Использование данных дистанционного зондирования Земли для информационного обеспечения геомониторинга за строительными объектами в условиях плотной городской застройки

ВВЕДЕНИЕ ……….5
1.Актуальные проблемы дистанционного зондирования Земли в строительной отрасли. Современное представление о дистанционном зондировании. 7
1.1 Теоретическое обоснование рассматриваемых методов геомониторинга. 10
1.2 Наземное лазерное сканирование. 11
1.3 Воздушное лазерное сканирование 13
1.4 Использование методов фотограмметрии. 15
1.5. Мониторинг городских земель……………………………………………..…..……….….18
1.6. Использование геоинформационных систем и ГИС- технологий для постоянного мо-ниторинга городской среды……………………………………………………………………….....21
1.7 Выводы …………………………………….…………………………………………………22
2. Возможности использования данных наземного лазерного сканирования …..24
2.1 Сканирование объекта реконструкции 27
2.2 Принцип действия и практические основы НЛС 28
2.3 Пример сканирования отдельно стоящего функционирующего здания…………………29
2.3.1 Комплекс работ по расстановке, настройке сканера и сканированию отдельно стоя-щего зда-ния…………………………………………………………………………………………...…..33
2.3.2 Обработка результатов сканирования в программном комплексе CY-CLONE………30
2.3.3 Обследование методом наземного лазерного сканирова-ния…………………………...32
2.4 Влияние сторонних факторов на процесс сканирова-ния…………………………..……..40
2.5 Сравнение применимости методов …………………………………………………..……41
3. Возможности применения в строительстве и архитектуре метода фо-тограмметрии.…………….....................………………………………………………………….…..42
3.1.1 Геодезическое обоснование …43
3.1.2 Основы цифровых фотокамер и способы их калибровки……………………………...44
3.1.3 Практическое применение метода фотограмметрии отдельно стоящего здания…..….45
3.1.4 Подготовительные работы …48
3.1.5 Выполнение съемки………………………………………………………………………...48
3.2 Выводы………………………………………………………………………………….…….53
4. Резюме 54
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 56
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 57
ПРИЛОЖЕНИЕ А

Весь текст будет доступен после покупки

Применение геоинформационных технологий, данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) и новейших программных средств самым эффективным образом сказывается на качестве принятия обоснованных управленческих решений, а также, на разработке картографических материалов аналитического характера (карт землепользований, организации строительных площадок, санитарно-защитных зон городов, районов и т.п.), используемых для подготовки концепции градостроительного зонирования.
Дистанционное зондирование (ДЗ) – процесс или метод получения информации об объекте, участке поверхности или явлении путем анализа данных, собранных без контакта с изучаемым объектом. Физическими основами дистанционного зондирования являются:
? отражение и рассеяние солнечной энергии поверхностью;
? излучение энергии нагретыми телами;
? влияние атмосферы.
Суть метода заключается в интерпретации результатов измерения электромагнитного излучения, которое отражается либо излучается объектом и регистрируется в некоторой удаленной от него точке пространства (рис. 1.1).

Рис. 1.1 – Практическая схема метода дистанционного зондирования
Принято считать, что современный город представляет из себя сложную, открытую систему, которая не может функционировать без такой подсистемы, как городские земли, являющиеся одно-временно пространственным ресурсом. Эта динамическая подсистема включает в себя множество взаимосвязанных элементов, таких как почвы, горные породы, подземные воды, сооружения, коммуникации, которые в свою очередь являются элементами городской среды. Их изменение вызывает трансформацию состояния других подсистем города; те в свою очередь оказывают влияние на городские земли, что фактически сказывается на количественных и качественных характеристиках земельных ресурсов. Эти характеристики являются основой государственного кадастра недвижимости. Слежение за их изменением и тем самым актуализация кадастра осуществляется с помощью комплексно-го мониторинга земель.
В общем случае мониторинг земель представляет собой систему наблюдения за состоянием земельного фонда для своевременного выявления изменений, их оценки, предупреждения и своевременного устранения последствий негативных изменений, анализа текущего положения строительных объектов на всех этапах жизненного цикла.

Весь текст будет доступен после покупки

1. Актуальные проблемы дистанционного зондирования Земли в
строительной отрасли. Современное представление о дистанционном
зондировании.
В своде правил (СП 126.13330.2017) не отражен конкретный список карт застраиваемой
территории и картографируемых объектов. К этому можно добавить отсутствие основных принципов создания ряда крупномасштабных карт для оценки застраиваемых территорий. Таким образом, круп-номасштабное картографирование застраиваемых территорий должно занять важное место в научно-обоснованном градостроительном планировании городской территории на уровне микрорайонов. Для этого необходимы разработки в области серии и содержания карт, а также пространственной базы данных геоинформационной системы.
Застраиваемая территория представляет собой природно-антропогенную систему,
включающую строительные объекты и естественные экосистемы, т.е. представляет собой урбасисте-му.
Урбасистема характеризуется высокой концентрацией различных объектов и видов
деятельности населения на ограниченной территории. Застраиваемые территории отличаются друг от друга своей неравноценностью по экологическим свойствам, режиму функционирования, составу природных и антропогенных объектов. При рассмотрении застраиваемой территории как объекта кар-тографирования необходимо
учитывать:
1. наличие многоэтажной жилой застройки;
2. наличие промышленных предприятий;
3. наличие особо охраняемых природных территорий;
4. характер транспортной сети, наземные и подземные коммуникации;
5. наличие пригородной зоны.
Среди главных структурных особенностей застраиваемых территорий, которые определяют
состав, и способы отражения явлений на карте являются:
-мозаичность застраиваемой территории. Проявляется в границах явлений созданных человеком,
которые определяются расположением зданий и сооружений, дорог, озелененных территорий. От расположения этих объектов зависит целесообразность использования континуальных и дискретных границ компонентов территории
-Продолжительный период ведения хозяйственной деятельности на территории отражает фор-мирование её ландшафтной структуры. Городская застройка постепенно распространяется на терри-тории с исторически сложившимися функциями: сельскохозяйственные — поля и луга, селитебные — деревни и села, рекреационные — особо охраняемые природные территории. Поэтому при градостро-ительном планировании для реализации конкретного проектного решения необходимо изучение ис-тории развития городских территорий с помощью анализа разновремённых картографических
материалов и литературных источников;
– масштаб градостроительного планирования определяется в зависимости от площади исследу-емой территории;
– границы картографируемых явлений. Необходимо при картографировании проводить разли-чия границ и процесса функционирования территории. Это значит, что на застраиваемой территории можно выделить природные и антропогенные границы. На основе природных границ необходимо проводить разработку природоохранных мероприятий по благоустройству территории. В пределах антропогенных границ проектным организациям следует разрабатывать рекомендации по использо-ванию инженерно-технологических и архитектурных решений.
Таким образом, застраиваемая территория — это сложная система, имеющая структуру и принципы функционирования. При составлении карт застраиваемой территории необходимо учиты-вать их специфику, что позволит наиболее точно проектировать размещение строительных объектов и всесторонне отражать характерные особенности городских территорий. На сегодняшний день суще-ствует большое разнообразие карт. Они различны по содержанию, назначению, принципам построе-ния, масштабу и территориальному охвату.
Для решения задач территориального планирования и зонирования территорий наиболее вос-требованными являются снимки сверхвысокого пространственного разрешения (ПР) (выше 2 м) от WorldWiew-l, GeoEye-1, CARTOSAT-2, QuickBird, IKONOS, Ресурс-ДК и высокого ПР (2–3 м) от Radarsat-2, SPOT-5, CARTOSAT-1, FORMOSAT-2, ALOS PRISM [21].
Могут быть рекомендованы спутниковые изображения картографических сервисов Google Earth, Bing Maps, Яндекс.Карты, Космоснимки, Геопортал, Роскосмоса и др. Космические снимки, размещаемые на данных интернет-ресурсах, различаются датой и сезоном съемки, в связи с чем появ-ляется возможность выбора изображений, наиболее информативных для дешифрирования.
Применение космических снимков совместно и в составе ГИС минимизирует временные и фи-нансовые затраты, позволяя производить пространственное суммирование различных факторов (гео-графических, геологических, антропогенных) и построение неограниченного количества вариантов карт. Фотографические снимки объектов и территорий с космических аппаратов ДЗЗ являются одним из наиболее эффективных источников информации об объектах и территориях.

1.1 Теоретическое обоснование и физический смысл рассматриваемых ме-тодов геомониторинга.
Методы дистанционного зондирования основаны на использовании сенсоров, которые раз-мещаются на летательных и космических аппаратах и регистрируют электромагнитное излучение в широком диапазоне электромагнитного спектра. В большинстве методов используют инфракрасный диапазон отраженного излучения, тепловой инфракрасный и радиодиапазон электромагнитного спек-тра (рис. 1.2.). На этой схеме цель – это объект или материал, который изучается. Составляющими процесса сбора данных являются:
- источник электромагнитного излучения;
- процесс распространения излучения;
- взаимодействие излучения с веществом объекта;
- ответный сигнал;
- регистрация данных и предоставление их потребителям
Под данными ДЗЗ понимают первичные и производные материалы аэро- и космических съе-мок, полученные в результате фотографирования Земли со спутников, оборудованных специализиро-ванными сенсорами. Эти данные различаются по пространственному охвату территории съемки, раз-решению снимков, количеству каналов и дате съемки. Данные ДЗЗ и оперативный космический мо-ниторинг могут служить высококачественной основой для разработки схем территориального плани-рования и градостроительной документации, они дают исчерпывающую и достоверную информацию о природных (земельных) ресурсах, объектах транспортной и инженерной инфраструктур и других объектах.
Более того, они предоставляют колоссальный объем актуальной пространственной информа-ции в постоянно изменяющейся среде для контроля и корректировки градостроительной документа-ции, позволяют экономить время и значительные финансовые средства при ее создании.
Основу дистанционного зондирования составляет измерение энергии электромагнитного излу-чения от различных источников, важнейшим из которых является Солнце. Спектр солнечного излуче-ния содержит все длины волн, и некоторые его части чрезвычайно важны для человека. К ним отно-сится диапазон видимого света и ультрафиолетовый диапазон, излучение в котором может быть опас-но для человеческой кожи.

Рис. 1.2 – Идеальная схема дистанционного зондирования

1.2 Наземное лазерное сканирование.
В основе технологии лежит сбор данных с использованием лазерного сканера –съёмочная си-стема, измеряющая с высокой скоростью (от нескольких тысяч до миллиона точек в секунду) расстоя-ния от сканера до поверхности объекта и регистрирующая соответствующие направления (вертикаль-ные и горизонтальные углы) с последующим формированием трёхмерного изображения в виде облака точек (рисунок 1.3)
При этом лазерный сканер может быть статично установлен на месте съемки, и после вы-полнения съемок с нескольких позиций сканы «сшиваются» (совмещаются) в единое облако точек для дальнейшей работы. Также сканер может быть оборудован системой инерциальной навигации (INS) (чаще инерциальным измерительным блоком – IMU для обеспечения записи данных о углах наклона и поворотах сканера), системами визуальной навигации (VNS) и глобальной навигационной спутнико-вой системой (GNSS). Во втором случае сканер может быть установлен на подвижные транспортные средства или может перемещаться вручную, а благодаря наличию информации о положении сканера в пространстве в каждый момент времени становится возможным получить единое облако точек.
НЛС обладает следующими преимуществами [12]:
• высочайшая плотность отражений и детальность получаемых материалов;
• высокая скорость автоматического сбора данных;
• самая высокая абсолютная точность данных (до 2 мм);
• возможность проведения съемки внутри помещений или под землей.
Недостатком метода можно считать низкую производительность.

Рисунок 1.3. Результат лазерного сканирования

1.3 Воздушное лазерное сканирование
В основе технологии также лежит сбор данных с использованием лазерного сканера, обо-рудованного системами инерциальной и спутниковой навигации. Сканер устанавливается на пилоти-руемый или беспилотный летательный аппарат (БПЛА), осуществляет сбор и запись геопростран-ственных данных. Сопоставление показало превосходство НЛС в случаях, когда требуется самый вы-сокий уровень детализации. Тем не менее, для более крупных геодезических проектов аэрофотосъем-ка с БПЛА обеспечивает достаточные уровни детализации и точности, а также более высокую эффек-тивность и более надежную безопасность геодезистов. Точность облака точек БПЛА находится на уровне нескольких сантиметров, тогда как точки НЛС имеют точность в несколько миллиметров. В дополнение к этому, НЛС создает более высокие плотности точек, чем снимки с БПЛА.
В 2018 году специалисты компании ZALA AERO первыми в России провели тесты беспилотно-го летательного комплекса с применением технологии воздушного лазерного сканирования [2]. Пред-ставленная технология на сегодняшний день является наиболее высокоточной и позволяет моделиро-вать объекты с воздуха с точностью до одного сантиметра. Как уже упоминалось выше, лазерное ска-нирование в России проводилось в основном с использованием пилотируемой авиации или наземных средств, что достаточно неудобно. Бесспорным преимуществом воздушного сканирования с беспи-лотника является большая скорость получения данных, высокая точность и меньшая стоимость (до 70% дешевле).

Рисунок 1.4 Принципиальная схема технологии воздушного сканирования.
К тому же, беспилотник гораздо маневреннее полноценного воздушного судна. Данные бортово-го лазерного сканера используются для разных проектов, и они нужны в различных масштабах [24]. Съемка с малых высот (50–300 м) обычно ведется для картографирования коммунальных объектов и гражданских строений. На такой высоте достигается максимальная детализация с точностью до мил-лиметра. Со средней высоты 10 (400–1000 м) ведут съемку для дорожного и городского планирования. Свыше 2000 м выполняются полеты для картографирования в масштабе страны. Плотность данных заметно падает при увеличении высоты полета (на 1 м2): десятки или сотни точек на уровне 50–300 м, десятки точек на уровне 400–1000 м, более 2000 м – менее десяти точек, обычно 1–2.


Рис. 1.5 – Процесс получения и анализа данных ДЗ
Точность зависит от качества съемочного оборудования, от условий измерения и корректировки
траектории движения сенсора, от использования дополнительных точек геопозиционирования (си-стем дифференциальной коррекции). Сантиметровую точность позиционирования позволяет полу-чить модуль RTK (Real Time Kinematic) [41].
Кроме ВЛС, ни один из применяющихся на сегодняшний день методов в дистанционном зонди-ровании земли (оптико-электронный и радарный тип съемки) не обладает одновременной возможно-стью получать и видимую поверхность крон, и поверхность рельефа [23]. ВЛС сочетает в себе лучшие черты каждого из методов, обладая при этом суб-дециметровыми точностями измерения высоты.
К недостаткам метода можно отнести низкую подробность при съемке вертикальных плоско-стей, например, стен, колонн, окон и т.д.
1.4. Использование методов фотограмметрии.
В основе данных методов лежит идея определения положения точки в пространстве по не-скольким ее изображениям. Изображения могут быть получены съемкой любой камерой, получающей визуальные снимки – в том числе цифровые или аналоговые, в видимом или других диапазонах. Каме-ра может быть установлена на БПЛА или может осуществляться съемка «с рук». Также отдельно мо-жет быть записана информация о положении камеры в пространстве с использованием INS, GNSS. После осуществления съемки выполняется обработка полученного материала, а в конечном итоге мо-гут быть получены – облако точек, ортофотопланы, цифровые модели местности, цифровые модели рельефа, полигональные (в том числе текстурированные) модели для дальнейшего дешифрирования.
Мониторинг может осуществляться на трех уровнях: локальном, региональном и глобальном; объект мониторинга должен обладать чувствительностью к любым изменениям среды; объект мони-торинга должен хорошо распознаваться дистанционными методами и легко контролироваться стан-дартными наземными исследованиями; информация об объекте мониторинга должна быть синхрон-ной и сопоставимой; организация мониторинга как информационной системы требует создания банка данных объекте и разработку автоматизированных технологий, обеспечивающих получение досто-верной информации.
В основе концепции мониторинга должны лежать следующие принципы: комплексность, си-стематичность и периодичность, полигонный характер исследований, автоматизация обработки дан-ных [9]. Информация, получаемая в процессе комплексного мониторинга, зачастую весьма далека от указанных требований. В этой связи наиболее актуальной задачей при проектировании системы того или иного мониторинга является задача унификации массива данных, наиболее возможное сближение форматов данных и в особенности выводных данных. Другой актуальной задачей является обеспече-ние доступа к государственным информационным ресурсам. Когда ведомственная информационная система разрабатывается как локальная, у многих владельцев баз данных возникает желание едино-лично пользоваться своей информацией, а нередко - торговать информационными ресурсами, создан-ными за счет бюджетных средств, невзирая на то, что по закону они являются ресурсами общего поль-зования. Преодоление ведомственных барьеров, создание условий для расширения обмена информа-цией возможно только на основе разработки и внедрения соответствующей нормативно-правовой ба-зы
В период расширения базы кадастровых сведений и массового строительства эффективное ре-гулирование градостроительной деятельности практически неосуществимо без современного инфор-мационного обеспечения, позволяющего согласовывать градостроительные решения, принимаемые на разных уровнях государственной власти.
В существующей нормативной документации не всегда рекомендуется использование средств аэромониторинга. Вместе с тем уровень технических средств, их доступность и разработанное про-граммное обеспечение позволяет успешно решать задачи мониторинга именно с использованием средств дистанционного зондирования, дополняя и, в какой-то части, замещая классические геодези-ческие методы измерений. Для существенной части задач мониторинга объектов, занимающих боль-шое пространство, предпочтительными являются данные космической съемки, а для протяженных объектов – АФС, в том числе с использованием БПЛА.
Помимо этого, следует отметить большие перспективы применения технологий ВЛС, эффек-тивность которых будет возрастать с развитием средств автоматизированной обработки материалов сканирования территорий. Рассматривая задачи, которые решаются с помощью геотехнического мо-ниторинга, можно выделить следующие основные виды работ:
? мониторинг процессов строительства и реконструкции;
? выявление и мониторинг ОГП в коридоре трассы;
? мониторинг береговых участков подводных переходов магистральных трубопроводов;
? построение карт смещений земной поверхности средствами радарной интерферометрии. Технологии дистанционного зондирования в задачах геотехнического мониторинга приходят на смену классическим методам и должны обеспечивать решение производственных задач. А нормативная до-кументация (ГОСТ, РД, СП и др.), используемая на предприятиях, требует доработки в соответствии с новыми научно обоснованными методами исследования.
Современное развитие технологий организации строительного производства и монито-ринга хода строительства во многом опирается на цифровизацию строительства с обеспечением уже выработанных требований по составу и объему собираемых сведений и показателей.



1.5 Мониторинг городских земель
Мониторинг городских земель является системой мероприятий и наблюдений за состоянием городского земельного фонда для обновления и поддержания достоверности данных о земле, своевре-менного выявления изменений оценки, предупреждения и устранения последствий негативных про-цессов на городских территориях. Специфика мониторинга городских земель в сравнении с монито-рингом земель вообще заключена в следующем:
• в особом назначении городских земель (то есть в их несельскохозяйственном, как правило, использовании);
• в их поли-функциональности;
• в меньшем, по сравнению с сельскими, размере городских землевладений и земле-пользовании;
• в большей насыщенности территории объектами недвижимости, что требует в усло-виях более высокой стоимости аренды земли в
• городе повышенной точности определения их границ и площадей;
• в существенно большей степени техногенного воздействия на все категории земель;
• в более широком спектре показателей и параметров, характеризующих различные ка-тегории земель [1];
• в функциональной взаимозависимости состояния земельных участков друг от друга;
• в более крупных масштабах картографирования результатов мониторинга.
В городе земля рассматривается не только как пространство, но и как совокупность множе-ственных подземных и наземных территорий, строений, путепроводов, здесь гораздо выше степень техногенного воздействия. Кроме того, специфика мониторинга городских земель определяется дей-ствиями различных негативных процессов. Эти процессы рассматриваются как комплекс динамиче-ских и антропогенных явлений, приводящих к отрицательному изменению состояния застройки, ухудшению её качественных и количественных характеристик, а также к несоответствию состояния городского земельного фонда требованиям освоения, уменьшению эффективности использования и степени освоения городских земель и, в конечном итоге, к снижению ценности земель.

1 1.6 Использование геоинформационных систем и ГИС- технологий для посто-янного мониторинга городской среды.
Согласно определению ГрК РФ, территориальное планирование направлено на определение функционального назначения территорий города, исходя из совокупности социальных, экономических, экологических и иных факторов для следующих целей:
обеспечение устойчивого развития территории;
развитие инженерной, транспортной и социальной инфраструктур, формирование комплексной инфраструктуры населенного пункта, отвечающей его предназначению;
формирование благоприятной среды жизнедеятельности;
сохранение исторического облика города, сложившихся традиций градостроительства в том или ином регионе или городе, культурного наследия для настоящего и будущего поколений.
Появление и развитие ГИС-технологий качественно изменило ситуацию в территориальном планировании, а именно: были оптимизированы процессы обработки пространственных данных, их обновления в ходе мониторинга.
Современные ГИС располагают широким набором базовых методов пространственного (геоинформационного) анализа. Основными его видами являются: функции работы с базами пространственных и атрибутивных данных, геокодирование, картометрические функции, создание моделей поверхностей, построение буферных зон, сетевой анализ, агрегирование данных, зонирование, специализированный анализ [6].
Основные направления применения ГИС в области градостроительства и управления развитием территорий:
1 земельные ресурсы, земельные кадастры;
2 мониторинг состояния окружающей среды;
2 сельское хозяйство;
3 проектирование, инженерные изыскания и планирование в градостроительстве, архитектуре, промышленном и транспортном строительстве;
4 комплексное управление, учет и планирование развития территории, города;
5 управление природными ресурсами (водными, лесными и т.д.);
6 планирование развития транспортных и инженерных инфраструктур;
7 анализ и оценка градостроительной ситуации и состояния городской среды как сложного комплексного явления;
8 определение тенденций и диспропорций развития;
9 градостроительный и социально-эколого- экономический мониторинг.
Приведенный список представляет собой обобщенные направления применения геоинформационных систем, при этом сфера их использования постоянно расширяется. Преимущества ГИС:
возможность визуализации разнообразных картографических объектов, картометрия;
получение различной информации об объекте из одного источника;
создание тематических карт и планов.
В Российской Федерации используются самые различные ГИС — от полнофункциональных универсальных продуктов зарубежного (ArcGIS, Mapinfo и др.) и российского (Panorama, ГеоГраф и др.) производства до узкоспециализированных систем — АИС «Землепользование», «Геополис» и др.
В настоящее время ГрК РФ предусматривает ведение информационных систем обеспечения градостроительной деятельности только на двух уровнях управления:
- на федеральном — в виде Федеральной государственной информационной системы территориального планирования (ФГИС ТП) (ст. 57.1 ГрК РФ);
- на уровне городских округов и муниципальных районов, которые обязаны ввести информационную систему обеспечения градостроительной деятельности (п. 1 ст. 57 ГрК РФ и Федеральный закон от 06.10.2003 г. № 131-ФЗ).
Федеральная государственная информационная система территориального планирования (ФГИС ТП) — это информационно-аналитическая система, обеспечивающая доступ к сведениям, содержащимся в государственных информационных ресурсах, государственных и муниципальных информационных системах, в том числе в ИСОГД, и необходимых для обеспечения деятельности органов государственной власти и органов местного самоуправления в области территориального планирования [7] (рис. 3).
Информационная система обеспечения градостроительной деятельности
(ИСОГД) представляет собой систематизированный свод документированных сведений о развитии территорий, об их застройке, о земельных участках, об объектах капитального строительства и иных необходимых для осуществления градостроительной деятельности сведений [3].
В современном понимании ИСОГД включает в себя: ГИС (географическая информационная система), МСЭД (межведомственная система электронного документооборота), СУБД (система управления базами данных), ЭАР/BPMS (система управления электронными административными регламентами / система управления бизнес-процессами), СКК / НСИ / MDM (система классификации и кодирования информации), web-портал, а также позволяет организовать доступ к СМЭВ (система межведомственного электронного взаимодействия).

Рис. 1.6 Интерактивная информационная системы (ИИС) Комитета по строительству, архитектуре и развитию города Барнаула.
Применение геоинформационных техно¬логий, данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) и новейших программных средств самым эффективным образом сказывается на ка¬честве принятия обоснованных управленческих решений и, что немаловажно, на разработке картографических матери-алов аналитического характера (карт землепользований, карт водоох¬ранных зон, санитарно-защитных зон городов и т.п.), используемых для подготовки концепции градостроительного зонирования.
Дефицит актуальной топографо-геоде¬зической основы значительно замедляет все процессы тер-риториального планирования, а в дальнейшем влечет за собой череду препят¬ствий в управлении тер-риториями.
Под данными ДЗЗ понимают первичные и производные материалы аэро- и космических съемок, полученные в результате фотографи¬рования Земли со спутников, оборудованных специализирован-ными сенсорами. Эти данные различаются по пространственному охвату территории съемки, разре-шению снимков, ко¬личеству каналов и дате съемки. Данные ДЗЗ и оперативный космический мони-торинг могут служить высококачествен¬ной основой для разработки схем территори¬ального планиро-вания и градостроительной документации, они дают исчерпывающую и достоверную информацию о природных (зе¬мельных) ресурсах, объектах транспортной и инженерной инфраструктур и других объ-ектах. Более того, они предоставляют колоссальный объем актуальной пространственной инфор¬мации в постоянно изменяющейся среде для контроля и корректировки градостроительной документации, позволяют экономить время и значительные финансовые средства при ее соз¬дании.
Использование данных ДЗЗ перспективно и в случае оценки городских территорий, по¬скольку от принятия обоснованных, эффектив¬ных решений по функциональному зонирова¬нию территории при разработке генерального плана города зависит протекание в нем всех процессов жизнедеятельности населения, про¬изводства, размещения элементов инфраструк¬туры. Проекты территориального плани-рова¬ния создаются на значительной по площади территории, поэтому при их разработке при¬менение данных ДЗЗ (космических снимков обосновано). Для целей территориального планирования наиболее привлекательны — космические снимки сверхвысокого простран¬ственного разрешения (от 0,3 до 1 м) и высоко¬го разрешения (от 1 до 2,5 м) [3].
Наиболее известные и легкодоступные данные ДЗЗ — снимки, сделанные в види¬мом диапазоне спектра (например, снимки, предоставляемые сервисами OpenStreetMap, Yandex, Google, SasPlanet и др.). Существуют данные, включающие в себя несколько спек¬тральных каналов, например, Ресурс, Landsat, Worldview, QuickBird, MODIS, NOAA, ASTER, SPOT и др. Сравнивая и комбинируя значения яркости разных каналов, можно получать важ¬ные сведения о тех или иных изменениях исследуемой местности местности.

Рисунок 1.7 Снимок квартала 2036* в г. Барнаул с использованием сервисов Yandex.
*Красным цветом показаны границы. Зеленым разграничены зоны влияния застройщиков.




1.7 Выводы
ВЛС, МЛС и НЛС могут быть совмещены для взаимного устранения недостат-ков и для достижения оптимального решения поставленной задачи. Отмеченные выше недостатки каждого метода являются таковыми по отношению этих методов друг к другу, однако даже самый медленный метод (наземное сканирование) гораздо произ-водительнее тахеометрической съемки, а наименее детальный метод (воздушное ска-нирование) – гораздо детальнее, точнее и быстрее классической аэрофотосъемки [13].
Совместный пример использования нескольких видов сканирования при съемке
железной дороги: для съемки использовать мобильный лазерный сканер, с по-мощью воздушного лазерного сканера получить цифровую модель рельефа, а назем-ным лазерным сканером провести съемку сложных технических сооружений на стан-циях.
Стоит отметить, что тип лазерной съемки влияет не только на первичную (вы-числение физических координат точек объектов), но и на последующую обработку данных (классификация или распознавание объектов в облаке). Существенное отличие данных с воздушной съемки от наземной или мобильной в том, что моделирование зданий в воздушной съемке всегда будет опираться на распознавание крыш, а при наземном и мобильном сканировании чаще придется распознавать плоскости стен.


Рисунок 1.6. Пример облака точек городской инфраструктуры.

Рисунок 1.7. Результат НЛС объекта. Цветом показана интенсивность отраженного сигнала.
2. Возможности использования данных наземного лазерного сканирования .триангул
Использование материалов наземного лазерного сканирования (НЛС) предоставляет целый ряд дополнительных данных для изыскания, проектирования и строительства инженерных сооружений [1]. К таким данным следует отнести весьма детальные точечные модели объектов и рельефа местности, которые имеют различные интенсивности отражений лазерного импульса. Поэтому для автоматизации обработки результатов НЛС возникает необходимость классификации точек по коэффициентам отраженного сигнала
Целью данной статьи является исследование вопроса классификации пространственных данных по интенсивности отраженных импульсов для совершенствования обработки результатов НЛС в системах автоматизированного проектирования.
Интенсивность отраженного импульса представляет значение энергии сигнала, вернувшегося в приемник лазерного сканера. Эта величина зависит от дальности излучения, отражательной способности объекта, состояния атмосферы и других факторов [2]. Изображения в форме интенсивности отраженного импульса позволяют выявить различные объекты местности, а также их свойства, состояние и взаимное положение [3]. Важной задачей при этом является классификация пространственного массива данных, т. е. разделения точек по классам в соответствии с заданными критериями. поля на целые составляющие зонирования можно выделить несколько классов, напри-мер, точки, принадлежащие земной поверхности, растительности, зданиям и инженерным сооружениям и др. На изображениях по интенсивности лазерных отражений до-статочно
четко выделяются не только площадные объекты, но и объекты линейного типа [4].
Как известно, по точкам отражения от земной поверхности строится цифровая модель местности с высокой точностью и полнотой [5]. Трехмерные цифровые модели могут быть также созданы по точкам, выделенным по интенсивности лазерных отра-жений от различных объектов местности, инженерных сооружений и технологическо-го оборудования [6].
В этом случае требуется провести классификацию пространственных данных, получаемых в результате НЛС. Классификация лазерных точек предполагает установ-ление принадлежности каждой точки или группы тому или иному объекту местности: инженерному сооружению, поверхности рельефа, растительности и т. д.
Наличие такой информации позволяет автоматизировать дальнейший процесс обработки результатов лазерного сканирования и выделять целый ряд объектов мест-ности из всей совокупности точечной модели. Результаты сканирования отображаются разными способами цветного кодирования точек, а именно – с учетом расстояния, вы-соты, угла отражения, освещенности и других факторов. В современных технологиях обработки имеется возможность применить к пространственным данным параметры стиля классификации, а также другие параметры стилей, позволяющие создать реали-стичный вид трехмерного массива точек.
С помощью стилей отображения устанавливаются различные режимы просмот-ра трехмерных массивов точек, а также варианты фильтрации пространственных дан-ных [8]. Такие данные могут быть представлены в соответствии с тем или иным кодом, который был им присвоен в процессе классификации. В результате точки будут отоб-ражаться в соответствии с присвоенной им цветовой кодировкой, установленной при классификации. Это особенно важно, когда необходимо выделить разные элементы местности, захваченные во время сканирования, а также особо следует выявить и отоб-разить состояние поверхности инженерного сооружения, например, с учетом влажно-сти, температуры поверхности и других факторов.
Стиль точек можно скорректировать, чтобы отфильтровать нежелательные эле-менты из общего массива. На основе отфильтрованных данных лазерного сканирования появляется возможность автоматизировать дальнейшие процессы обработки, а также 3D-моделирования, например, создания трехмерной (твердотельной) модели инженерного объекта.
Для графического представления и статистического анализа результатов лазерных отражений целесообразно использовать гистограмму распределений, поскольку имеет место огромный массив пространственных данных, насчитывающих сотни тысяч точек. Целевой функцией лазерного сканирования является создание трехмерной геоинформационной модели (подготовка пространственных решений) (Fg). Этот процесс базируется на результатах пространственного анализа данных лазерного сканирования (пространственный анализ данных) (Fa), что составляет сущность второй важной функции рассматриваемой системы.
Для анализа данных необходимы соответствующие модели математического описания объектов и рельефа, поэтому третьей функцией является моделирование территории (Fm). Однако для моделирования необходимы исходные данные, поэтому четвертой функцией является сбор данных (или съемка территории и предварительная об-работка данных), и пятой функцией – получение семантической информации (Fs и Fi). Наконец, для контроля и восприятия человеком результатов пространственного анализа необходима шестая функция – визуализация (Fv). Создание цифровых карт (Fс) является дополнительной, седьмой функцией.
Таким образом, функция Fs осуществляет отображение пространственных (Cp) и непространственных (Cup) свойств рассматриваемых объектов местности на множество S
Fs : C> S,
где, C={Cp, Cup} и S={Dt, Di, Dg, Ds}.

Рисунок 1.8 Функциональная схема получения данных в технологии лазерного скани-рования.
В большинстве конструкций сканеров используется импульсный лазерный
дальномер. На пути к объекту импульсы лазерного излучения проходят через систему
зеркал, которые осуществляют пошаговое отклонение лазерного луча. Наиболее
распространенной является конструкция, состоящая из двух подвижных зеркал. Одно из них отвечает за вертикальное смещение луча, другое – за горизонтальное. Зеркала сканера управляются прецизионными сервомоторами, в конечном итоге, они и обеспечивают точность направления луча лазера на снимаемый объект. Зная угол разворота зеркал в момент наблюдения и измеренное расстояние, процессор вычисляет координаты каждой точки.
Все управление работой прибора осуществляется с помощью портативного
компьютера со специальными программами. Полученные значения координат точек из
сканера передаются в компьютер по интерфейсному кабелю и накапливаются в
специальной базе данных. Сканер имеет определенную область обзора или, другими
словами, поле зрения.
Предварительное наведение сканера на исследуемые объекты происходит либо с
помощью встроенной цифровой фотокамеры, либо по результатам предварительного
разряженного сканирования. Изображение, получаемое цифровой камерой, передается на экран компьютера, и оператор осуществляет визуальный контроль ориентирования
прибора. Сканирование может производиться как сразу всего поля зрения, так и лишь
какой-то его части. Поэтому фотоизображение может быть использовано для
выделения из общей картины нужных локальных областей. Работа по сканированию часто происходить в несколько сеансов, во-первых, из-за ограниченного поля зрения, во-вторых, из-за формы объектов, когда все поверхности просто не видны с одной точки наблюдения. Самый простой пример - четыре стены здания. Полученные с каждой точки стояния сканы совмещаются в единое пространство в специальном программном модуле. Для обеспечения процесса совмещения еще на стадии полевых работ необходимо предусмотреть получение сканов с зонами взаимного перекрытия. При этом перед началом сканирования в этих зонах нужно разместить специальные мишени. Это является весьма существенным моментом при планировании работ.
По координатам этих мишеней и будет происходить процесс "сшивки". Можно
совместить облака точек без специальных мишеней, используя лишь характерные точки сканируемого объекта, которые в свою очередь должны легко опознаваться на сканах, но при этом, наблюдается уменьшение точности.

Таблица 1. Сравнение точности методов дистанционного зондирования

В результате сбора, первичной обработки, контроля и дополнения данных лазерного сканирования первичные данные представляют как осмысленную и обработанную информацию, которую получают в результате преобразования певичных данных и отображения их в едином пространственно-информационном поле. Геометрические данные подвергаются вычислительной обработке, в ходе которой вычисляются и уравниваются координаты и, при необходимости, высоты репрезентативных точек. При этом используется исходная информация в виде координат и высот опорных точек в заданной координатной системе и картографической проекции. Таким образом, полу-чается геометрическая информация (Ig). Топологические данные из схематического изображения территории преобразуются в цифровую табличную форму описания контуров и предметов – топологическую информацию (It). Топологическая информация, совместно с геометрической информацией, образует пространственную информацию, которая полностью отображает пространственные свойства предметов [142]. Обработка семантических данных состоит в систематизации, классификации и кодировании характеристик непространственных свойств предметов. В результате такой обработки получается атрибутивная информация (Iа).
Идентификационные данные используются при обработке остальных данных без изменения и, как составная часть, входят в пространственную и семантическую информации, обеспечивая их однозначную связь для каждого предмета.
Таким образом, упорядоченная совокупность геометрических, топологических, идентификационных и семантических данных о территории и ее пространственных объектах образует трехмерную пространственно-информационную модель данных лазерного сканирования (I), т. е.
Fi : S > I,
где I = {Iр, Iа}; Ip = {Ig, It}.
Трехмерная пространственно-информационная модель представляет собой за-конченный результат и может быть использована для решения задач экономики страны. Но на практике она редко используется как окончательный результат. В качестве примера использования трехмерной пространственно-информационной модели можно привести использование ее для цели контроля этапов строительства, где нет необходимости комплексного представления информации об объекте строительства, а необходимо получить отдельные геометрические параметры и неметрические характеристики строящегося объекта.

2.1. Сканирование объекта реконструкции.
Одной из современных методик анализа городской среды является наземное лазерное сканирование. Городская среда – это сложная функционально-пространственная система неразрывно связанных частей города. В этой системе равноправно взаимодействуют как здания и сооружения, так и пространства улиц, перекрестков и площадей.
Суть наземного лазерного сканирования заключается в высокоскоростном измерении расстояния от рабочей станции до точек объекта и регистрации вертикальных и горизонтальных углов. Этот метод сбора данных приобретает популярность на протяжении последних 10 лет, в таких областях как промышленное и гражданское строи-тельство, нефтегазовая промышленность, городской кадастр, съемка автомобильных и железных дорог и инфраструктуры, съемка туннелей, а так же может использоваться в области охраны историко-культурного наследия.
Эта технология дает возможность исследователю получить полную трехмерную информацию о пространственном окружении и позволяет сделать выводы о целесообразности принимаемых решений при проектировании новых объектов в плотном ядре города. Рассмотрим преимущества НЛС и разберем принципы их действия, технические характеристики и как результат произведем подбор оптимальных моделей для анализа городской среды. Преимуществами НЛС являются:
- высокая детализация и точность данных;
- скорость съемки (от 50 000 до 1 000 000 измерений в секунду);
- безотражательная технология измерений;
- высокая степень автоматизации, практически исключающая влияние субъективных факторов на результат;
- совместимость полученных данных с форматами программ по двухмерному и трех-мерному проектированию;
- изначальная «трехмерность» данных (X,Y,Z);
- максимальное снижение трудозатрат на полевом этапе работы;
- использование в случаях затруднения доступа к объекту.
-НЛС формирует трехмерное изображение окружающего пространства без остановки функционального процесса.

Весь текст будет доступен после покупки

1. Карманов А.Г., Кнышев А.И., Елисеева В.В. Геоинформационные системы терри-ториального управления. СПб.: Университет ИТМО, 2015. –21 с.
2. СП 333.1325800.2017 «Информационное моделирование в строительстве. Правила-формирования информационной модели объектов на различных стадиях жизненно-го цикла»: [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.minstroyrf.ru/upload/iblock/e80/SP-333.pdf (дата обращения: 17.03.2023)
3. Гук А. П., Шляхова М. М. Некоторые проблемы построения реалистических изме-рительных 3D-моделей по данным дистанционного зондирования // Вестник СГУГиТ. –2015. – Вып. 4 (32). – С. 51–60.
4. Хорошилова, Ж. А. О возможности построения математических моделей инженер-ных объектов по данным лазерного сканирования // Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия: сборник материалов в 3 томах Международной науч-ной конференции. – Новосибирск : СГГА, 2013. – Т. 3. – С. 116 – 119.
5. Ротанова И.Н.,Воробьёв К.В. , ОскорбинН.М. Принципы построения, технологии и программное обеспечение региональной модели инфраструктуры пространствен-ных данных Алтайского края//Изв.Алтайского гос.ун-та.2013.№1/1(77).С.143–147.
6. Азаров Б.Ф., Федорова Е.А. Использование наземного лазерного сканирования для обследования состояния берегов красноярского водохранилища// Геопрофи: на-учно-технический журнал по геодезии, картографии и навигации. 2014. № 1. С. 46-52.
7. Жильцова А.В. Использование наземного лазерного ска¬нирования при мониторин-ге строительных объектов и конструкций //StudNet. -2020. -Т.3. - № 10. - С. 181.
8. Богданов А.Н., Алешутин И.А. Наземное лазерное ска¬нирование в строительстве и ВIМ-технологиях//Известия Казанского государственного архитектурно-строитель-ного университета. 2018. № 4 (46). С. 326-332.

Весь текст будет доступен после покупки