В современном мире роль автомобильного транспорта занимает ключевые позиции в построении грамотной рыночной экономики государства, вследствие чего требования к качеству и срокам строительства путей наземного сообщения возрастает с каждым годом. Все новые идеи по совершенствованию дорожной отрасли направлены на развитие автоматизированного проектирования. В связи с активной компьютеризацией в данной области, нормативные документы и регламенты обновляются все чаще. Главным достоинством работы в ГИС является набор инструментов пространственного анализа и графических средств оформления карт. При помощи ГИС реализуется обработка ЦМР, направленная на определение различных характеристик рельефа, по которым в дальнейшем можно будет выстроить базу для принятия решения о проектирование дороги на данном участке местности. Камеральное трассирование на основе ГИС значительно упрощает задачи проектировщика, позволяет выявить все трудности будущих работ на изыскательской стадии с помощью создания так называемой «актуальной цифровой модели местности». Целью данной работы являлась разработка методики по созданию актуальной топографической основы для автоматизированного трассирования автомобильных дорог на примере многофункциональной геоинформационной платформы.
Ключевые слова: автоматизированное проектирование, геоинформационная система, трассирование, актуальная цифровая модель местности.
Развитие транспортной инфраструктуры один из важнейших показателей экономического роста региона и государства в целом, вследствие чего требования к качеству и срокам строительства автомобильных дорог возрастает с каждым годом. На сегодняшний день благодаря системам автоматизированного проектирования автомобильных дорог можно значительно упростить и оптимизировать сроки и затраты на сверхурочные работы и различного рода реконструкции, заранее выявив все геодезические и геологические трудности на участке строительства на стадии изысканий.
Основополагающим применением космической фотограмметрии в процессе моделирования трассы является построение, на основе результата полученных снимков, цифровой модели рельефа (ЦМР), которая представляет собой прямоугольную сетку, отражающую форму поверхности между точками заданного уровня, а также цифровой модели местности (ЦММ). Работа с ЦМР и ЦММ главным образом ведутся в цифровых фотограмметрических системах, преимуществом которых является то, что программы позволяют построить ЦМР с автоматизированной обработкой по высоко детализированным снимкам большого разрешения. Фотограмметрические изображения можно обработать в геоинформационных программах, позволяющих накладывать снимки с космических спутников, содержащих информацию вследствие чего становиться возможным камеральное трассирование автомобильной дороги. Трассирование производится при помощи специализированных или многофункциональных геоинформационных системах. При помощи ГИС реализуется обработка ЦМР, направленная на определение различных характеристик рельефа, по которым в дальнейшем можно будет выстроить базу для принятия решения о проектирование дороги на данном участке местности.
Камеральное трассирование на основе ГИС значительно упрощает задачи проектировщика, позволяет выявить все трудности будущих работ на изыскательской стадии с помощью создания так называемой «актуальной цифровой модели местности».
Все новые идеи по совершенствованию дорожной отрасли направлены на развитие автоматизированного проектированиях [1]. В связи с активной компьютеризацией в данной области, нормативные документы и регламенты обновляются все чаще. Нормативная база в этой области не стабильна и не систематизирована. Основным документом по созданию ЦММ является ГОСТ Р 52440–2005 «Модели местности цифровые» [3]. Стандарт устанавливает основные требования к содержанию и представлению пространственных данных в составе цифровых моделей местности (далее — ЦММ), общие требования к процессу их создания и обновления, а также требования к маркировке, упаковке, транспортированию и хранению. Одним из первых документов по систематизированному проектированию был разработан госкомпанией «Автодор» в 2016 году СТО АВТОДОР 8.6–2016 «Организационная и технологическая поддержка процессов формирования информационных моделей автомобильных дорог на всех этапах жизненного цикла» [4]. Этот документ позволил выполнить первые пилотные проекты и накопить определённый опыт для дальнейшей эволюции процесса информационного моделирования дорог. В 2016–2017 гг. по заданию ФДА «Росавтодор» был выполнен ряд научно-исследовательских работ в сфере BIM. В результате мы получили ОДМ 218.3.105–2018 «Методические рекомендации по организации взаимодействия участников разработки проектной и рабочей документации на пилотных проектах строительства, капитального ремонта и реконструкции, автомобильных дорог с применением BIM-технологии» [4], утверждённый и введённый в действие приказом от 05.06.2018 № 2084-р.
Для систематизированного подхода к проектированию дорожно-строительных объектов необходимы актуальные и достоверные источники, поэтому необходима разработка конкретных методических рекомендаций, регламентирующих процесс автоматизированного проектирования автомобильных дорог.
Целью данной работы являлась разработка методики по созданию актуальной цифровой модели местности для автоматизированного трассирования автомобильных дорог на примере многофункциональной геоинформационной платформы QGIS [6]․
На данный момент есть два способа проектирования: ручное, без применения компьютера, и автоматизированное, исходящее на основе взаимодействия проектировщика и компьютера [2]. В то время как принцип действия компьютерам можно предвидеть с высокой точностью, действия проектировщика, который подвержен человеческому фактору, будут неопределенными. Исходя из этого фактора, при проектировании технически сложных объектов, к которым относятся дороги, используют системы автоматизированного проектирования (САПР) и специализированные и многофункциональные ГИС. Специализированные ГИС имеют ряд преимуществ в работе: обеспечивают доступ к полной информации, имеют специальные возможности для проектирования и вывода его результатов, но они являются корпоративным продуктом и не всегда доступны широкому пользователю. Поэтому наш научный интерес был направлен на то, какие проектные задачи можно решить на базе неспециализированных геоинформационных платформ, которые находятся в свободном доступе. Использование многофункциональных геоинформационных систем может быть востребовано организациями, не входящими в сегмент дорожной отрасли, но имеющие на балансе дорожную инфраструктуру, которую нужно эксплуатировать, обслуживать и развивать (например, администрации малых городских поселений, муниципальных образований, предприятия лесной и добывающих отраслей, имеющие сеть дорог на осваиваемых территориях и т. д.).
Исходные данные и методика
Для разработки методики создания «актуальной ЦММ» нами использовалась многофункциональная геоинформационная система QGIS. Для выполнения камерального трассирования выбран Курагинский район Красноярского края. Курагинский район имеет разнообразный, интересный для проектирования рельеф — полуравнинные лесостепные пейзажи на западе сменяются горными хребтами и долинами на востоке. Район располагается в III дорожно-климатической зоне. Климат Курагинского района — резко континентальный, для которого характерны большие перепады температур в любое время года. Зима долгая, с обильными снегопадами. Лето короткое, тепло приходит только к концу июня.
В работе использовались снимки с космической станции Sentinel-2, для построения цифровой модели рельефа использовался метод Triangular Irregular Networks (TIN), для чего векторизировались данные SRTM. Построениая ЦММ является основой для создания цифровой модели местности.
Перед созданием ЦММ производится предварительная обработка снимков с космического аппарата Sentinel-2. Предварительная обработка сводится к приведению всех каналов космических снимков к единому формату размерности изображения. Все снимки будут переведены в размер 10 x10 м. Обработка снимка выполняется в программе QGIS-3 с помощью плагина для полуавтоматической классификации SCP (semi-automatic classification plugin). Полученная цифровая модель местности — основа для построения актуальной ЦММ, на которой будут фиксироваться «опасные участки» для проектирования.
Результаты
Предлагаемая методика автоматизированного камерального трассирования в общем виде включает следующие этапы:
- Построение актуальной цифровой модели местности.
Выделение участка трассирования. Для того чтобы обозначить участок, который будет рассматриваться как основа для создания топографической основы, нами были созданы векторные слои (шейп-файлы) с воздушной линией трассы и район трассирования ограничен полигоном на ЦММ
- Векторизация основных элементов топографической основы.
С этой целью создаются шейп-файлы (рисунок 1) с гидрологией (а), болотистыми участками (б), растительностью, существующими дорогами (в), почвенно-геологический слой (г), рельефом (д).
Рис. 1. Векторизация основных элементов топографической основы
Автоматизированное трассирование
Автоматизированое построение трассы выполняется в три этапа.
1) Оценка стоимости каждого элемента актуальной топографической основы.
Смысл этого этапа состоит в том, что для программы необходимо обозначить значимость элементов местности при проектировании. Под «стоимостью» тут понимается важность (или не важность) значения конкретного фактора при построении маршрута, выраженная в 10-балльной шкале. Участки с высокими баллами необходимо обойти. Такую оценку в QGis можно выполнить при помощи модуля «Анализ стоимости пути».
Например, для уклонов, стоимость оценивается по величине уклонов в промилле. При построении шкалы следует руководствоваться нормами проектирования, исходя из категории проектируемой автомобильной дороги (таблица 1).
В модуле «Анализ стоимости пути» обрабатываются векторные слои всех элементов местности, созданные на предыдущем этапе, с целью оценить их «стоимость» при построении маршрута. В результате получаем растр стоимости по каждому элементу. Перевод в 10-бальную систему необходим для дальнейшего сведения всех растров стоимости по различным признакам к единой бальной системе.
2) Получение суммарного растра стоимости.
Для того, чтобы выполнить трассирование необходимо сложить все полученные слои растров стоимости в единый суммарный растр. При учете прокладки дороги будут учитываться все факторы, и программа предложит наиболее оптимальный и короткий участок трассы по результатам изысканий.
Таблица 1
« Стоимость» значений уклонов
|
Минимальное значение уклона, о |
Максимальное значение уклона, о |
«Стоимость» участка, балл |
|
≤2 |
2 |
1 |
|
2 |
5 |
2 |
|
5 |
7 |
3 |
|
7 |
9 |
4 |
|
9 |
11 |
5 |
|
11 |
14 |
6 |
|
14 |
16 |
7 |
|
16 |
18 |
8 |
|
18 |
20 |
9 |
|
20 |
≥20 |
10 |
3) Автоматизированное трассирование.
Процесс построения заданного маршрута заключается в поиске наикратчайшего пути по наиболее меньшей оценочной стоимости. За автоматизированное трассирование автомобильной дороги в неспециализированной ГИС программе QGIS отвечает инструмент «Least Cost Path» (Путь наименьших затрат). Суть инструмента в том, что задаются две векторизованные точки на определенных участках местности, между которыми проводится анализ и высчитывается наиболее короткий путь по самому выгодному маршруту. Инструмент запускается при помощи модуля «Cost distance analysis».
Создаются два точечных векторных слоя в начале и конце воздушной линии, подписываем их НТ и КТ. Далее запускаем инструмент «Least Cost Path». Получаем линейный шейп-файл с построенным маршрутом (рисунок 2).
Рис. 2. Результат автоматизированного трассирования
На рисунке желтым цветом показана трасса, построенная по суммарному растру стоимости. Коэффициент удлинения составляет 1,095. Полученная трасса имеет плавный перепад высот, нежели воздушная линия, особенно характерно это ближе к концу трассы. Так же проектирование по воздушной линии осложнено пересечением большего количества небольших рек, которые система обходит в пользу целесообразности при выстраивании трассы в автоматизированном режиме.
Заключение
Таким образом, нами разработана методика создания актуальной топографической основы и выполнено по ней автоматизированное трассирование трассы автомобильной дороги в среде многофункциональной геоинформационной платформы QGIS․ Методика требует более глубокой проработки в разделе по оценке стоимости факторов, влияющих на процесс трассирования. Полученные нами результаты показали, что процесс камерального трассирования можно автоматизировать и получать множество вариантов трассы, варьируя стоимостными оценками факторов.
Литература:
- Аль-Дамлахи Ию. Разработка методики на основе ГИС и САПР для трассирования автомобильных дорог в районах твердого грунта // Известия Петербургского университета путей сообщения. 2018. № 4. С. 524–535 URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=37156202.
- ГОСТ 32869–2014 Дороги автомобильные общего пользования. Требования к проведению топографо-геодезических изысканий: [Электронный ресурс]. — URL: https://docs.cntd.ru/document/1200118889.
- ГОСТ Р 52440–2005 Модели местности цифровые. Общие требования: [Электронный ресурс]. — URL: https://docs.cntd.ru/document/1200044676.
- ОДМ 218.3.105–2018 методические рекомендации по организации взаимодействия участников разработки проектной и рабочей документации на пилотных проектах строительства, капитального ремонта и реконструкции автомобильных дорог с применением BIM-технологии: [Электронный ресурс]. — URL: https://docs.cntd.ru/document/557680039.
- СТО АВТОДОР 8.6–2016 Организационная и технологическая поддержка процессов формирования информационных моделей автомобильных дорог на всех этапах жизненного цикла: [Электронный ресурс]. — URL: https://mgk-ip.ru/docs/1200134229/2/0.
6. QGIS Свободная географическая информационная система с открытым кодом: [Электронный ресурс]. — URL: https://qgis.org/ru/site/.
