CC BY
127
КЛАССИФИКАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ НАЗЕМНОГО ЛАЗЕРНОГО СКАНИРОВАНИЯ С УЧЕТОМ КОЭФФИЦИЕНТА ОТРАЖЕННОГО СИГНАЛА
Анатолий Геннадьевич Неволин
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент кафедры инженерной геодезии и маркшейдерского дела, тел. (383)343-29-55, e-mail: agentagn@mail.ru
Татьяна Михайловна Медведская
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, д. 10, старший преподаватель кафедры инженерной геодезии и маркшейдерского дела, тел. (383)343-29-55, e-mail: mtm2112@yandex.ru
В статье рассматриваются возможности применения результатов наземного лазерного сканирования при строительстве и эксплуатации инженерных сооружений с целью определения влажности, теплопроводности и других параметров по данным коэффициентов лазерных отражений.
Ключевые слова: лазерное сканирование, интенсивность отраженного сигнала, гистограмма распределений, классификация лазерных отражений, эксплуатация инженерных сооружений.
CLASSIFICATION RESULTS TERRESTRIAL LASER SCANNING TO THE COEFFICIENTS OF THE REFLECTED SIGNAL
Anatoly G. Nevolin
Siberian state academy of geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, ul. Plahotnogo, 10, ph.d., associate professor of engineering geodesy and surveying, tel. (383)343-29-55, e-mail: agentagn@mail.ru
Tatiana M. Medvedskaya
Siberian state academy of geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, ul. Plahotnogo, 10, a senior lecturer in engineering geodesy and surveying, tel. (383)343-29-55, e-mail: mtm2112@yandex.ru
This article discusses the possibility of applying the results of terrestrial laser scanning in the construction and operation of engineering structures to determine humidity, thermal conductivity, and other parameters according to the laser reflection coefficients.
Key words: laser scanning, the intensity of the reflected signal, the histogram distributions, classification of laser reflections operation of engineering structures.
Технология наземного лазерного сканирования (НЛС) широко используется для решения задач инженерной геодезии. Данная технология имеет ряд преимуществ по сравнению с другими методами измерений, среди которых можно отметить увеличение скорости работ [1].
Результаты, получаемые с помощью данной технологии, несут большой объем информации, что позволяет говорить о высокой автоматизации процесса сбора пространственных данных об объекте.
Появление новых более производительных моделей сканеров, совершенствование возможностей программного обеспечения способствуют расширению сфер применения лазерного сканирования и требуют разработки новых методов проведения работ при строительстве и эксплуатации инженерных сооружений [2, 3].
Как известно, результатом лазерного сканирования является пространственный массив точек, для каждой их которых записываются координаты, а также численный показатель интенсивности отраженного сигнала (коэффициент отраженного сигнала). Последний показатель определяется свойствами поверхности, от которой отражается сигнал сканирующей системы [4].
Опытным путем была выявлена зависимость значения величины отраженного сигнала от вида сканированной поверхности. Например, по результатам измерений можно определить уровень влажности поверхности, что позволит судить о влагонасыщении, теплоизоляции стен инженерных сооружений, а так же об их прочности и долговечности.
Поверхность инженерного сооружения имеет определенную влажность, если она построена из традиционных материалов, таких как дерево, бетон, кирпич. При этом лазерный сканер может служить прибором для измерения влажности поверхности инженерных сооружений.
В ФГБУ ВПО «СГГА» было проведено сканирование сухой и влажной поверхности стены здания лазерным 3D-сканером. Процесс измерений производился несколько раз для получения наиболее достоверного результата. В результате измерений были получены несколько массивов точек для сухой и влажной поверхности стены.
Сведения о результатах измерений приведены на рис. 1 и 2. По результатам измерений видно, что интенсивности (Intensity) отраженного сигнала для сухой и влажной поверхности являются различными.
Рис. 1. Информация о результатах измерений влажной поверхности
Рис. 2. Информация о результатах измерений сухой поверхности
Для графического представления и статистического анализа полученных результатов сканирования целесообразно построить гистограммы распределений для сухой и влажной поверхности (рис. 3, 4), которые позволят выполнить классификацию совокупности лазерных точек по их отражениям.
Рис. 3. Гистограмма распределений для сухой стены
Рис. 4. Гистограмма распределений для влажной стены
В нашем случае гистограммы определяют распределение количества лазерных точек в зависимости от значений коэффициентов отраженного сигнала. Частота распределения результатов сканирования выражается столбиковыми диаграммами, разделенных по интервалам.
Гистограмма лазерных отражений позволяет классифицировать совокупности лазерных точек по их отражениям (например, рис. 3, 4), где по одной (горизонтальной) оси показано усредненное значение коэффициента отражения [7].
В табл. 1 представлены усредненные значения показателя интенсивности отраженного сигнала по результатам измерений влажной и сухой поверхности.
Таблица 1
Значения отраженного сигнала сухой и влажной стены
Номер приема Средний показатель интенсивности сигнала
Сухой стены Влажной стены
1 0,421 0,249
2 0,392 0,292
3 0,402 0,240
4 0,400 0,235
5 0,404 0,238
Среднее значение 0,404 0,251
После обработки данных по результатам наблюдений замечено, что интенсивность отраженного сигнала при влажной поверхности стены уменьшилась приблизительно в 1,6 раза.
Нормативный срок безаварийной работы конструктивного элемента определяется как максимально допустимый срок работы несущего элемента под статической нагрузкой [9]. Нормативные сроки эксплуатации зданий в целом и конструктивных элементов в отдельности установлены «Положением о проведении планово-предупредительного ремонта жилых и общественных зданий» и утверждены Госстроем.
Нормами установлено, что каменные стены облегченной кладки из кирпича, шлакоблоков и ракушечника имеют нормативный срок эксплуатации 100 лет.
Если рассмотреть влажность стены и принять значение 0,404 за нулевое значение влажности, то 0,251 составит 62,75% от первоначального. Соответственно значение влажности данной стены будет равно 37,25%.
Зная влажность стены можно вычислить значение теплопроводности по следующей формуле:
где - теплопроводность;
Х0 - теплопроводность полностью сухого материала;
к - коэффициент равный 0,005;
Ж - влажность.
Таким образом, теплопроводность данной стены составляет 0,84 Вт/м*К.
Полученные значения влажности и теплопроводности говорят о том, что срок эксплуатации здания может уменьшится на 20-30 лет.
По результатам проведенного исследования можно сделать выводы, что методы анализа значений интенсивности отраженного сигнала, позволяют определять влажность стен (поверхностей) инженерных сооружений в процентном содержании, а также теплопроводность и вычислять срок их безаварийной эксплуатации.
Применение технологии лазерного сканирования при контроле состояния инженерных сооружений позволяет значительно снизить временные затраты, сократить расходы на реконструкцию и строительство, перенести технологию проектирования на качественно новый уровень, повысить степень автоматизации и общую производительность труда [10].
Данную методику использования результатов НЛС можно применить для мониторинга состояния земляных и бетонных плотин, а также фундаментов зданий и сооружений.
Исходя из выше изложенного, следует отметить, что в этом случае требуется более детальное исследование методов обработки результатов лазерного сканирования при строительстве и эксплуатации инженерных сооружений.
1. Наземное лазерное сканирование : монография / А. В. Середович, А. В. Комиссаров, Д. В. Комиссаров, Т. А. Широкова. - Новосибирск: СГГА, 2009. - 261 с.
2. Комиссаров Д. В., Дементьева О. А. Опыт применения технологии лазерного сканирования при проектировании и контроле монтажа фасадов зданий // ГЕО-Сибирь-2007.
III Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 25-27 апреля 2007 г.). -Новосибирск: СГГА, 2007. Т. 1, ч. 2. - С. 126-128.
3. Комиссаров А. В. Исследование точности построения цифровой модели рельефа
по данным наземного лазерного сканирования // ГЕ0-Сибирь-2006. Междунар. науч. конгр. :
сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 24-28 апреля 2006 г.). - Новосибирск: СГГА, 2006. Т. 1, ч. 2. - С. 12-14.
4. Комиссаров Д. В., Иванов А. В. Обзор программных продуктов для обработки данных наземного лазерного сканирования // ГЕ0-Сибирь-2005. Науч. конгр. : сб. материалов в 7 т. (Новосибирск, 25-29 апреля 2005 г.). - Новосибирск: СГГА, 2005. Т. 1. -С.205-206.
5. Комиссаров Д. В., Середович А. В. Использование технологии трехмерного лазерного сканирования при строительстве, эксплуатации и проектировании инженерных сооружений // Стр-во и город. хоз-во Сибири. - 2004. - № 10. - С. 72-73.
6. Комиссаров Д. В., Середович А. В. Априорная оценка точности результатов наземного лазерного сканирования для топографической съемки // ГЕ0-Сибирь-2007. III Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 25-27 апреля 2007 г.). -Новосибирск: СГГА, 2007. Т. 1. - С. 134-137.
7. Шовенгерд Р.А. Дистанционное зондирование. Модели и методы обработки изображений. Перевод с английского А. В. Кирюшина, А. И. Демьяникова. Техносфера. -М., 2010. - 560 с.
8. Cyclone CloudWorx for AutoCAD & Bentley CloudWorx [Электронный ресурс]: сайт
компании Leica Geosystem AG. - Режим доступа:
http://www.leicageosystem. com/hds/en/lgs_6 517. htm
9. Середович А. В., Мифтахудинов А. Р., Иванов А. В. Измерение колебаний инженерных объектов на основе данных наземного лазерного сканирования // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2013. IX Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 15— 26 апреля 2013 г.). - Новосибирск: СГГА, 2013. Т. 2. - С. 137-139.
10. Мониторинг деформаций сооружений в сочетании с технологией трехмерного моделирования / А. В.Комиссаров, Д. В. Комиссаров, Т. А. Широкова, В. А. Середович, А. В. Середович, Г. Н. Ткачева, С. С. Студенков // Геодезия и картография. - 2006. - № 6. - С. 12-14.
© А. Г. Неволин, Т. М. Медведская, 2014
