условиях отсутствия непосредственного соприкосновения с противником.
Особенности функционирования системы: применение НЛС целесообразно выполнять заблаговременно с целью обозначения тактических планов и путей отхода. Съемку рекомендуется выполнять с множеством станций сканирования с целью получения всей необходимой информации об особенностях строения горных проходов и получения полной информации об архитектуре и пространственном положении заглубленных сооружений.
Технологические особенности создания продукта: в горных проходах одним из проблем создания карт будет являться сложность перемещения между точками съемки, в следствии чего целесообразно использовать НЛС совместно с цифровой съёмкой местности. При создании карт заглубленных сооружений от использования фотосъёмки можно отказаться.
Большой объём получаемой информации позволит создавать высококачественные трёхмерные точечные и полигональные модели заглубленных сооружений, что позволит существенно повысить качество конечной продукции.
Применяемые приборы: наибольшую эффективность будут демонстрировать НЛС ближнего радиуса действия с максимальной производительностью.
Примеры из открытых публикаций: комплекс работ, выполняемый НЛС для составления пространственных обмерных чертежей подземных сооружений на примере ГЭС [5, с.29-41].
Комплекс работ по наземному лазерному сканированию проводился в два этапа:
I этап. На объекте работ был произведен комплекс полевых работ по наземному лазерному сканированию, состоящий из следующих видов работ:
– рекогносцировка;
– развитие съемочного обоснования в системе координат проекта;
– создание и координирование сети опорных марок
– необходимых элементов внешнего ориентирования сканера;
– обзорная и детальная фотофиксация объекта;
– наземное лазерное сканирование.
II этап. Обработка цифровых данных:
– взаимное уравнивание облаков точек наземного лазерного сканирования с привязкой к системе координат проекта;
– классификация точек лазерного сканирования;
– создание обмерных планов штолен и автодорожного тоннеля;
– создание трехмерной модели штолен и автодорожного тоннеля по результатам наземного лазерного сканирования;
– создание плана расположения подземных инженерных сетей.
При сканировании установка НЛС производилась на штатив. Определение местоположения штатива получалось аналитическим методом при обработке и сшивке результатов сканирования с каждой установки прибора, по облакам точек или заранее установленным визирным целям (марки сканирования). Марки устанавливались в поле зрения сканера при сканировании с одной станции стояния прибора в количестве не менее 4-х.
Рисунок 3. Общий вид визирных целей (марок)
Координаты центра каждой марки фиксировались с помощью электронного тахеометра с точек теодолитного хода. [5, с.29-41]
Общий вывод по результатам исследования перспективы: Технология является законченным техническим решением в рассматриваемой сфере и применяется на практике. Главной особенностью при создании специальных карт является сложность последующей камеральной обработки, так как для ее решения необходимо будет применять сразу несколько программных продуктов.
Перспективы применения наземного лазерного сканирования при создании специальных карт и фотодокументов о местности.
Рассматриваемые условия обстановки: Заблаговременная подготовка территории занятой своими войсками.
Особенности функционирования системы: при создании рассматриваемых видов информации о местности технологический процесс создания материалов, состоит должен состоять из следующих этапов:
1) предварительный анализ территории съемки, планирование работ, выбор наиболее пригодных мест установки наиболее пригодных мест установки НЛС;
2) съемки объекта, первичная обработка данных, контроль точности данных по реперным точкам;
3) классификации точек лазерных отражений;
4) создания крупномасштабных планов, трехмерных моделей.
Технологические особенности создания продукта: Наивысшую точность и наглядность рассматриваемые виды информации будут демонстрировать при их комплексировании с аэрокосмическими данными. Поэтому необходимо при планировании работ основываться на ранее полученный аэрокосмический материал.
Применяемые приборы: все типы НЛС, любых производителей и принципов работы.
Примеры из открытых публикаций: В работе [2, с.110-115] авторами обоснована необходимость применения снимков космических аппаратов двойного назначения, для создания кадастров и топографических планов без использования наземных точек планово-высотного обоснования.
Проведен сравнительный анализ формирования цифрового фотоизображения и изображения растра интенсивности точек воздушной лазерной локации.
Обоснована теоретическая возможность применения растров интенсивности, построенных по данным воздушной лазерной локации с БПЛА для планово-высотного-обоснования космических снимков.
Общий вывод по результатам исследования перспективы: создание специальных карт и фотодокументов о местности на основе комплексирования данных лазерного сканирования и данных аэрокосмических съемок способно серьезно повысить качество и оперативность создания специальных карт и фотодокументов о местности.
Заключение
Рассмотренные перспективы являются основными направлениями применения технологии НЛС в оборонной сфере. При этом необходимо понимать, что сфера обороны затрагивает и другие направления, в которых обоснование не проводилось (например: строительство специальных зданий и сооружений, обследование путей перемещения войск, трехмерное картографирование) но эти работы носят скорее исключительный характер, чем плановый, поэтому в настоящей статье не рассматривались.
Результаты обоснования перспектив могут быть использованы в профильных научно-исследовательских работах, а также ходе разработки нормативной документации для применения технологии НЛС в оборонной сфере.
Список литературы:
- Гребенников Д.В., Гущина М.В., Одинцов А.Ю. Методический подход к обоснованию перспектив применения новых средств геодезических измерений в оборонной сфере / «Интернаука»: научный журнал – № 42(265). Часть 4. – М., Изд. «Интернаука», 2022. – 57-65 с.
- Груздев Н.В., Гущин В.И., Карпов В.В. Методический подход к обработке снимков труднодоступных территорий, получаемых с космических аппаратов дистанционного зондирования земли, с учетом данных воздушной лазерной локации // Информация и космос. – 2021. – № 3. – С. 110–115.
- Коннов Р.В., Ковач Н.С. Аспекты практического применения наземного лазерного сканирования при проектировании промышленных объектов // Геопрофи. – 2013. – № 6. – С. 24–27.
- Семыкин В.А., Кузнецов А.А. Технология крупномасштабной топографической съемки методом наземного лазерного сканирования // Геопрофи. – 2010. – № 5. – С. 51–54.
- Туров Д.И., Гура Д.А., Шевченко Г.Г., Гура Т.А. Комплекс работ, выполняемых наземным лазерным сканером для составления пространственных обмерных чертежей подземных сооружений на примере ГЭС // Научные труды КубГТУ. – 2017. – № 3. – С. 29–41.