CC BY
63
УДК 528.5
МОНИТОРИНГ ДЕФОРМАЦИЙ ТОННЕЛЕЙ В ПО MATLAB
Екатерина Игоревна Горохова
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, ведущий инженер кафедры инженерной геодезии и маркшейдерского дела, тел. (383)343-29-55, e-mail: [email protected]
В статье показаны основные возможности применения ПО MatLab для решения задач мониторинга деформаций тоннелей.
Ключевые слова: внутреннее очертание тоннеля, 3D-модель, поперечные сечения, точность, наземное лазерное сканирование.
TERRESTRIAL LASER SCANNING FOR MONITORING OF TUNNEL DEFORMATIONS USING MATLAB
Yekaterina I. Gorokhova
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo st., senior engineer, tel. (383)343-29-55, e-mail: [email protected]
In the article the possibilities of using software MatLab for solution of tunnels deformations monitoring is considered.
Key words: tunnel inner outline, 3D-model, cross-section, accuracy, terrestrial laser scanning.
В работах [1-9] подробно описана методика наблюдения деформаций тоннелей по данным наземного лазерного сканирования в ПО Cyclone, RapidForm, RealWorks Survey, AutoCAD. Однако данные программные пакеты не обладают достаточным функционалом, необходимым для статистического анализа и расчетов. Кроме того, не всегда возможно автоматически выполнять сравнение и определять величины деформационных параметров, что является неудобным и замедляет время обработки результатов измерений.
Для автоматизации математических расчетов используются разнообразные вычислительные средства. Одним из таких пакетов является MatLab -высокопроизводительная система для технических расчетов, включающая вычисления, визуализацию и программирование в удобной среде, где задачи и решения выражаются в форме, близкой к математической. MatLab можно использовать для:
- математических вычислений;
- создания алгоритмов;
- анализа данных, исследования и визуализация;
- научной и инженерной графики;
- разработки интерфейса, включая создание графического интерфейса. Поэтому была сделана попытка для решения задач определения
деформаций тоннелей обработать данные измерений в ПО MatLab. На рис. 1
представлено основное окно программы с частью программного кода и открытым дополнительным окном модуля.
Рис. 1. Главное окно ПО MatLab
Весь процесс обработки данных (загрузка данных, построение профилей тоннеля, сглаживание данных, аппроксимация и интерполяция, анализ данных и выявление деформаций) выполнялся в следующих модулях программного пакета MatLab:
1. Simulink - интерактивный инструмент для моделирования, имитации и анализа динамических систем. Он дает возможность строить графические блок-диаграммы, имитировать динамические системы, исследовать работоспособность систем и совершенствовать проекты. Simulink полностью интегрирован с MatLab, обеспечивает немедленный доступ к широкому спектру инструментов анализа и проектирования. Кроме того, данный пакет предоставляет пользователю широкие возможности по модернизации библиотечных блоков и созданию собственных, а также составлению новых библиотек блоков. В процессе моделирования пользователь может выбирать метод решения дифференциальных уравнений, способ изменения модельного времени (с фиксированным или переменным шагом), а так же следить за процессами, происходящими в системе. Результаты моделирования могут быть представлены в виде графиков или таблиц[11].
2. Curve Fitting Toolbox. Данный модуль MatLab применяется для сглаживания зашумленных данных. Сглаживание производится по нескольким расположенным подряд данным, причем их число обычно подбирается экспериментально.
3. Spline Toolbox MatLab. Пакет прикладных программ для работы со сплайнами. Поддерживает одномерную, двумерную и многомерную сплайн-
интерполяцию и аппроксимацию. Обеспечивает представление и отображение сложных данных и поддержку графики. Пакет позволяет выполнять интерполяцию, аппроксимацию и преобразование сплайнов из В-формы в кусочно-полиномиальную, интерполяцию кубическими сплайнами и сглаживание, выполнение операций над сплайнами: вычисление производной, интеграла и отображение. В-форма удобна на этапе построения сплайнов, в то время как кусочно-полиномиальная форма более эффективна во время постоянной работы со сплайном[10].
4. Statistics Toolbox. Пакет прикладных программ по статистике, резко расширяющий возможности системы MatLab в области реализации статистических вычислений и статистической обработки данных. Содержит весьма представительный набор средств генерации случайных чисел, векторов, матриц и массивов с различными законами распределения, а также множество статистических функций. Следует отметить, что наиболее распространенные статистические функции входят в состав ядра системы MatLab (в том числе функции генерации случайных данных с равномерным и нормальным распределением). Основные возможности пакета[11]:
- описательная статистика;
- распределения вероятностей;
- оценка параметров и аппроксимация;
- множественная регрессия и интерактивная пошаговая регрессия;
- моделирование Монте-Карло;
- аппроксимация на интервалах, аппроксимация нелинейной модели;
- моделирование поверхности отклика;
- анализ главных компонент;
- статистические графики;
- графический интерфейс пользователя.
В пакете предусмотрено множество интерактивных инструментов для динамической визуализации и анализа данных.
Таком образом программный пакет MatLab предоставляет широкий спектр возможностей для обработки и анализа геодезических измерений. С его помощью по данным лазерного сканирования возможно:
- создавать Mesh поверхности;
- создавать профили тоннелей;
- выполнять сравнение сечений в автоматическом режиме;
- строить графики и диаграммы на основе сырых и обработанных данных;
- разрабатывать удобный для конечного пользователя интерфейс;
- экспортировать полученные результаты в CAD-системы (AutoCAD, Microstation) и т.д.
На рис. 2 показан пример построения поперечного сечения тоннеля в ПО MatLab.
Рис. 2. Пример построения поперечного сечения в ПО Ма1ЪаЬ (система координат - условная)
Автор планирует в будущем продолжать исследования в данном направлении.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Горохова Е. И. Возможности применения наземного лазерного сканирования при геодезическом обеспечении тоннелей // ГЕО-Сибирь-2008. IV Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 5 т. (Новосибирск, 22-24 апреля 2008 г.). - Новосибирск: СГГА, 2008. Т. 2. -С.157-160.
2. Горохова Е.И. Сравнение традиционных методов и технологии наземного лазерного сканирования при мониторинге деформаций тоннелей // ГЕО-Сибирь-2008. IV Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 5 т. (Новосибирск, 22-24 апреля 2008 г.). -Новосибирск: СГГА, 2008. Т. 2. - С. 173-176.
3. Горохова Е. И. Мониторинг деформаций тоннелей с помощью наземного лазерного сканирования // ГЕО-Сибирь-2009. V Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 20-24 апреля 2009 г.). - Новосибирск: СГГА, 2009. Т. 2. - С. 254-256.
4. Горохова Е. И., Иванов А. В. Опыт применения наземного лазерного сканирования при съемке железнодорожных тоннелей // ГЕО-Сибирь-2009. V Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 20-24 апреля 2009 г.). - Новосибирск: СГГА, 2009. Т. 2. -С.257-260.
5. Применение наземного лазерного сканирования для контроля строительства и капитального ремонта автомобильных дорог / В. А. Середович, Е. И. Горохова, А. В. Иванов, А. В. Середович, И. В. Бородулина, Е. В. Романович // ГЕО-Сибирь-2010. VI Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2010 г.). -Новосибирск: СГГА, 2010. Т. 2. - С. 245-250.
6. Середович А. В., Дементьева О. А., Горохова Е. И. Трехмерное моделирование участков городских территорий для проектирования инженерных объектов // ГЕО-
Сибирь-2010. VI Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2010 г.). - Новосибирск: СГГА, 2010. Т. 2. - С. 250-255.
7. Комиссаров А. В., Горохова Е. И. Определение деформационных характеристик тоннелей по данным наземного лазерного сканирования // ГЕ0-Сибирь-2010. VI Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2010 г.). -Новосибирск: СГГА, 2010. Т. 2. - С. 256-260.
8. Комиссаров А.В., Горохова Е.И. Обоснование параметров съемки тоннелей методом наземного лазерного сканирования при определении эллиптичности и эксцентриситета его обкладки // Геодезия и аэрофотосъемка. - 2011. - № 3. - С. 81-86.
9. Иванов А. В., Горохова Е. И. Проверка внутреннего очертания тоннеля при помощи наземного лазерного сканера // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). -Новосибирск: СГГА, 2012. Т. 2.
С. 240-245.
10. PIEGL, L., TILLER, W.: TheNurbs Book. Springer, Berlin, 1997.
11. Дьяконов В. П. MATLAB 7.*/R2006/R2007: Самоучитель. - М.: ДМК Пресс, 2008. - 768 с.: ил.
© Е. И. Горохова, 2014
