Facebook
YouTube
VKontakte
Instagram

Статьи

Лазерное сканирование. Прогрессивные методы в подземных съемочных работах

Введение

Подземная топосъемка – один из видов работ, на который технический прогресс оказал за последнее десятилетие значительное воздействие. C внедрением безотражательных тахеометров упростился процесс управления и слежения за строительной техникой, вынос проекта в натуру, стал более точным и сбор данных. Но что касается использования этих тахеометров для проверки соответствия реальных размеров и формы тоннелей их проектным значениям, то они оказывались менее эффективными, нежели традиционные методы измерения, такие как механические системы для измерения профиля, которые давали большую точность.

Напротив, лазерные сканирующие 3D-системы должны совершить революцию в методах съёмки под землей, значительно изменив методы съёмки и улучшив качество данных, которые могут быть получены на любой стадии работ.

Процесс проведения работ

В геодезических работах, сопровождающих строительство тоннелей можно выделить две основные фазы: измерения и их обработка.

Первая фаза включает полевые работы. Но проводить измерения, используя традиционные методы возможно только тогда, когда строительные работы не создают помех. Это означает, что измерения могут проводиться только в "мертвое время" между различными строительными работами. Такие перерывы, к тому же зачастую очень короткие и их невозможно предугадать. Обычно съёмка выполняется на законченных площадях, однако, сложенные в тоннеле стройматериалы, трубы, строительная техника и другие препятствия ограничивают видимость и не позволяют произвести полноценные измерения.

Использование системы лазерного сканирования Callidus меняет саму концепцию проведения геодезических работ в подобных условиях. И основные факторы, позволяющие сделать это - скорость и количество собираемых данных.

Скорость

Время сбора данных значительно сократилось – с нескольких часов до нескольких минут. Данные могут собираться непосредственно во время строительных работ, без перерыва, несмотря на некоторые внешние помехи во время съёмки. Важным преимуществом является то, что можно оценивать фактический объём вынутого грунта и строительных работ практически в режиме реального времени.

Количество данных

Рис. 2. Использование полевого компьютера для проверки данных в режиме реального времени.

Мы собираем намного больше данных, включая измерения всех требуемых участков без каких-либо пробелов. Можно определить реальную геометрию и обычно не нужно возвращаться обратно в тоннель для получения дополнительной информации, если найдены какие-либо отклонения (хотя инженеры могут иногда запросить возврат в тоннель из-за других причин). Важно, что сканер предоставляет большее количество данных, по сравнению с традиционными технологиями.

Можно сравнить количество собранных точек. Традиционная съёмка профиля выполняется примерно через 5 метров и состоит приблизительно из 300 точек на 40 метровом отрезке. Данные сгруппированы в узкие полосы в каждом сечении. Панорамный сканер, например, Callidus измеряет почти 1 миллион точек на отрезке 40 м. Точки распределены таким образом, что образовывают сетку со стороной ячейки порядка 5 см. Они покрывают всю поверхность тоннеля без пропусков и измерения занимают гораздо меньше времени, нежели съёмка с помощью тахеометра.

Второй этап заключается в обработке данных. Преимущества лазерного сканирования по сравнению с традиционным методом на этом этапе более чем очевидны - это качество и точность полученных данных. В нашем примере, обработка данных заняла небольшое время. За один день мы смогли выполнить измерения, проверить объём вынутого грунта и геометрию, а затем, когда были найдены ошибки в земляных работах, вернуться и исправить их, пока машины были ещё на месте. Это даёт значительную материальную выгоду, основанную на экономии времени и стройматериалов.

Обработка данных, полученных традиционным методом, состоит из нескольких этапов: загрузка данных из тахеометра в компьютер, присвоение измеренных точек каждому профилю и рисование профиля (часто вручную) и сравнение с проектным сечением. В участках между сечениями выполнить сравнение вообще было невозможно!

С системой Callidus полевые данные передаются в специализированное ПО 3D Extractor для предварительной обработки. В нём мы можем получать профили тоннеля из множества точек на определенных расстояниях между выбранными точками, отвечающим определенным критериям, либо мы можем экспортировать часть или всё множество точек в более мощные программные продукты для инженерных расчётов, например, INROADS или TerraModel. Данные могут быть переданы в специализированные программы для получения трёхмерных моделей тоннеля.

Работа системы Callidus в Ave (Испания)

Рис. 3. Фотомозаика тоннеля (широкоугольная съемка).

Чтобы сравнить 3D-сканирование с традиционными методами, компания Santiago+Cintra произвела съёмку 120-метрового отрезка тоннеля Molins, который строится в Roda de Bara (Tarragona) и является частью скоростной железной дороги от Мадрида до французской границы. В приведенном примере мы находились в Lleida-Martorell, участок VIII-A. Подрядчик платформенных работ UTE SACYR-CAVOSA.

Тоннель представлял собой сечение ограниченное кругом радиусом 6.86 м с высотой от вершины 9.90 м (см. рис. 8).

Полевые работы выполнялись с помощью системы Callidus, которая состоит из сенсорной головки, контроллера, штатива, призмы, установленной на корпусе сканера и призменного набора, состоящего из штатива, треггера, призмы. Призма используется для того, чтобы выполнить ориентирование сканера. Она определяется автоматически и ориентирует массив точек на призму. Обработка данных была произведена с помощью программы 3D Extractor, которая является частью системы Callidus и инженерного приложения INROADS компании Bentley System.

Рис. 4. Облако точек в тоннеле Molins.

Для измерения отрезка длиной 120 м, мы сделали три скана на расстоянии примерно 40 м друг от друга. Для съёмки были выбраны установки, принятые по умолчанию (0.25° x 0.25°). Это дало нам облако точек со средней плотностью 1 точка на площадку 5 х 5 см. Кроме того, мы включили компенсатор для того, чтобы автоматически вводились поправки за наклон инструмента и использовали режим поиска призм. Фотографии объекта не делались.

Для того, что бы все измерения были представлены в единой системе координат проекта, нам нужны были координаты как сенсорной головки сканера, так и отражающей призмы. Мы получили эти данные тахеометром.

Процесс сканирования каждого из трёх объектов занимал около 17 минут, во время которых мы:

  • перемещали и устанавливали сканер и призму на новом месте.
  • измеряли их координаты с помощью тахеометра
  • производили 3D сканирование

Для проведения всей полевой работы потребовался 1 час 5 минут.

Система Callidus использует в качестве энергетического источника постоянный ток 12 – 32 В или переменный ток 100 – 220 В. В нашем случае мы использовали обычную электрическую сеть с напряжением 220 В.

Обработка данных началась с трансформирования всех трех сканов в единую систему координат объекта. Модуль Local Into Global, входящий в ПО 3D Extractor позволяет это сделать, используя необходимые координаты сканера и призмы. Эта трансформация необходима для корректной передачи данных из 3D-Extractor в INROADS.

Первоочередной задачей являлось определение дефектных (по сравнению с проектными значениями) областей тоннеля. Предварительно мы создали 3D-модель с помощью программного обеспечения Microstation и INROADS, которую экспортировали в формате SAT в 3D Extractor.

Просматривая в 3D Extractor данные сканирования и проектную 3D-модель тоннеля, можно было провести анализ его поверхности. Мы могли сразу увидеть, были ли какие-либо невыработанные области поверхности тоннеля, сделанные с нарушением проектного задания. И мы их нашли! Потом мы выполнили необходимые вычисления, после которых выбрали и экспортировали координаты этих областей в текстовый файл. Эти координаты были импортированы в программу INROADS, в которой мы создали данные для выноса в натуру и передали строителям для исправления выемки грунта (рис. 5 и 6). Этот процесс почти не занял времени и все недоделанные области были исправлены без дальнейшей обработки.

Следующим шагом было создание цифровых моделей тоннеля, которые позволяют инженерным приложениям просчитывать объёмы и детально анализировать геометрию объекта. Благодаря специальным функциям программы INROADS, позволяющим обрабатывать модели дорог, мы предпочли выполнять эту работу в ней, а не в 3D Extractor (хотя он тоже обладает возможностями моделирования).

Мы обнаружили следующий факт: возможности моделирования почти всех инженерных приложений, предлагаемых на рынке, спроектированы для топографии и поэтому не поддерживают работу со складчатыми, либо сложными, накладывающимися друг на друга поверхностями, таких как тоннели или пещеры. INROADS не исключение. Мы решили проблему, создав две группы точек. Одна состояла из множества наиболее удаленных по ширине точек до потолка тоннеля, а другая от такой же точки до дна тоннеля. Каждая группа составляет независимую поверхность.

Когда была построены TIN-модели поверхностей, мы смогли получить поперечные сечения на заданных расстояниях и просчитать поверхность целиком. Чтобы сравнить результаты с проектными данными, предоставленными подрядчиком, мы брали сечения с интервалом 5 метров (рис. 7).

После сравнения результатов полученных двумя методами, разница в координатах была небольшой (приблизительно 3 %). Это не было для нас неожиданностью, поскольку номинальная точность обоих систем сравнима.

Подрядчик использует специальное ПО, загруженное в роботизированный тахеометр с сервоприводом. Это даёт возможность выносить точки очень близко к проектному значению профиля (рис. 8).

Основные различия в использовании традиционного метода и лазерного сканирования, можно увидеть, сравнивая производительность и точность измерений.
Измерения с помощью тахеометра требуют больше времени. Это связано с тем, что прибор необходимо переставлять. К тому же, движение транспорта в тоннеле создает помехи и не позволяет полностью автоматизировать процесс. Мы получили сечения профиля тоннеля, но это заняло много времени (3 станции, общее время 2 часа)

Каждое сечение, измеренное тахеометром, должно быть отдельно обработано в CAD-приложении.
Измерения профилей были сделаны тахеометром через каждые 5 м, поэтому определить нарушения в выработке можно только в областях, близких к этим профилям задания, что существенно ограничивает возможности проверки всей поверхности тоннеля.

Во время этой тестовой съемки мы обнаружили множество локальных недоработанных поверхностей, которые не могут быть определены профильной съёмкой, если только расстояние между профилями не превышает 2 м. Подрядчик мог вести съёмку по этой методике, используя традиционное оборудование, но это привело бы к значительному увеличению объёма работы как для операторов, так и для офисного персонала. Потребовался бы дополнительный ресурс, время, что значительно увеличивает стоимость работы.

С другой стороны, метод лазерного сканирования не требует дополнительной съемки, обеспечивая при этом 100% покрытие поверхности тоннеля и позволяет выявить все отклонения от проекта и прочие недоработки и недоделки. Весь процесс, начиная с измерений и заканчивая обработкой, занял меньше 2-х дней. Первые данные для визуального анализа геометрии тоннеля были готовы через час после измерений.

Заключение

Главные преимущества системы Callidus по сравнению с традиционными методами - это точность, качество съёмки, производительность

Значительное сокращение времени, затрачиваемое на проведение измерений, даёт возможность инженерам более плотно интегрировать свою работу в общий строительный процесс и позволяет делать контрольные замеры в любое время, а не только в "мертвые часы".

Оперативность получения первых результатов измерений непосредственно в поле, даёт возможность исправлять недоделанные области тоннеля или области сделанные с нарушением проекта, пока машины, предназначенные для проведения земляных работ, находятся вблизи участка работ. Это даёт значительную экономию в материалах, времени, людских и материальных ресурсах.

100% покрытие тоннеля методом лазерного сканирования, позволяет сделать более точный и глубокий экономический анализ проекта. Мы точно можем узнать фактический объём выполненных земляных работ (количество бетона, использованного для отделки стен тоннеля или заполнения вынутого грунта). С такими данными можно тщательнее анализировать альтернативные экономические и инженерные решения, которые могут быть использованы для просчёта будущих стадий проекта.

Благодарности

Работа, описанная в этом докладе, была выполнена с помощью Мануэля Фриаса, руководителя геодезической службы Центрального отделения компании SACYR, Ингасио Моррондо, главного геодезиста компании UTE SACYR-CAVOSA и Херонимо Лопеса из компании Bentley Systems Spain. Мы очень признательны им за помощь, сотрудничество и поддержку.

Система измерения Callidus LMS System

Автор: Francisco Jose Escarpa Sanchez-Garnica

Перевод выполнен компанией "Навгеоком" 2003

Статья взята с сайта компании "Навгеоком"

Главная Материалы Статьи Лазерное сканирование. Прогрессивные методы в подземных съемочных работах