Využitie GNSS technológie pri dopravných stavbách

Pri výstavbe dopravnej infraštruktúry sa v súčasnosti uplatňujú moderné technológie, pričom niektoré technologické postupy výstavby, resp. merania, či samotná orientácia v teréne sú často spojené s globálnym navigačným satelitným systémom (GNSS). Využívanie GNSS sa stalo bežnou súčasťou života, predovšetkým vo forme navigácie v dopravných prostriedkoch a pri mapovaní zemského povrchu v rôznych podobách a výsledných produktoch.

V neposlednom rade sa GNSS technológia využíva pri lokalizácii v teréne, čo je vhodné napríklad v oblasti turizmu, bezpečnostných a záchranárskych zložiek. V príspevku sa zameriame na využitie tohto technického výdobytku v podobe práce s GNSS, riadenia stavebných strojov a využitia dronu pri líniových stavbách. Najväčší užívatelia tejto technológie na stavbách sú zememerači (geodeti), ktorým uľahčuje a urýchľuje výkony pri určovaní priestorovej polohy stavebných objektov, mapovaní a dokumentovaní zhotovených častí stavby.

Čo je to GNSS

Globálny navigačný satelitný systém (GNSS) je definovaný ako všeobecný pojem pre navigačné satelitné systémy jednotlivých krajín, resp. regionálnych oblastí, ako GPS (USA), GLONASS (Rusko), Beidou (Čína), Galileo (EÚ), ktoré využívajú vlastné satelity umiestnené na obežných dráhach Zeme (obr. 1).

Principiálne je určovanie polohy založené na výpočte vzdialenosti od satelitov, ktoré majú známu polohu v čase. Výrobcovia aparatúr GNSS umožňujú príjem signálu z viacerých zdrojov.

Z GNSS technológií sa najviac používa kinematická metóda v reálnom čase (Real Time Kinematic – RTK). Základom je využitie minimálne dvoch prijímačov GNSS s tým, že jeden funguje ako báza (nepohyblivý) a druhý ako rover (pohyblivý). Báza aj rover vykonávajú fázové meranie, pričom je medzi nimi pomocou rádiomodemu neustále rádiové spojenie, alebo funkciu referenčnej stanice preberá služba permanentných staníc GNSS, ktorá môže byť štátna (na území SR je to SKPOS), či riadená iným prevádzkovateľom (napr. Leica SmartNet).

Báza vykonáva meranie zo satelitov a potom ho pomocou rádiového spojenia posiela roveru. Rover prijíma údaje zo satelitov a tiež z bázy, pričom dochádza k procesu inicializácie. V roveri sa po inicializácii pomocou softvéru spracovávajú oba prijímané súbory, pričom sa vyriešia ambiguity, čím sa zvýši presnosť merania. Oneskorenie spracovania je len niekoľko sekúnd, čiže môžeme hovoriť o meraní v reálnom čase.

Využitie aparatúry GNSS pre geodetov

V minulosti boli geodeti plne závislí od pevných bodov, ktoré mali definovanú polohu alebo výšku. Tieto body predstavovali body geodetických základov – napríklad trigonometrické body, veže kostolov, body nivelačnej siete a pod. V tom čase sa geodeti museli meračsky pripojiť k známym bodom a matematicky vypočítať polohu, resp. výšku. Dnes určíme polohu aj výšku kdekoľvek, kde máme dostatočný príjem signálu zo satelitov a dátové spojenie na transformáciu do štátneho polohového systému jednotnej trigonometrickej siete katastrálnej (S-JTSK) a výškového systému.

Najnovšie modely GNSS aparatúr využívajú ďalšie technologické novinky a soft-
vérové riešenia, ako sú napríklad inerciálna meracia jednotka (IMU) a integrovaná kamera (obr. 2).

IMU je elektronické senzorové zariadenie obsahujúce niekoľko senzorov (gyroskop, akcelerometer, magnetometer). Prostredníctvom matematických algoritmov využíva namerané dáta zo senzorov na odvodenie presnej polohy zariadenia a orientácie v priestore. Vysoká krátkodobá stabilita IMU je použitá na vyhladenie šumu v GNSS meraniach a pomáha prekonávať výpadky signálu zo satelitov. IMU v kombinácii s GNSS aparatúrou si našla uplatnenie aj pri pozemnej priesekovej fotogrametrii, kde je prostredníctvom technológie Visual Positionig a prijímača s integrovanou kamerou možné meranie ťažko prístupných bodov.

Na dopravných stavbách môžeme menovať niektoré nasledujúce oblasti využitia aparatúry GNSS:

• meranie ako určovanie priestorovej polohy bodu (napr. pri zriadení vytyčovacích sietí k líniovým stavbám),
• meranie na tvorbu máp, mapovanie terénu pre účely projektovania, výpočtu kubatúr, plôch a pod; zameranie povrchových znakov jestvujúcich inžinierskych sietí,
• základné vytýčenie priestorovej polohy stavebného objektu v zmysle umiestnenia stavby na pozemku podľa stavebného povolenia,
• podrobné vytyčovanie a porealizačné zameranie vybraných objektov inžinierskych sietí, zemných telies atď., kde je postačujúca presnosť merania pomocou GNSS,
• podrobné vytyčovanie podľa softvérového vybavenia danej aparatúry – napríklad k 3D modelu projektu, referenčnej (vzťažnej) priamke a pod.

Pri využití GNSS technológie je potrebné zvážiť kvalitatívne podmienky presnosti na realizáciu vybraných prvkov stavebných objektov. Tam, kde je potrebné dosiahnuť vyššiu presnosť, napríklad pri konštrukčných vrstvách vozoviek, kanalizáciách (vyššie požiadavky na presnosť meranej výšky), mostoch (vyššie požiadavky na dosiahnutie vnútornej presnosti objektu v polohe aj vo výške), je potrebné využívať na to vhodné technologické postupy merania a príslušné technické vybavenie.

Pri dopravných líniových stavbách veľkého rozsahu je pri využívaní GNSS technológie potrebné overovať kvalitu merania touto metódou na vzťažných polohových a výškových bodoch, ktoré sú reprezentované vytyčovacou sieťou stavby (obr. 3). Účelom kontroly je dosahovať kontinuálne tú istú kvalitu merania a predchádzať možným chybám pri realizácii súradnicového systému.

Riadenie stavebných strojov

Nové poznatky umožňujú aplikovať GNSS technológiu aj na riadenie stavebných strojov – napríklad rýpadla, dozéra, gradera, frézy, finišera a pod.

Princíp spočíva v už spomenutej metóde RTK s využitím referenčnej stanice umiestnenej na presne geodeticky určenom bode, odkiaľ sa v priestore zistená korekčná informácia odosiela rádiovým signálom do riadeného stavebného stroja na aplikáciu priestorovej korekcie.

Prostredníctvom tejto metódy je možné využiť stavebné stroje na realizáciu hrubých terénnych úprav, odkopov a násypov, pri ktorých sú splnené požiadavky na výslednú presnosť realizácie jednotlivých prvkov stavebných objektov. Pri prácach, kde sa kladie dôraz na vyššiu presnosť, môžeme aplikovať metódu riadenia stavebných strojov prostredníctvom robotickej univerzálnej meracej stanice.

Vstupnými súbormi sú model projektu a sieť vzťažných bodov v digitálnej forme a vo formátoch podľa dodávateľa nivelačného systému riadenia stavebných strojov.

Pri tvorbe TIN modelu povrchu (obr. 4) je potrebné dbať na to, aby dátový model kvantitatívne a kvalitatívne reflektoval na platnú projektovú dokumentáciu.

Dôležitá je aj súčinnosť strojníka s dodávateľom podkladov. Pred realizáciou prác je vhodné kontrolovať radlicu na známom bode zriadenom pre daný účel, alebo priamo na stavbe kontrolným meraním geodeta (obr. 5).

UAV/DRON

UAV je skratka pre bezpilotné letecké zariadenia (multikoptéra, pevné krídlo, vrtuľník).
Dron ako bezpilotné letecké zariadenie (obr. 6) predstavuje nosič ďalšieho snímača, ktorý definuje metódu zberu dát pre územia malého rozsahu. Rozlišujeme dve základné geodetické metódy:
• letecké meračské snímkovanie
• letecké laserové skenovanie (tiež známe pod názvom LiDAR)

Spojenie bezpilotných leteckých metód a GNSS s využitím RTK, resp. PPK, je efektívna technológia mapovania. Do tradičnej geodézie vnáša nový rozmer, a to ako v interpretácii množstva získaných dát, tak aj v následnom spracovaní a vo výslednom produkte – napríklad ortofotomapa, digitálny terénny model (DTM), digitálny model povrchu (DSM), mračno bodov, textúrovaný mesh, 3D model depónie, výkopu a pod.

K doplnkovému využitiu zberu údajov prostredníctvom UAV patria hyperspektrálne skenovanie, termovízne snímkovanie a video.
Pre výkon GaK činnosti s UAV platia tieto legislatívne podmienky:
• povolenie na lietanie s UAV,
• registrácia UAV,
• prevádzková príručka UAV,
• poistenie voči zodpovednosti za vzniknutú škodu,
• povolenie na výkon leteckých prác,
• súhlas na vykonanie leteckého meračského snímkovania,
• vo vybraných prípadoch potvrdenie o priemyselnej bezpečnosti z národného bezpečnostného úradu.

Medzi základné úkony pri leteckom meračskom snímkovaní patria:
• zhodnotenie meteorologickej situácie,
• preverenie záujmového územia ohľadom možnosti využitia vzdušného priestoru a s tým spojené povolenia,
• príprava letového plánu,
• rozmiestnenie a signalizácia vzťažných, resp. kontrolných bodov (pri vybraných prácach a vhodnom type dronu nie je potrebné mať vzťažné body),
• kalibrácia IMU a kompasu,
• realizácia náletu,
• spracovanie dát.

Leteckú fotogrametriu, resp. laserové skenovanie, možno efektívne využiť pri meraní povrchu terénu (členité skládky materiálu, mapovanie územia či zemného telesa) s následným spracovaním mračna bodov do podoby 3D modelu terénu. Ten nájde uplatnenie pri projekčných, dokumentačných a mapových účeloch či výpočtových prácach. Zjednodušený proces spracovania od získania dát po výsledný produkt je znázornený na obr. 7 až 9.
Napriek spomenutým výhodám má využitie dronov aj svoje obmedzenia, ku ktorým patria poveternostné vplyvy, lokalita vo vzťahu k využívaniu vzdušného priestoru, členitosť územia, pokrytie signálom či rôzne nevyhnutné administratívne povolenia a školenia zamestnancov.

Záver

GNSS technológie vo všeobecnosti uľahčujú a zrýchľujú geodetické práce na dopravných stavbách. V neposlednom rade nahrádzajú sčasti aj ľudské zdroje. Na druhej strane, zariadenia využívajúce GNSS technológiu sú ekonomicky náročnejšie. Ich obsluha si vyžaduje kvalifikovaný personál, ktorý je potrebné zaškoliť. Zároveň je potrebné získať rôzne administratívne povolenia a pod.

Je dobré, že aj v oblasti stavebníctva sa tieto technológie využívajú čoraz častejšie. Naša spoločnosť GEFOS SLOVAKIA, s. r. o., pracuje na veľkých dopravných projektoch, kde všetky vyššie spomenuté technológie efektívne využíva.
Nemalo by sa však zabúdať na legislatívne ukotvenie nových technologických postupov v podmienkach budúcich projektov, pretože legislatívny proces často zaostáva za vývojom techniky – následne tak môže byť využívanie nových aplikácií problematické.

TEXT: Ing. Peter Sykora, Ing. Marek Matiaš, Ing. Ladislav Karch
FOTO A OBRÁZKY: GEFOS SLOVAKIA, s. r. o.

Peter Sykora, Marek Matiaš a Ladislav Karch pôsobia v spoločnosti GEFOS SLOVAKIA, s. r. o.

Zdroje
1. https://elektrosmog-info.voxo.eu/satelity-gps.
2. https://www.gefos-leica.cz/o-produktech/geodeticke-pristroje/gnss-systemy/gs18-i