Применение высокоточного лазерного 3D-сканирования и методов аэрофотограмметрии (в том числе на основе сбора данных беспилотных летательных апаратов (БПЛА) при проведении обследования и мониторинга технического состояния зданий и сооружений

Объектом исследования являются: территории, здания и сооружения и их отдельные элементы (конструкции), для которых необходимо проводить обследование и мониторинг их технического состояния. Основной целью любого обследования технического состояния зданий и сооружений является оценка работоспособности строительных объектов на основе выявления изменений свойств и параметров грунтов, деформационных повреждений и дефектов несущих и ограждающих конструкций. С целью сбора и обработки информации о различных параметрах строительных конструкций (включая геодезические, динамические, деформационные и др.) и скорости их изменения во времени для оценки технического состояния зданий и сооружений, своевременного принятия мер по устранению возникающих негативных факторов, ведущих к ухудшению технического состояния объектов, проводится мониторинг технического состояния несущих конструкций объекта. К числу важнейших параметров технического состояния строительных объектов, в первую очередь, относится негативное изменение напряженнодеформированного состояния строительных конструкций зданий и сооружений, включая грунтовое основание. Тенденции негативного изменения напряженно-деформированного состояния конструкций и грунтов оснований строительных объектов, в том числе, в результате развития неравномерных осадок и кренов зданий и сооружений могут повлечь за собойснижение несущей способности, потерю устойчивости и переход объектов в ограниченно-работоспособное или даже в аварийное состояние. Функционирование конструкций и эксплуатация здания или сооружения в ограниченно-работоспособном состоянии при угрозе перехода в аварийное состояние возможны либо при контроле (мониторинге) технического состояния, либо при проведении необходимых мероприятий по обеспечению механической безопасности здания или сооружения, восстановлению или усилению конструкций и/или грунтов основания и при необходимости последующем мониторинге технического состояния. Центральной задачей технического обследования или мониторинга технического состояния строительного объекта является не только выявление изменений параметров строительных конструкций для оценки технического состояния объекта, но и установление физических причин реализации тенденций их негативного изменения. В последние десятилетия одной из основных физических причин развития неравномерных осадок и кренов строительных объектов в мегаполисах и, как следствие, негативного изменения напряженнодеформированного состояния их строительных конструкций и грунтового основания является рост интенсивности мегацикловых вибродинамических нагрузок на здания и сооружения, источником которых, как правило, являются транспортные воздействия, мощность которых в крупных мегаполисах за последние 30 лет выросла на два порядка. Ростом интенсивности негативных факторов влияния динамических воздействий на механическую безопасность строительных объектов объясняется актуальность задач как по разработке принципов оценки последствий этих воздействий в системе «объект – основание» на надежность строительных конструкций зданий и сооружений, так и задач по разработке эффективных современных методик инженерных изысканий, направленных на ранее выявление дестабилизирующих факторов и прогноз развития аварийных ситуаций Для фиксации дефектов (повреждений) и предварительной оценки общих деформаций конструкций согласно действующим нормативным документам помимо прочих классических методов контроля допускается применение фотограмметрических методов с построением ортофотопланов, а также технологии лазерного сканирования. В сфере инженерно-геодезических изысканий применение современных методов сбора геопространственных данных требует особого внимания к обеспечению достаточной точности и снижению вероятности возникновения ошибок в получаемых данных. В задачах фотограмметрической обработки, особенно при создании облаков точек, наблюдается высокая степень подверженности данных «шуму» - появлению паразитных точек, положение которых в пространстве не соответствует реальной геометрии исследуемого объекта. Данное явление обусловлено техническими особенностями используемого оборудования, алгоритмами обработки и сжатия изображений, фотограмметрическими алгоритмами, а также специфическими характеристиками снимаемой сцены. Эта проблема становится особенно актуальной при применении фотограмметрических методов для получения данных с объектов, имеющих монотонный цвет поверхности и отсутствие ярко выраженной текстуры. В зимний период, при значительной заснеженности, ситуация усугубляется: однородность и отражательные свойства снежных покровов затрудняют поиск связующих точек и сопоставление изображений. Это существенно осложняет процессы фотограмметрической реконструкции и влияет на качество итоговых данных. Таким образом, разработка эффективных методов уменьшения «шума» в фотограмметрических данных приобретает особую важность. Эффективность использования технологии лазерного сканирования заключается в возможности получения в рамках комплекса работ по обследованию и мониторингу территорий, зданий и сооружений данных по пространственному положению огромного массива характерных точек объектов мониторинга. Главными недостатками технологии лазерного сканирования являются необходимость дополнительной привязки (координирования) облака точек в принятой системе координат и обеспечения высокой требуемой точности определения указанных пространственных координат облака точек. Одним из способов устранения данных недостатков является разработка и внедрение эффективных методик совместного применения при лазерном сканировании высокоточных электронных тахеометров с функцией лазерного сканирования и геодезических лазерных сканеров, а значит, разработка таких методик является актуальной задачей исследований. Решение указанных задач позволит повысить точность геопространственных данных, получаемых в рамках обследования или мониторинга технического состояния строительного объекта, что является критически важным для последующих аналитических этапов и принятия обоснованных инженерных решений о возможности дальнейшей безопасной эксплуатации объекта и необходимости принятия мер по усилению или восстановлению его элементов. Учет всех факторов, влияющих на возникновение ошибок, и внедрение передовых алгоритмов обработки способны значительно улучшить качество получаемых результатов в условиях сложных съемочных сценариев. Цель работы заключается: в совершенствовании методов визуальноинструментального контроля при обследовании и мониторинге технического состояния территорий, зданий и сооружений и их отдельных элементов (строительных конструкций). Методы и методология проведения работы: исследование возможностей применения результатов высокоточного лазерного 3Dсканирования и методов аэрофотограмметрии (в том числе на основе сбора данных беспилотных летательных аппаратов (БПЛА)) для анализа и фиксации состояния несущих конструкций при проведении обследования и мониторинга технического состояния территорий, зданий и сооружений. В рамках данного исследования с целью снижения уровня шума в данных детально рассмотрена возможность использования фильтров, основанных на статистических параметрах распределения шума в облаке точек, полученных методом фотограмметрической съёмки образцов с различной степенью непрозрачности текстуры. Установлено, что статистическое распределение шума при указанных условиях съёмки для анализируемых выборок, в общем случае, не соответствует единому типу статистического распределения с предсказуемыми параметрами, что усложняет процесс фильтрации данных. Для полученных облаков точек были отобраны выборки значений координат точек из областей с определёнными характеристиками геометрии, заданными параметрами перекрытия и яркостными свойствами текстуры. Для этих выборок проведён тщательный статистический анализ, позволяющий определить особенности распределения шума в различных условиях съёмки. В качестве линейного фильтра был применён фильтр Калмана, при этом продемонстрированы его качественный и количественный эффекты на результирующие данные. Сформулированы ключевые вопросы и обозначены проблемы, связанные с практическим применением данного фильтра при обработке фотограмметрических данных. Кроме того, авторами разработаны и представлены основные элементы методики проведения обследования элементов несущих конструкций в зданиях и сооружениях при мониторинге возникновения и развития визуально определяемых трещин. Определены качественные параметры, такие как текстура поверхности, освещенность и разрешение изображений, которые влияют на возможность точной оценки ширины раскрытия трещин на основе фотограмметрических измерений. Данные результаты имеют существенное значение для повышения точности диагностики состояния строительных конструкций и принятия обоснованных инженерных решений в области эксплуатации и ремонта зданий и сооружений Выполнена оценка возможности применения многокамерных систем для фотограмметрической съемки объектов благоустройства. Протестирована специализированная многокамерная система на основе камеры Insta360 X4, выполнено сравнение двух способов расположения камер: перпендикулярно и параллельно оси движения оператора. Отмечено, что достигнутая точность является достаточной для многих практических задач благоустройства. На основании полученных результатов намечены дальнейшие направления исследований, включая оптимизацию методов съемки и обработки данных. Новизна данной работы: заключается в разработке методик совместного применения высокоточных электронных тахеометров с функцией лазерного сканирования и собственно геодезических лазерных сканеров при определении геометрических параметров обследуемых конструкций и мониторинге их технического состояния. Впервые определена и подтверждена область и допустимые параметры использования двухкамерных систем для выполнения фотограмметрической съемки объектов. Разработаны элементы методик выполнения обследования зданий и сооружений с применением беспилотных летательных аппаратов, наземной фотограмметрической съемки. Область применения результатов работы: технический мониторинг зданий и сооружений на этапах строительства и эксплуатации, техническое обследование зданий и сооружений, проведение работ при различных видах мониторинга состояния территорий, зданий и сооружений. Результаты исследования позволят: повысить эффективность применения методов лазерного сканирования и фотограмметрических методов при обследовании и мониторинге технического состояния зданий и сооружений. Проведенное исследование имеет значительное прикладное техническое значение: в современном промышленном и гражданском строительстве, проведении работ при техническом обследовании территорий, зданий и сооружений, а также мониторинге их технического состояния