Taristu kolmemõõtmeline topo-geodeetiline alusplaan

Kolmemõõtmelisi topo-geodeetilisi plaane tellitakse liiklusrajatiste projekteerimiseks. Kõik plaanid peavad olema kooskõlas Majandus- ja taristuministri 14. aprilli 2016.a. määrusega nr 34: „Topo-geodeetilisele uuringule ja teostusmõõdistamisele esitatavad nõuded“ ja täiendavalt ka Maanteeameti peadirektori 13.05.2008 käskkirjaga nr 102 kinnitatud juhendiga „Täiendavad nõuded topo-geodeetilistele uurimistöödele teede projekteerimisel“. Samuti tuleb töö tegemisel lähtuda tellija poolt esitatud erinõuetest. Käesolevas lõputöös kasutati REIB OÜ töö TT-6043 raames kogutud andmeid. Lõputöö annab ülevaate erinevatest mõõdistusmeetoditest ja neid meetodeid järgides reaalsetest mõõdistamistöödest – kaugseires mobiilsest laserskaneerimisest ja aerofotogramm-meetriast ning kontaktseires tahhümeetrilisest mõõdistusest. Seejärel kirjeldati kuidas loodi kogutud andmete põhjal 2D maa-ala plaan ning 3D maapinnamudel koos modelleeritud elementide ja rajatistega. Lisaks võrreldi erinevate meetoditega kogutud andmeid ja nende asendilist ning kõrguslikku täpsust. Omavahel võrreldi ka kõiki kasutatud mõõdistusmeetodeid. Lisades asuvad kaugseire mõõdistusmeetodite andmetöötluse käigus koostatud arvutuslikud raportid. Antud lõputöö kõige põnevamaks osaks olid kindlasti mõõdistusmeetodite ja nendega kogutud andmete täpsuste võrdlused. Sõltumata mõõdistusviisist mõjutab suuresti tulemuste täpsust ka kasutatud tehnoloogia. Usaldusväärsete tulemuste saamiseks kasutati käesolevas lõputöös ainult mõõdistamiseks ette nähtud instrumente ning tarkvarasid. Plaanilise asendi täpsuse hindamisel võrreldi tahhümeetri, MLS-i ja drooni tulemusi omavahel. Võrdluseks valiti postielemendid (liiklusmärgid), katendite servad ja vertikaalseintega ehitised. Võrdlusest selgus, et nii tahhümeetriline mõõdistusviis kui ka MLS on plaaniliselt sarnase täpsusega. Sõltuvalt objekti eripäradest on vigade tekkimise ohud erinevates kohtades. Näiteks vertikaalseintega ehitiste asukohad, mis paiknevad teede vahetusläheduses, saab kõige täpsemini ja detailsemalt kätte MLS-i mõõdistusandmetest. Kui aga ehitised jäävad teest kaugemale või jääb skanneri ning ehitise vahele takistusi, siis täpsus langeb või muutub mõõdistamine võimatuks. Drooniga mõõdistamisel jäid tulemused võrreldes MLS-i ja tahhümeetrit umbes kaks korda ebatäpsemaks. Kõrguslikku täpsust hinnati tahhümeetrilise mõõdistuse alusel ja kõva katendiga pinnasel (asfaldil). Võrdluseks kasutati tee telje ning servade kõrgusi. Võrdlusest selgus, et nii tahhümeetriline mõõdistusviis kui ka MLS on kõrguslikult sarnase täpsusega. Tuleb arvestada, et tahhümeetrilisel mõõdistusel puudub mõõdistatud punktide vahelt täpne info, seega sõltuvalt tee piki- ja ristprofiilist on MLS tahhümeetri mõõdistuspunktide vahelisel alal täpsem. Seetõttu on sobivates ilmastikuoludes parimaks meetodiks tee katendite mõõtmisel MLS. Kui aga ilmaolud ei soosi (näiteks lumi on maas) jääb kõige usaldusväärsemaks ikkagi tahhümeeter. Drooniga mõõdistuse kõrguslik täpsus jäi MLS-i ja tahhümeetri kõrval nõrgemaks. Takistuste korral (hooned, rajatised, haljastus, jne.) ja nende vahetusläheduses jääb korrektselt mõõtes küll kõige aeganõudvamaks aga ka kõige täpsemaks meetodiks nii plaaniliselt kui kõrguslikult siiski tahhümeetriline mõõdistamine. Katenditeta aladel (näiteks heinamaa) jääb kõrguslikult täpseimaks tahhümeeter. Mobiilse laserskaneerimise meetod on kiire ja detailne ning sobib topo-geodeetilise plaani koostamise eesmärgil kasutamiseks igale poole, kus on võimalik autoga ligi pääseda. Sõidetavatest teedest kaugemale jäävate objektide kohta jääb aga info paraku kogumata või ei ole enam piisavalt täpne. Aerofotogramm-meetria ehk droonilt mõõdistamine on kiire ning detailne ja sobib topo-geodeetilise plaani koostamise eesmärgil enim avatud alade mõõdistamiseks. Kõrghaljastuse alla jääva situatsiooni, samuti kõrgemate ehitiste endi ja vahetusse lähedusse jääva situatsiooni mõõdistamist drooniga piisavatel täpsusnõuetel teha ei saa. Klassikaline tahhümeetriline mõõdistusviis osutub väljakutsuvates tingimustes kõige usaldusväärsemaks. Mõõta on võimalik peaaegu igal pool ja väljaõpe tahhümeetriga mõõtmiseks on lihtne ning kiire. Mõõdistustöö on aeganõudev ja toimub punktiviisiliselt. Seetõttu jäävad tulemused (reljeefi kõrguslikud erinevused ja kõverused) paljuski mõõtja tunnetuse taha. Samuti on palju inimlike vigade tekkimise kohti mida on hiljem keeruline tuvastada, näiteks prismasaua loodis hoidmine mõõtmise hetkel, vead protokollimisel (punktile jääb vale kood) või joonestustöö käigus tekkinud vead (punktid ühendatakse valesti). Lõputöö eesmärgiks oli välja selgitada kõige efektiivsem – odavam, kiirem ja täpsem viis kolmemõõtmelise alusplaani koostamiseks. Siinkohal on oluline eelnevalt tellijaga kooskõlastada modelleeritavate objektide detailsus, et mõõdistamise ajal sellega arvestada. Töö tulemustest selgus, et kõige hõlpsamalt saab kolmemõõtmeliseks modelleerimiseks andmeid koguda mobiilse laserskanneriga. MLS tehnoloogia on küll kallis, kuid osutus kõige kiiremaks, täpsemaks ja detailsemaks viisiks, kõiki andmeid oli võimalik koguda tavapärase mõõdistustöö käigus. Ka aerofotogramm-meetrilise mõõdistusega on võimalik enamik modelleerimiseks vajalik info kokku koguda, tihtipeale on vaja lihtsalt suunatud lendu. Mõõdistusviis on samuti kiire ning ei vaja palju aeganõudvat lisatööd. Tahhümeetrilise mõõdistuse korral on kolmemõõtmeliseks modelleerimiseks vaja enim väljas lisatööd teha. Halva nähtavuse korral või ligipääsmatutes kohtades on aga ainsaks lahenduseks tahhümeetriline mõõdistamine, seega see on ainuke mõõdistusviis, millega on kindlasti võimalik kõik andmed kokku koguda. Lõputöö hüpoteesiks oli, et kaugseire meetodid on tänapäeval sama usaldusväärsed kui kontaktseires tahhümeetriline mõõdistamine. Töö tulemustest selgus, et kaugseire meetodite puhul sõltuvad kõik tulemused konkreetse objekti eripäradest, takistustest, mõõdistust soosivast ilmast ja GNSS-ühendusest. Kogutud andmete võrdlustest võib hinnata korrektselt sooritatud MLS mõõdistuse tahhümeetrilisega võrdväärseks. Aerofotogramm-meetriline mõõdistus jäi konkreetse töö raames umbes kaks korda ebatäpsemaks, kuid korrektse mõõdistustöö ja kontrollmõõdistuste abil on võimalik ka drooniga usaldusväärseid tulemusi saada. Kaugseire meetodid muudavad tööde teostamised lihtsamaks, kiiremaks ja ohutumaks ning neil on tahhümeetri kõrval täiesti arvestatav koht (võivad olla teatud juhtudel isegi paremad kui tahhümeeter). Siiski ei saa tahhümeetrist veel üle ega ümber, sest teatud tingimustes on see meetod endiselt asendamatu. Kaugseire mõõdistused vajavad täpsuse tõstmiseks ja kontrollimiseks samuti tahhümeetri abi.

The following thesis Three-Dimensional Topo-Geodetic Plan of the Infrastructure provides an overview of different surveying methods and real surveying works following these methods – mobile laser scanning (MLS) and aerial photogrammetry in remote monitoring and surveying with a total station in contact monitoring. Then it describes how a 2D topo-geodetic plan and a 3D ground model with modeled elements and facilities were created based on the collected data. In addition, the data collected by different methods and their positional and height accuracy were compared. All used surveying methods were also compared among themselves. Three-dimensional topo-geodetic plans are commissioned for the design and redesign of traffic facilities. REIB OÜ work TT-6043 “National road 13187 Toila-Oru km 4,341 topo-geodetic works of the land area of the intersection of the Voka settlement” was chosen as a sample object for this thesis. The aim of the thesis was to find out the most effective – cheaper, faster and most accurate way to prepare a three-dimensional topo-geodetic plan. The results of the work revealed that the easiest way to collect data for three-dimensional plans is with a mobile laser scanner. MLS technology is expensive, but it turned out to be the fastest, most accurate and most detailed way, all data could be collected during normal surveying work. It is also possible to gather most of the information needed for modeling with aerial photogrammetric surveying, often just a directed flight is needed. The measurement method is also quick and does not require a lot of time-consuming additional work. In the case of total station surveying, the three-dimensional modeling requires the most additional work in the field. However, in case of poor visibility or in inaccessible places (where remote monitoring methods are useless), tachymetric surveying is the only solution, so it is the only surveying method with which it is definitely possible to collect all the data. The most exciting part of this thesis was definitely the accuracy of the collected data with different measurement methods. Positional accuracy was assessed with the comparison of total station, MLS and aerial photogrammetry. Post elements (traffic signs), pavement edges and buildings with vertical walls were selected as objects for this comparison. The comparison revealed that both – the total station surveying method and MLS have a similar accuracy. Depending on the characteristics of the object, there are risks of errors occurring in different places. For example, the locations of buildings with vertical walls located near roads can be obtained most accurately and with high detail from MLS survey data. However, if the buildings are further from the road or there are obstacles between the scanner and the building, the accuracy will decrease or the surveying will become impossible. When surveying with a drone, the results were about twice as inaccurate as compared to the MLS and total station. Height accuracy was assessed based on total station measurements and on hard surfaced soil (asphalt). The heights of the road axis and edges were used for this comparison. The comparison revealed that both the total station surveying method and the MLS have a similar height accuracy. It should be taken into account that total station surveying lacks accurate information between the measured points, so depending on the longitudinal and transverse profile of the road, MLS is more accurate in the area between the total station surveying points. Therefore, in suitable weather conditions, MLS is the best method for measuring road pavements. However, if the weather conditions are not favorable (for example, there is snow on the ground), the total station is still the most reliable. The height accuracy of drone surveying was weaker next to MLS and total station. In the case of obstacles (buildings, facilities, landscaping, etc.) and in their immediate vicinity, total station surveying remains the most time-consuming but also the most accurate method, both in terms of plan and height, if measured correctly. In unpaved areas (meadows, for example), the tachymeter remains the most accurate in terms of altitude. The hypothesis of this thesis was that remote monitoring methods are nowadays as reliable as classical total station surveying in contact monitoring. The results of the work revealed that in the case of remote monitoring methods, all results depend on the particularities of a specific object, obstacles, favorable weather and GNSS connection. From the comparison of the collected data, a correctly performed MLS measurement can be evaluated as equivalent to a total station one. In this specific job aerial photogrammetric surveying was about twice as inaccurate, but with the help of correct surveying work and control measurements, it is also possible to obtain reliable results with a drone. Remote monitoring methods make the execution of work easier, faster and safer, and they have a completely respectable place next to the total station (may be even better than the tachymeter in certain cases). However, the tachymeter cannot be overcome or bypassed yet, because under certain conditions this method is still irreplaceable. Remote monitoring measurements also need the help of a total station to increase and check measurement accuracy.